风速对室内甲醛浓度影响的模拟研究

王牧日+张继娟+张仲凤

摘要：指出了甲醛作为室内的主要污染物，已严重影响到了人的身心健康。利用仿真模拟软件Airpak，以卧室为例，进行了室内的甲醛浓度模拟，在室内通风速率分别为0 m/s、0.75 m/s、1.5 m/s情况下，室内甲醛浓度的详细模拟分布以及变化，然后分别模拟在0～3m/s之间的通风速率，记录室内甲醛的平均浓度与最大浓度，定量分析了其之间的变化情况，为改善室内甲醛污染提供参考。

关键词：甲醛；风速；仿真模拟

中图分类号：O622.4

文献标识码：A 文章编号：16749944（2017）22002104

1 引言

继“煤烟污染”与“光化学烟雾污染”后，“室内空气污染”已成为社会的第三大污染，然而在室内空气污染中，甲醛因其来源广、持续时间长、危害大，已成为室内主要的污染物。而影响室内甲醛浓度的因素有多方面，包括温度、湿度、板材的装载度、板材的种类以及室内通风状况等。其中室内通风状况属于最廉价、生活中最常见的一种降低室内甲醛浓度的方式。笔者利用计算机流体仿真模拟软件Airpak研究在不同风速下的室内甲醛浓度的变化情况，为有效控制甲醛浓度提供依据。

2 CFD概述

CFD（Computational Fluid Dynamics）是计算机流体力学的简称，是在电子计算机上进行数值求解流体与气体动力学的学科，通过计算机数值计算与图像现实，对包含流体运动或热传导等相关的物理现象的系统所做的分析[2]。CFD软件是特地用来对流场进行分析、计算、预测的软件。自1933年英国人Thom初次利用手摇计算机计算求解了二维粘性流体偏微方程，由此而诞生了CFD，到1974年丹麦学者Nielsen首次利用CFD技术对室内空间进行通风空气流动模拟，以至后来随着科技的发展与技术的成熟，由于CFD技术可节省大量的人力、物力、时间以及对实验结果的整理具有指导性作用，已广泛应用于航空航天、生物医学、电子技术、环境污染等各个领域。

目前CFD軟件比较多，如CFX、FLUENT、PHOENICS、FLOEFD、Airpak等，它们的功能多而且强大，可以求解工程中的很多复杂问题。但是由于各软件又有各自的优势，所以对于不同的问题，为了提高仿真模拟的准确率，应选择合适的仿真模拟软件。 Airpak是FLUENT中专门面向HVAC（Heating Ventilation Air-conditioning and Cooling空气调节系统）领域的软件，一方面它可以对所需要研究的模型对象的气体流动、污染、传热等物理现象可进行精确地模拟；另一方面也可对通风系统的空气流动、污染、舒适度、传热等问题进行模拟，准确的模拟结果有助于研究和分析室内空气品质的问题。

3 Airpak模拟

本研究主要针对国家标准人造板E1板（甲醛的释放量不超过0.12 mg/m3）

所制成的家具，在不同的通风条件下（0～3 m/s），环境温度为20 ℃的情况下，研究室内甲醛浓度的变化情况。本次模拟是非瞬态模拟，得出的结果属于动态平衡时的结果。

3.1 物理模型

根据某卧室的实际尺寸与室内家具的分布建立简单的物理模型，卧室的几何尺寸为4500 mm×3600 mm×2800 mm，房间里有衣柜、床头柜、床、书桌、灯、电视、地板等，见图1。室内甲醛的散发源主要是家具（衣柜、床头柜、床、书桌），房间里开了一扇窗。各物体尺寸如表1所示。

3.2 边界条件

本研究针对的是通风速率，所以窗户的通风口尺寸是固定的，且为双开窗形式。而所设置的通风速率为0 m/s（闭窗），0.1 m/s，0.25 m/s，0.5 m/s，0.75 m/s，1.0 m/s，1.25 m/s，1.5 m/s，1.75 m/s，2.0 m/s，3.0 m/s 10个不同风速进行模拟研究，送风的温度设置为20 ℃（标准温度）。

3.3 网格划分

采用六面体网格，网格X、Y、Z方向上的网格最大单元尺寸（MaxSize））都设定0.2 m，对于流动物体（送风口）的网格数设置为5，先后进行粗略网格与精细网格的划分，粗分化的网格数（Numelement）是7901（图2），节点数（Numnodes）是9471，细分化的网格数149276，节点数是161072。生成的网格图见图3。

3.4 求解参数设置

（1）模拟的过程中，由于风速不大，因此对于空气的压缩效应可忽略，按不可压流体处理。

（2）在整个模拟的过程中，假设地板、天花板，墙壁都处于绝热的状态，进风口的风速是均匀的。

（3）甲醛等污染物的扩散与多因素有关，例如：时间、发散源的位置、通风状况、板材种类、温度等，其中任何一个因素发生变化，都会对室内甲醛浓度造成影响，因此其流动属于非稳态的过程。而本研究针对的是非瞬态模拟，未考虑时间因素，板材内的甲醛自由扩散达到平衡时的研究。

4 模拟结果分析

我国《居室空气中甲醛的卫生标准》中有所规定：对于公共场所而言，最高容许浓度为0.12 mg/m3；对于居室而言，室内空气中的甲醛最高容许浓度为0.08 mg/m3，因此居室甲醛浓度的安全标准是不能超过0.08 mg/m3，在此基础上对室内的甲醛浓度进行研究分析。

4.1 工况一下的甲醛浓度分布

开启窗户有利于甲醛等污染物的扩散，本工况研究的是在窗户的闭合的情况下，分析研究室内甲醛的分布（图4～6）。

由图4、5、6可知，不管是沿着X轴，Y轴还是Z轴的正方向，在靠近散发源区域，甲醛的浓度相对较高，在室内无通风条件下，靠近窗户处的区域浓度也不低，说明室内通风条件差，不利于污染物向外扩散，导致甲醛等污染物集中于室内，造成室内整体浓度偏高。随着甲醛的自由扩散，室内的甲醛浓度趋于一个动态平衡，在此情况下达到的平衡值通过模拟得出的室内平均浓度数值是0.21171 mg/m3，若在此条件下作业，会闻到异味，有不适感；经常在此条件作业的话，会引起咽喉炎、结膜炎、哮喘等疾病。endprint

4.2 工况二下的甲醛浓度分布

本工况研究的是室内窗户处于开启状态且通风速率为0.75 m/s情况下，室内甲醛污染物的分布状况。

由图7、8、9可知，从闭窗到开窗且通风速率为0.75 m/s可以看出，不管是在X轴，Y轴还是Z轴方向上，室内的甲醛浓度变化很明显，在靠近甲醛发散源处的区域，甲醛浓度比较高，最大值为0.1927 mg/m3，在靠近窗户处，甲醛的浓度非常低，从窗户往室内，甲醛浓度逐渐增大。而且在靠近地面处甲醛的浓度要高些，越往上甲醛的浓度越低。达到动态平衡时，计算机的模拟结果显示，室内甲醛的平均浓度值为0.01968 mg/m3，低于国家标准的限定值，在此工况下作业，比较安全。4.3 工况三下的甲醛浓度分布

本工况研究的是开窗状态下，室内通风速率为1.5 m/s情况下的室内甲醛污染物的分布状况。

由图10、11、12对比可知，室内窗户的通风速率由0.75 m/s到1.5 m/s，室内污染物甲醛浓度颜色分布图差别比较小，说明室内甲醛浓度差别不大。由此可知随着风速的增大，室内甲醛浓度会趋于一个稳定值。通过计算机的模拟结果显示，此种工况下的甲醛浓度最大值为0.1848 mg/m3，平均浓度为0.01915 mg/m3，与风速为0.75 m/s的时候相差不大。

5 数值分析

为了研究不同风速下的甲醛浓度变化，又分别记录了0～3 m/s之间不同风速下的室内甲醛浓度，如表2所示。

由图13、14可知：自然风对降低室内甲醛等污染物具有非常显著的效果。本次模拟属于非瞬态模拟，在不考虑时间因素的影响下，不同风速情况下，板材内的甲醛通过自身扩散机理在室内达到一个动态平衡的状态。在封闭的室内，没有空气的交换，随着时间的延长，室内甲醛浓度非常高，一般都会超过国家限定值，长期作业于此种环境，会对人体的健康产生很大的危害。然而，一旦打开窗户，室内处于通风的状态下，室内甲醛浓度明显降低，隨着风速的增大，室内甲醛浓度的平均值趋于平稳，此时，再次增大风速，对降低室内甲醛浓度的作用不大。

6 结语

本研究是利用CFD软件Airpak对室内甲醛浓度进行数值模拟，通过对得到的数值进行定量分析可知，通风有助于室内甲醛的扩散，对快速降低室内甲醛浓度起到非常显著的作用。人们可以通过自然风，多开窗户，以最便捷的方式降低室内的甲醛浓度，从而降低室内污染物对人体的危害，以保障人的身心健康。

参考文献：

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Abstract： Formaldehyde， as the main indoor pollutant， has seriously affected the people's physical and mental health. In this paper， the simulation software Airpak was used to simulate the concentration of formaldehyde in the room.The simulation results showed that the indoor formaldehyde concentration was simulated and the indoor air velocity was 0m / s， 0.75m / s and 1.5m /s. Then the ventilation rates between 0 ～ 3m / s were simulated respectively.The result recorded the average concentration and the maximum concentration of formaldehyde in the chamber. The change of the formaldehyde concentration was quantitatively analyzed to provide a reference for the improvement of indoor formaldehyde pollution.

Key words： formaldehyde； wind speed； analogue simulationendprint