住宅建筑板式家具甲醛散发特性研究

霍聪颖，常 茹

（天津城建大学 能源与安全工程学院，天津 300384）

在民用建筑中，人造板式家具因富有现代简约风格、可拆卸、造型时尚，且有价格优势受到人们的追捧.通过国内研究人员对我国部分城市住宅室内空气的污染情况进行调查研究发现，甲醛是室内空气的主要污染物，对人体的影响比较大[1-4]，而人造板式家具是散发甲醛污染物的源泉之一[5-8].如何降低室内污染物浓度成为目前研究中的热点问题，因此探讨室内板式家具甲醛散发特性具有非常重要的意义.

白雁斌等[9]通过自制的环境舱研究甲醛的散发规律，得出甲醛的释放速率与温度成正相关，并且甲醛散发初期的扩散速度较快.李志生[10]等采用环境舱实验研究了温度和相对湿度对四种典型家具材料的甲醛散发影响，其中温度对甲醛散发影响较大，相对湿度影响较小.本文以天津某民用住宅小区为基础，运用CFD方法模拟以及实验相结合的方法进行室内甲醛散发特性的研究，通过比较分析不同环境因素条件下的数值模拟结果找出合理地降低甲醛浓度方式.

1 物理模型的确定

本文以坐落在天津市某小区的住宅建筑为研究对象，选用的户型为全阳型，户型结构如图1所示.选取摆放家具比较集中且数量较多的客厅、餐厅为计算模型，探讨其甲醛散发特性.客厅、餐厅的建筑尺寸、家具尺寸及摆放情况如图2所示，其中衣架材质为松木，家具均为中纤板材质.

为了确定不同材料的甲醛散发量，在模拟计算之前采用国标实验台测试得出：中纤板（主材）+油漆（表面）的单位面积甲醛释放量为0.16 mg/m5；松木（主材）+油漆（表面）的单位面积甲醛释放量为0.05 mg/m5[11]，由此可得出室内污染源甲醛的释放量.

图1 户型平面

图2 户内布局

2 数值模拟分析

影响甲醛散发的环境因素主要有温度[12]、相对湿度[13]、换气次数[14]和负载率[15]，现就以这四种环境因素来作为模拟工况.为探讨每一种环境因素对甲醛散发特性的影响，每探讨一种因素对甲醛的散发影响时将其余三个因素设为常量进行研究.

本次数值模拟房间面积为30.03 m2，根据文献[16]规定的采样点的数量和位置要求，将房间面积分为四个部分，测点布置如图1所示.

2.1 温度对甲醛散发特性的研究

本模拟工况的参数设置情况：温度为变量，依次为21、25、29℃、相对湿度为45%，换气次数为1次/h，测点高度距地面0.5 m，室内甲醛浓度模拟结果如图3-5所示.

图3 21℃甲醛浓度分布

图4 25℃甲醛浓度分布

图5 29℃甲醛浓度分布

从图3-5的甲醛浓度模拟云图可以看出，甲醛浓度分布差异较为明显，C区域沙发处甲醛浓度最高，其次是A区域和B区域，说明在散发源密集区域附近甲醛浓度高于其他的区域，主要集中在沙发、电视柜、餐桌等区域，因此处既是污染源聚集区也是障碍物聚集区，造成短时间内不能使甲醛向外扩散；在各区域内甲醛随着温度升高散发加强，使得甲醛浓度逐渐增大；温度升高，能加快家具内甲醛分子的热运动，加快甲醛分子向表面散发的速度；脲醛树脂分解甲醛的速度随着温度升高，分解能力加大.总体来看升高温度能加剧家具中甲醛的散发，但是各区域甲醛散发的规律不变.

2.2 相对湿度对甲醛散发特性的影响

本工况的参数设置情况：相对湿度为变量，依次为45%、47%，温度为25℃，换气次数为1次/h，距地面高度为0.5 m处的甲醛浓度数值模拟结果如图6和图7所示.

由图6和7模拟结果可知，甲醛浓度随着相对湿度的增加而增加，说明增加相对湿度同样能激发家具中甲醛的释放速度.从物理性质来分析，房间相对湿度增大，而甲醛易溶于水，导致空气侧吸附甲醛分子，有利于板材内甲醛向外散发.另外，甲醛在散发过程中传质阻力取决于板材的干燥层，相对湿度增加会使其孔隙结构吸湿膨胀，导致孔径结构改变，有利于甲醛散发，最终导致甲醛浓度持续升高.

2.3 换气次数对甲醛散发特性的影响

本工况的参数设置情况：换气次数为变量，依次为0.5，1.0，2.0次/h，温度为25℃，相对湿度为 45%，距地面0.5 m高度处甲醛浓度的数值模拟结果如图8-10所示.

由图可知，甲醛浓度随着换气次数的增加，总体呈现减小的趋势，当换气次数为0.5次/h时，甲醛浓度分布差异明显；而当换气次数达到2.0次/h时，客厅内的甲醛浓度分界线不明显，已经基本趋于一致，没有了局部高浓度现象.相对于温湿度对家具甲醛散发的影响，改变换气次数的影响要偏大.这是因为温湿度变化所改变的是家具材料内部散发的速率，而换气次数的改变直接影响家具材料外部甲醛浓度，并产生较大的浓度差.增加换气次数不仅能加速家具内部甲醛向外扩散的速度，而且气流的流通也一直在向室外运输甲醛，使内部散发的甲醛小于扩散到室外的，整体呈现减少的趋势.

图6 相对湿度为45%的甲醛浓度分布

图7 相对湿度为47%的甲醛浓度分布

图8 0.5次/h甲醛浓度分布

图9 1.5次/h甲醛浓度分布

图10 2.0次/h甲醛浓度分布

2.4 负载率对甲醛散发特性的影响

人造板式家具甲醛散发源的数量会影响室内甲醛浓度的分布，本文对比研究了当电视柜、沙发和茶几及餐桌、餐椅和鞋柜各不作为散发源的三种负载率工况下甲醛浓度的分布规律.边界条件设置情况：温度为25℃，相对湿度为45%，换气次数为1.0次/h，模拟结果如图11-13所示.

由甲醛浓度分布云图可以看出，与室内家具全部作为污染源相比，当餐桌餐椅等不作为污染源情况下，整个客厅内甲醛浓度有微小的变化.而电视柜、沙发对甲醛浓度分布产生较大影响，客厅内整体区域都有减少，而沙发对甲醛散发的影响相对最明显.这是由于沙发暴露在空气中的表面积最大，进而散发更多的甲醛，导致甲醛浓度较大，短时间内无法使室内甲醛均匀分布，若不作为污染源，情况正好相反.餐桌、餐椅等不作为污染源的情况下只能引起甲醛浓度分布有微小变化.由此可见，负载率是影响甲醛浓度分布最重要的因素，有限空间内少摆放家具是减少甲醛污染最有效的措施.

图11 电视柜不作为散发源时甲醛浓度分布

图12 沙发、茶几不作为散发源时甲醛浓度分布

图13 餐桌、餐椅和鞋柜不作为散发源时甲醛浓度分布

3 实验测试及对比分析

根据文献[17]《民用建筑工程室内环境污染控制规范》中的规定：“对于采用自然通风的住宅房间，应对外门、窗关闭12 h后进行测试.”在此条件下，本次实验测试进行了为期40 d的连续监测，在没有引入家具污染源时，客厅内经过充分的通风换气使房间内的甲醛浓度达到与室外甲醛浓度基本一致.在每次测量之前，均将门窗关闭12 h，以达到平衡浓度.

本次实验主要测量内容：房间的温湿度及甲醛的浓度，对各时刻甲醛浓度的模拟结果和实验结果进行对比分析，其结果如图14所示.

图14 甲醛散发特性的实测和模拟结果

由图14可知，实测与模拟结果基本趋于一致，只存在较小的偏差.由此分析出现实测值大于模拟值情况的原因：一方面是实测时由于除了家具以外还有少量其他甲醛的散发源，使得实测结果会比模拟工况稍微偏大一些；另一方面是未放家具之前已经有少量的甲醛存在，而在测试过程中由于人员进出而导致部分甲醛通过门窗散发到室外.但从整体上看，各时刻误差均在8%以下，平均误差为2.64%，随着时间的增长，实测与模拟结果吻合度较好.

4 结论

本文以人造板式家具甲醛散发为研究课题，选取了一小户型住宅为研究对象，采用数值模拟方法，对不同温度、相对湿度、换气次数和负载率条件下甲醛散发的特性进行研究，并对甲醛散发特性进行了实测，得出以下结论.

（1）通过温度、相对湿度、换气次数及负载率对甲醛的散发率影响的数值模拟研究.换气次数以及负载率影响最大，即换气次数越大，在2.0次/h时，甲醛浓度最小；负载率越小，在沙发、茶几不作为散发源时，甲醛浓度最小.

（2）实验测试与数值模拟的结果相差较小，吻合度较高.通过数值模拟结果可知：在室内门窗关闭的情况下，甲醛扩散速率较低；在污染源聚集的地方甲醛浓度较高；在散热器等室内流通死角等位置处，会造成甲醛小范围积聚.因此，建议居住者摆放家具时除满足基本功能外，要适当增加家具之间的间距，保障气流流动的通畅性，以降低甲醛浓度.