窗户开启方式对住宅甲醛排放特性的影响分析

李东倩 罗清海 涂敏 李思燕 高瑞霞

南华大学土木工程学院

0 引言

住宅装修使用的新型建筑材料、装璜材料、新型涂料及粘接剂等，均会不同程度的释放有害气体，如甲醛、氡、TVOC 等，其中，人造板已成为室内甲醛污染的主要释放源[1-2]。甲醛对人体的多系统、多器官都有着极大的毒害作用，被证实为现代“不良建筑综合征（Sick Building syndrome）”明确危险因素之一[3-4]。此外，甲醛还可能提高癌症的发生率[5]。

装修施工工期较短，装修材料尚处于挥发性有机化合物质高释放阶段，造成空气中污染物的浓度偏高[6]。新装修住宅室内化学污染超标严重，初期能够快速下降，但后期污染衰减缓慢，并且不同的污染物衰减过程有所差异，苯系物污染相比于甲醛污染衰减的更快[7]。现代民用住宅建筑，大多采用自然通风排放室内污染物，窗户的开启方式对自然通风效果影响很大，为保证住宅的空气质量，合理设置窗户的开启形式对室内有害物的排放至关重要。

1 研究对象

1.1 研究对象

本文以湖南省衡阳市典型住宅为例，模型图如图1 所示。

图1 衡阳市典型住宅模型图

研究不同开窗方式下室内甲醛污染的排放情况。结合实验测试，运用CFD 软件对甲醛的扩散及排放过程进行数值模拟，根据有关规定，中高层、高层及超过100 m 高度的住宅建筑严禁采用外平开窗[8]，防止窗户意外破损脱落伤及路人。主要研究典型户型采用推拉半开窗，推拉落地窗，内开平开窗，内开上悬窗和内开下悬窗时，室内甲醛排放情况及浓度分布。

衡阳市坐落于湖南省中南部，地处湘江中游、衡山以南，属亚热带季风气候，年平均气温在18 ℃左右。冬季盛行偏北风，夏季盛行偏南风，全年平均风速2.0 m/s。

1.2 窗户形式

高层住宅窗户常见开启形式有五种：推拉半开窗，推拉落地窗，内开平开窗，内开上悬窗和内开下悬窗，如图2 所示。

图2 常见开启形式的窗户

2 研究方法

2.1 实验测试

在衡阳市区选取典型户型的新装修住宅，甲醛散发源主要为地板与柜板。采用ET-4160 便携式高精度甲醛分析仪（检测范围0～1999 ppb，分辨率1 ppb），对室内甲醛浓度进行实地测量。我国针对于住宅、医院、老年建筑、幼儿园、学校教室等Ⅰ类民用建筑工程的甲醛浓度限值为0.08 mg/m3，现场检测点距内墙距离不小于0.5 m，距楼地面高度0.8～1.5 m，采用自然通风的民用建筑，应在外门窗关闭1 h 后检测[9]。根据规范的布点原则，在住宅内选取A-G 共7 个点进行采样检测，距楼地高度均为1 m，采样点平面布置具体如图3所示。

图3 采样点平面布置图

2.2 数值模拟

以上述典型住宅为基础，对于不同开窗形式工况分别建立相应的物理模型：关闭门窗，推拉半开窗，推拉落地窗，内开平开窗，内开上悬窗和内开下悬窗。将模型分别导入ICEM 中，进行非结构网格计算，优化光滑后网格质量均在0.4 以上，平均质量约为0.75。

本文计算甲醛散发采用VOCs 传质理论模型[10]，假设装修材料内部甲醛浓度分布均匀，散发过程没有发生化学反应，空气和材料交界面始终会保持动态的平衡。

由于材料表面存在浓度边界层，甲醛在散发过程中同时受到对流和扩散的影响，边界层中甲醛扩散遵循Fick 第二定律：

式中：R(t)表示气相传递速率；h 表示传质系数；Cs(t)表示材料表面空气侧的甲醛浓度；Cf(t)表示室内空气中的甲醛浓度。

将不同模型的网格文件导入Fluent 中进行计算，地板与柜板作为散发源设为Mass-flow inlet，散发速率分别设置为5.83×10-12kg/(m2·s)、6.67×10-12kg/(m2·s)。采用夏季计算参数，住宅模型南外窗为进风口，边界类型设置为velocity-inlet，风速2.0 m/s，北外窗与入户门为出风口，室外甲醛浓度为0。

3 结果分析

3.1 可行性验证

门窗关闭1 h 后，新装修住宅内部各房间甲醛严重超标，各采样点的甲醛实测浓度与模拟浓度见表1。

表1 各采样点甲醛浓度对比表

通过对比可知，实测浓度略大于模拟浓度，误差均在20%以内，说明数值模拟对室内甲醛浓度预测与分析具有参考价值。分析数据得出，关闭门窗不利于甲醛的扩散与排放，新装修住宅内甲醛最高浓度将近国家标准的12 倍，不适于人体居住与活动，必须开窗通风降低室内甲醛浓度。关闭外门窗，绘制采样点浓度对比折线图如图4 所示。

图4 关闭门窗甲醛浓度对比折线图

根据折线图走势，采样点D、G 的甲醛浓度明显偏高，模拟与实测浓度误差偏大，而采样点A、B 的甲醛浓度较低，误差相对较小。结合实际情况，采样点A、B 点所在的客厅，空间较大而柜式家具数量较少，甲醛浓度相对较低，采样点D、G 所在的厨房与次卧2 都处于住宅的下风向，在关闭门窗之前甲醛就已经发生了浓度积累，关闭门窗之后甲醛二次叠加，导致房间内甲醛浓度偏高，模拟误差偏大。由于甲醛在住宅内部挥发积累，浓度过高危害人体健康，开窗通风非常必要。

3.2 不同开窗方式数值模拟

由实测与模拟数据可得，门窗关闭1 h 后，住宅内部甲醛浓度加权平均值为7.8×10-7kg/m3，作为开窗模拟计算的初始浓度值。对于不同开窗方式，分别进行CFD 数值模拟，分析自然通风下住宅内甲醛的浓度衰减与排放情况，重点研究人体呼吸区（z=1.5 m 截面）的甲醛浓度分布。

图5 不同开窗方式下室内甲醛浓度曲线图

图5 表示开启门窗进行自然通风，不同开窗方式下室内甲醛平均浓度随时间变化曲线。模拟计算结果显示，自然通风是排除室内甲醛的有效途径，可短时间降低高浓度有害物。计算进行到120 s 后基本稳定。通过曲线图分析可知，窗户开启方式直接影响到甲醛的排放速率。五种开窗方式进行自然通风时，室内甲醛排放速率从大到小依次为：内开平开窗＞推拉落地窗＞内开下悬窗＞内开上悬窗＞推拉半开窗。采用不同开窗方式，对应的室内甲醛浓度降至国家标准8×10-8kg/m3的时间快慢不同，具体时间统计表见表2。

表2 不同开窗方式下室内甲醛浓度达标时间统计表

开启门窗进行自然通风，当换气量达到一定时，采用不同开窗方式的室内甲醛稳定浓度趋于一致，均低于国家标准限值。采用内开平开窗室内甲醛衰减速率最快，在通风15 s 后迅速降低至国家标准，在人体常驻性房间甲醛浓度较低且均衡。推拉半开窗因过流面积减半，导致通风量减小而使室内甲醛浓度衰减速率最慢。

图6 不同开窗方式下人体呼吸区甲醛浓度分布图（z=1.5 m 截面）

不同开窗方式下住宅内部有害物浓度达到稳定时，室内人体呼吸区（z=1.5 m 截面）的甲醛浓度分布如图6 所示。

对比分析呼吸区的浓度分布图，处于下风向的房间更容易积累甲醛，如次卧2，卫生间1 与卫生间2 都出现了不同程度的甲醛滞留现象，尤其是卫生间2，因窗户过流面积小且气流多次转向受阻，甲醛浓度高于其他房间。客厅与餐厅的进出风口为正对位开窗，通风气流贯通，甲醛浓度相对较低。

采用内开平开窗进行通风，住宅通风换气量大、换气次数高，稳定时甲醛浓度较低。同时，内开平开窗营造的自然通风气流均匀，易出现高污染房间中甲醛浓度明显低于采用其他开窗方式，如厨房与卫生间2。推拉落地窗虽然排出甲醛速率较快，但造成客厅及次卧1 局部甲醛排放受阻，气流均匀性较差，导致室内甲醛局部滞留。内开下悬窗比内开上悬窗的排放速率快，且排放效果更加均匀。推拉半开窗因开启面积减半导致通风换气量减小，室内甲醛局部堆积，上下风向的卧室内甲醛排放效果均不理想。

3.3 不同开启角度数值模拟

上述分析得出，采用内开平开窗住宅内甲醛排放效果达到最佳。居民入住后由于生活习惯不同，通风开启角度也会有所差异，对于不同的开启角度，通过CFD 数值模拟分析其对甲醛排放效果的影响。

图7 表示采用内开平开窗进行自然通风，不同开启角度下室内甲醛平均浓度随时间变化曲线。

图7 不同开启角度下室内甲醛变化曲线图

模拟结果显示，在自然通风条件下，平开窗的开启角度与室内甲醛排放效果呈正相关，开启角度越大，住宅甲醛排放速率越快，甲醛浓度达标时间越短。在进行自然通风后，不同开窗方式下住宅内部污染物稳定浓度基本一致，人体呼吸区（z=1.5 m 截面）甲醛浓度分布如图8 所示。

由甲醛浓度分布云图可推断，窗户开启角度越大，住宅自然通风的过流面积越大，室内污染物排放效果越好，最终稳定状态时住宅内部甲醛处于低浓的范围越广。当平开窗30°开启时，进风口过流面积小使得通风换气量较小，室内气流分布不均匀，甲醛排放速率较慢且稳定状态时分布不均衡，在远离窗口及内墙拐角处的区域容易出现甲醛滞留堆积现象。全开窗工况时，室内处于低浓污染的面积最大，住宅常驻性房间的甲醛稳定浓度趋于一致，维持在较低水平，有利于人体健康。平开窗60°开启与全开窗的室内甲醛分布特点基本一致，只在次卧1 出现局部的甲醛滞留现象，稳定时甲醛平均浓度小于30°开启工况，排放效果明显提升。可见在开启角度大于60°后，甲醛排放速率受开启角度影响逐渐减小。

图8 不同开启角度下人体呼吸区甲醛浓度分布图（z=1.5 m 截面）

4 结论

新装修住宅甲醛污染超标严重，不适于人体居住与活动，须进行通风换气将室内甲醛排至室外。本文通过CFD 数值模拟可得出，自然通风能有效排除住宅内的高浓度空气污染物，使室内甲醛浓度快速降低，达到国家卫生标准，提高室内空气质量。

为保证室内空气质量和人员健康，在装修方案设计中提前考虑窗户开启方式，促进室内甲醛及其他有害污染物的排放，使室内空气在自然通风方式下便可达到相对洁净的状态。选用可开启面积较大的内开平开窗，定期打开外门窗进行自然通风，将门窗最大角度开启，增加开窗通风时间，便于室内污染物快速挥发和排出，减少室内居民患病风险。