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1、多区网络通风与 VOC 散发模型的耦合及民用建筑内建材散发污染的预测刘京，李文琴 哈尔滨工业大学市政环境工程学院摘 要 本文以我国北方地区民用住宅建筑为例，研究自然通风作用下建筑材料造成的室内 挥发性有机化合物（VOC）污染。建立建材 VOC 散发模型，并与 COMIS 多区网络通风模型实 现耦合。结果表明，污染散发初期室内污染散发速率快，室内 VOC 浓度很高，随后迅速衰减； 受建筑内部气流影响，各楼层 VOC 浓度差异很大。 关键词 COMIS，建筑材料，挥发性有机化合物，室内空气品质EVALUATION OF VOC DISTRIBUTION IN APARTMENT BUILDINGS
2、 USING AN INTEGRATED MULTI- ZONE AIRFLOW AND IAQ MODELLiu Jing, Li WenqinAbstract: This study highlights the significance of airflow pattern within a typical apartment building and its impact on VOC distribution. A VOC emission model was developed and integrated with multi-zone airflow model COMIS.
3、Then this new model was applied on a residential building in Harbin, a typical city in the severe cold region of China. The results indicate that, initial VOC concentration is very high due to high VOC emission rate. And as time processes, VOC concentration decays. In addition, because of this flow
4、pattern, the VOC concentrations on different floors vary significantly.Key words: COMIS multi-zone model, building material, VOC, indoor air quality1 引言室内空气品质问题近年来得到广大研究者的重视，研究表明大量非工业建筑内部存在着 室内空气污染问题，严重影响了人们的健康和舒适。此外，由于节能的需要，高气密性建筑 在北方地区推广，更加剧了室内空气品质的恶化。在各种室内污染物中，建筑和装饰装修材 料散发的挥发性有机化合物（VOC）是室内空气污染的重要
5、源头之一。为寻求控制室内空气 污染的有效办法，有必要对建筑材料中 VOC 的散发特性进行深入研究。目前国内外的研究大多以建立 VOC 模型，探讨建材中的 VOC 散发机理为研究对象，考虑 VOC 散发源对周围环境的影响尚较少，且以单室稳态计算为主，具有代表性的如 CFD 模拟， 可以详细地模拟单室内速度场、温度场、污染物浓度场的分布变化。但 CFD 由于计算量大， 计算时间长，因此很难进行污染物在多室之间扩散和传递等相互影响的研究。而现有的多区 网络模拟虽能从宏观角度模拟整个建筑系统内部的气流流动特性和污染分布，但由于只是对 稳态污染源的散发研究，对建材 VOCs 散发这样的散发量动态变化的情
6、况还有待展开。本文将通过建模对整个建筑内部 VOCs 污染问题进行了探讨，对污染散发进行了长期的 动态模拟。 2 建材 VOCs 散发模型的建立本模型以干性材料为研究对象，综合考虑了平板材料的内部扩散、表面散发以及薄材料 的吸附解析过程1。2.1 散发源内部对平板建材的散发源，本文选用 Yang 等人建立的一个典型传质模型。该模型以 Fick 定 律为基础，综合考虑了 VOCs 在材料内部的扩散过程和表面边界层的影响，适用于平板材料 中 VOCs 的单面散发过程2。其控制方程为：(1) 其中：-材料内部污染物浓度(g/m3)；Dm-材料内部污染物扩散系数(m2/s)；-时间（s） ；x-一维扩
7、散方向（m） 。 2.2 材料表面污染源材料表面，固体侧 VOCs 浓度和空气侧 VOCs 浓度保持动态平衡，在常温常压条件 下，符合 Langmuir 等温线3,4：，0 (2) 其中：-材料表面空气中 VOCs 的浓度(g/m3)；Kma-材料表面分隔系数；l-材料厚度(m)。 2.3 边界层质扩散在材料表面，存在一层浓度边界层，其中的污染物传递过程同时受扩散和对流影响，气 相传质速率为(Fick 第二定律)：(3) 其中：-散发源材料气相传质速率(g/s)；-空气中 VOCs 浓度(g/m3)；hm-对流传质系数(m/s)；F1-散发源材料表面积(m2)。 2.4 薄材料表面吸附解析效应
8、通常认为薄材料表面吸附/解析过程同时发生5，其表面控制方程：(4) 其中：M-吸附解析材料表面吸附量(g)；Ka、Kd-吸附、解析系数(m/s、1/s)；F2-吸附解析材料表面积(m2)。 2.5 控制体内污染物质量平衡方程以每个房间为节点建立各节点污染物质量平衡方程：(5) 其中：Cin-进风中污染物浓度(g/m3)；V-房间体积(m3/s)；Vin-房间进风量(m3/s)；Vout-房间排风量(m3/s)。 2.6 初始条件和边界条件 2.6.1 初始条件 散发源材料内部：， (6) 吸附解析材料表面： (7) 空气中污染物浓度： (8) 2.6.2 边界条件 散发源材料底部（固固界面）：
9、 ， (9)材料空气界面：， (10) 2.7 VOC 散发模型数值解 联立方程(1)、(6)、(9)、(10)求解，得到平板建材内部 VOCs 浓度分布表达式(11) 和材料表面 VOCs 浓度表达式(12) 2.8 计算方法COMIS(Conjunction of Multizone Infiltration Specialists)是一种多区网络通风模 型，利用区域(zone)和空气流通路径(airflow path)等概念，按照不同的模拟目标将实际建 筑简化为理想建筑模型，在此基础上进行模拟计算。本文应用 COMIS 对建筑内部的通风进行 模拟，根据风压、热压作用，模拟门窗、开口及其缝
10、隙，围护结构如墙、楼板等空气泄漏特 征，确定外围护结构的渗风量6。然后将 COMIS 计算所得结果导入上述 VOC 散发模型，编 制程序求解室内 VOC 浓度，流程图如图 1 所示。图 1 模型计算流程图 3 模拟描述以哈尔滨为例，代表我国严寒地区气候条件，在自然通风基础上，应用上述污染散发模 型，研究建筑内部建材造成的 VOCs 污染。 3.1 模型建筑本研究选用了一栋高 18.9m 的多层单元式民用住宅建筑为研究对象，这是我国目前最常 见的民用住宅建筑形式之一。该建筑包括 3 个单元，由于计算条件大体相同，实际计算时只 考虑了中间单元。每层层高 2.7m，共 7 层，14 个住户，每个住户
11、使用面积约 50m2，中间的 楼梯间体积为 226.8m37。图 1 所示为建筑外立面和内部布局示意图。为简化计算，假定 住户内部的隔断可以忽略。图 2 模型建筑外立面和内部布局示意图 3.2 室内外温度图 3 所示为哈尔滨一年内室外温度的变化8。哈尔滨冬季持续时间很长，夏季短而凉 爽。冬季采暖期从每年 10 月中旬到 4 月中旬长达半年，其间由于开窗时间很短，室内温度 受室外影响很小，室内温度在 20左右变化，波动很小9，本文为了计算方便统一定为 20；其他时间室内温度随室外气候变化10，具体见图 4 所示。此外，该模拟中楼梯间不设置采暖或空调设备，全年温度的变化直接受室外温度影响。图 3
12、室外温度变化图 4 室内温度变化 3.3 气流特征考虑到我国目前居民实际生活中的通风方式主要依赖渗风以及通过门窗的自然通风，本 文的模拟以自然通风为主，同时假定每户每天在 18:00-19：00 的做饭期间开启排风机，排 风量为 150m3/h。门窗的开启时间和角度根据实测资料确定。 3.4 污染源和污染物从住户实际建筑面积考虑，材质为合板的地板散发源，表面积 50m2、厚度 0.02m；考虑 到 TVOC 通常作为挥发性有机化合物的总指标，而苯则是目前存在较多且危害性较大的一种 代表性 VOC，故本文以 TVOC 和苯为例进行模拟研究，合板中 TVOC 和苯的各项参数4,11,12见表 1。
13、吸附解析源为窗帘，表面积 20m2，初始苯含量 3.5106g，对苯的吸附解析系数为 0.25。 表 1 合板中 TVOC 和苯的物性参数传质系数(m/s) 扩散系数(m2/s) 分隔系数 初始浓度(g/m3)TVOC 4.24104 7.651043289 2.62108 苯 2.45104 2.081011184 5107 4 模拟结果 4.1 气流形式根据 COMIS 模拟结果，哈尔滨多层民用住宅内部冬夏季气流形式如图 5 所示。其中风压 影响以无量纲风压系数13的形式在 COMIS 模块中进行计算。由图可看出冬夏季建筑内部气 流流动规律差异很大，冬季室内外温差很大，通风以热压作用为主，
14、室外空气流经底层住户， 再进入楼梯间，并沿着楼梯间上行进入顶层住户，最后排出；夏季由于门窗等大开口时常打 开，与缝隙渗风不同的是，温差或两侧的热梯度差会导致通过大开口的气流两个流向，气流 大部分通过门窗在住户内部进出，同时风压作用加强，少量气流会从顶部住户排入楼梯间后 下行进入底部住户。图 5 冬夏季建筑内部气流示意图 4.2 VOCs 散发季节对浓度分布的影响由于冬夏季气流差异很大，本文首先考虑不同的装修季节的影响，分别以 1 月和 6 月为 污染的起始散发时间，分析室内 VOCs 浓度分布和变化规律。假定各住户污染源一致，其它 条件不变，模拟 TVOC 和苯的散发。图 6 和 7 所示为哈
15、尔滨某一底层住户污染散发 90 天之内室内 TVOC 和苯的浓度变化。从 图中可以看到，污染散发初期室内污染浓度很高，但衰减很快，TVOC 浓度变化在一个月之 后逐渐趋于平缓，苯则在一周之后开始趋于平缓。污染散发开始于 1 月时，TVOC 最高浓度可达到 23200g/m3，超出“室内空气质量标准 “（GB/T 188832002）的规定值 30 多倍；而苯的最高浓度也达到了 49300g/m3，高出了 规定值 110g/m3。根据计算，TVOC 从开始散发到降至标准要求大约需要 50 多天，苯则需 要 100 天左右。6 月开始散发时 TVOC 和苯浓度变化规律与 1 月散发相似，但浓度值明显低于 1 月，这 是由于夏季通风量远远大于冬季，有利于污染的排除（由于版面限制，本文在此不列出通风 量数据，图 5 中箭头大小对通风量作了简单示意） 。从浓度的总体变化趋势来看，散发初期 前 30 天，两种情况对比，TVOC 和苯浓度存在差距较大，之后浓度逐渐接近。对比室内卫生标准，TVOC 浓度降至标准需要约 30 多天，苯则需要 25 天，相比 1 月散发大大缩短了散发 周期。图 6 污染散发 90 天内 TVOC 日平均浓度变化图 7 污染散发 90 天内苯的日平均浓度变化由于各楼层之间也存在通风量的差异，导致污染分布不尽相同。各
