（工程热物理专业论文）交叉耦合及壁面多孔效应对室内有机污染物传热传质影响的研究.pdf

山东建筑大学硕士学位论文 摘要 现代建筑的服务理念是为人们提供一个安全、卫生、舒适的室内环境，然而近年来， 随着装饰装修热潮和室内设施现代化的兴起，良莠不齐的建筑材料、装饰装修材料进驻 室内，使得室内挥发性有机污染物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) 浓度大大提 高，由此导致“病态建筑综合症”的患者越来越多。专家认为继“煤烟型污染”和“光 化学烟雾型污染 之后，已经进入以“室内空气污染”为标志的第三污染期。因此，了 解和掌握室内各种污染物的扩散机理，对指导实际工程和改善室内空气品质提供相应的 理论依据。 室内的温度和湿度以及散发表面的多孔介质都对空气中v o c s 的扩散和传播有显 著的影响，然而以往的研究大部分局限于其中一种因素。本文采用理论分析、数值模拟 和实验研究相结合的方法，考虑了壁面多孔效应和交叉耦合扩散效应的影响，重点讨论 室内空气中温度梯度、水蒸气浓度梯度和v o c s 浓度梯度共存时，室内v o c s 对流扩散 的基本规律。以非平衡统计热力学和不可逆过程热力学为依据，在温度梯度、水蒸气浓 度梯度和v o c s 浓度梯度共存时，考虑到多浮升力、多物理场交叉耦合扩散效应和壁面 多孔效应的影响，建立了室内v o c s 自然对流传递的数学模型，并用有限元法对无量纲 控制方程进行离散和求解。 在多物理场( 温度场、水蒸气浓度场和v o c s 浓度场) 共存的情况下，对不同的工 况进行模拟计算和分析，得出了壁面多孔效应及交叉耦合效应对传热传质影响的基本规 律，展示了流场、温度场、水蒸气浓度场和v o c s 浓度场随多孔介质壁面厚度d 、热瑞 利数r a 、综合浮力比、v o c s 刘易斯数e c 等变量的变化情况，探讨了达西数d a 、 热附加扩散效应准则数s r c 、扩散附加热效应准则数d c r 和质附加扩散效应准则数g h c 等系数对多孔壁面上的热质传递扩散的影响规律。 通过对多物理场腔体内多孔壁面上热质传递的研究，发现达西数d a 对室内v o c s 的散发有重要的影响，较小的d a 对v o c s 的散发和扩散有显著的阻碍作用；综合浮力 比对流动特征有显著地影响，主导着温度场、水蒸气浓度场和v o c s 浓度场的分布 特征，直接影响室内的空气品质；复杂的交叉耦合效应对多孔壁面上热质传递的影响规 律与的取值有关，本文详细分析了交叉耦合效应在取不同值的情况下对多孑l 壁面 上传热传质的影响机理。 山东建筑大学硕士学位论文 本文在理论分析和数值模拟的基础上，以浓度为1 8 异丁烷作为污染物气体的替 代气体进行了交叉耦合扩散效应的实验研究。实验表明传质舍伍德数不仅与浓度梯度有 关，还受到温度梯度的影响，即热附加扩散效应对传质有一定影响。在此基础上进一步 搭建了多组分对流扩散实验台，选用o 5 的丙烷作为污染物的替代气体，在实验测试 小室水平方向上施加温度梯度、丙烷浓度梯度和水蒸气浓度梯度，测得小室内的温度、 湿度和气体污染物浓度的分布，获得了实验研究的多物理场自然对流传热传质规律。与 数值模拟结果比较，发现二者吻合较好。 多物理场中的传热传质影响因素众多，规律较为复杂，传热与传质相互影响且存在 强烈的非线性耦合作用，本文重点研究了各个因素的影响特性，得到了多物理场中各控 制参数对传热传质的影响规律，为研究多物理场中的热质传递奠定了理论基础。 关键词：挥发性有机化合物( v o c s ) ，多物理场，自然对流，传热传质，多孔介质， 交叉耦合扩散效应，室内空气品质 l i 山东建筑大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho ft h ec r o s sc o u p l e da n dp o r o u se f f e c to fw a l l o ni n d o o rv o c s l i ua i m i n ( e n g i n e e r i n gt h e r m o p h y s i c s ) d i r e c t e db yc h e nb a o m i n g a b s t r a c t t h ef u n c t i o no fm o d e ma r c h i t e c t u r ei sp r o v i d i n gp e o p l ew i t has a f e ，s a n i t a r ya n d c o m f o r t a b l ei n d o o re n v i r o n m e n t ，b u ti nr e c e n ty e a r s ，v a r i e db u i l d i n gm a t e r i a l sa n di n t e r i o r d e c o r a t i o nm a t e r i a l sg e ti n t or o o mf o l l o w i n ga f t e rt h ei n t e r i o rd e c o r a t i o nb o o ma n dt h er i s eo f m o d e mf a c i l i t i e s ，t h ei n t e r i o rc o n c e n t r a t i o no fv o c si sm u c hh i g h e rt h a nt h a ti no u t d o o r , w h i c hc a u s em o r ea n dm o r e ”s i c kb u i l d i n gs y n d r o m e ”p a t i e n t s e x p e r t sb e l i e v et h a tf o l l o w i n g t h e ”c o a l - b u r n i n gp o l l u t i o n ”a n d ”t y p eo fp h o t o c h e m i c a ls m o gp o l l u t i o n ”，w eh a v ee n t e r e d i n t ot h et h i r d p e r i o d o fp o l l u t i o n - - i n d o o ra i rp o l l u t i o n ”，t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so f i n d o o rv o c si si m p o r t a n tt oi m p r o v i n gt h ei n d o o ra i rq u a l i t y 薹 t h ei n t e r i o rt e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , a sw e l la st h ep o r o u sw a l lh a v eas i g n i f i c a n ti m p a c t o nt h ed i f f u s i o no fv o c s ，h o w e v e r ，t h em a j o r i t yo fp r e v i o u ss t u d i e sl i m i t e dt oo n eo rt w o f a c t o r s i nt h i sp a p e r , t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i sa r e u s e dt od i c u s st h ec o n v e c t i o n - d i f f u s i o no fv o c s b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h e r m o d y n a m i c s o fi r r e v e r s i b l ep r o c e s s e s ，t h e r m o d y n a m i c so fs t a t i s t i c sn o n - e q u i l i b r i u ma n dc r o s s - c o u p l e d d i f f u s i v ee f f e c t s ，a tt h et i m eo ft e m p e r a t u r eg r a d i e n t ，w a t e rv a p o rc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n ta n d v o c sc o n c e n t r a t i o ng r a d i e n tc o e x i s t e n c e ，am a t h e m a t i cm o d e lw a sd e v e l o p e d ，w h i c hc a n a n a l y z en a t u r a l c o n v e c t i v eh e a t ，w a t e rv a p o ra n dv o c sm a s st r a n s f e r e f f e c t i v e l yi n m u l t i p h y s i c a lf i e l d s ，b e s i d e s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o di s u e s dt os o l v en o n d i m e n s i o n a l e q u a t i o n s i nt h em u l t i p h y s i c a lf i e l d se n v i r o n m e n t ，t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rf o rv o c so ft h e i n d o o rm a t e r i a l si n t e r i o ri se f f e c t e db yp o r o u sw a l la n dt h ec r o s sc p u p l e dd i f f u s i v ee f f e c to f t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y ；t h ed e p e n d e n c eo fd a r c y , b u o y a n c yr a t i o ，e x t r ah e a ta n dm a s s d i f f u s i v ee f f e c to nh e a ta n dm a s st r a n s f e ro fi n d o o rv o c sa r ea n a l y z e db a s e do nf i n i t e e l e m e n tm e t h o d i i i 山东建筑大学硕士学位论文 t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o wt h a tc r o s s c o u p l e dd i f f u s i v ee f f e c t sh a v et ob et a k e ni n t o c o n s i d e r a t i o nf o rt h ep r o b l e mo fs i m u l t a n e o u sh e a ta n dm a s st r a n s f e r t h ei n f l u e n c eo f c r o s s - c o u p l e dd i f f u s i o ne f f e c t so nt h ef l o w ，h e a t ，w a t e rv a p o ra n dv o c sm a s st r a n s f e r d e p e n d so nb u o y a n c yr a t i on b u o y a n c yr a t i on i n d i c a t et h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nh e a t b u o y a n c yf o r c ea n dc o n c e n t r a t i o nb l m y a n c yf o r c e c o n c e n t r a t i o nb u o y a n c yf o r c em a y s t r e n g t h e no rw e a k e nh e a tb u o y a n c yf o r c e t h eh e a ta n dm a s st r a n s f e rb e t w e e nt w oc l o s ec o n t a i n e r sc o n n e c t e db yas u p e r f i n ep i p e w a se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h ec o n t a m i n a t i v eg a su n d e r t e m p e r a t u r eg r a d i e n tm o v ef r o mt h ew a r mc o n t a i n e rt ot h ec o l dc o n t a i n e rw i t hp o s i t i v e t h e r m a l d i f f u s i o nc o e f 矗c i e n ta n dt h eh e a tf l u xm o v et ot h el o w e rc o n c e n t r a t i o nc o n t a i h e r w i t hp o s i t i v ed i f f u s i o n t h e r m oc o e f f i c i e n t a n dam u l t i c o m p o n e n tc o n v e c t i o n d i f f u s i o n e x p e r i m e n t a lr o o mh a sb e e nb u i l tt oi n v e s t i g a t et h ef l o w ，h e a ta n dm a s st r a n s f e r e x p e r i m e n t a l l y a l o n gt h eh o r i z o n t a ld i r e c t i o n ，t e m p e r a t u r eg r a d i e n ta n dt h ec o n c e n 拓a t i o no f w a t e rv a p o ra n dv o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n dg r a d i e n t sw e r ek e p tu n c h a n g e a b l e t h ev a l u e so f t e m p e r a t u r ea n dt h ec o n c e n t r a t i o no ft w oc o m p o n e n t sf o rv a r i o u sc o n d i t i o n sw e r ep r e s e n t e d t h ec h a r a c t e r i s t i co fh e a ta n dm a s st r a n s f e ri nm u l t i p h y s i c a lf i e l d si si n t r i c a t e ，a n da 1 1 t h ef a c t o r sm a yh a v eac o u p l e da n ds y n e r g ye f f e c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，f o rt h ec o n v e n i e n to f s t u d y , t h ea u t h o rp r e s e n t st h ee f f e c t so fp a r a m e t e r so n eb yo n e a c c o r d i n gt ot h ei m p o r t a n c e o fe a c hp a r a m e t e r ，o n em a yd e c i d et oc o n d u c ts o m em e a s u r e st oc o n t r o lt h eh e a ta n dm a s s t r a n s f e r t h ep r e s e n tr e s u l t sm a yg i v ea ni n t r o d u c t i o nt os o m et h e r m a le n g i n e e r i n gf i e l d s k e yw o r d s ：v o c s ，m u l t i - p h y s i c a lf i e l d s ，n a t u r a lc o n v e c t i o n ，h e a ta n dm a s st r a n s f e r , p o r o u sm e d i a , c r o s s - c o u p l i n gd i f f u s i v ee f f e c t ，i n d o o ra i rq u a l i t y i v 山东建筑大学硕士学位论文 x ，y ，z x ，y 。z 丁 c h p “ v g 9 占 k d c ( d c 3 d h ( d i - i ) k r c k m r k 孵 d i s c d c h 口 c h p u 矿 r n c n h a r x a i 乙 l h d f x f r 无量纲准则数 r a p r d c r d t r r s r c 符号表 笛卡尔坐标 无量纲坐标 热力学温度 v o c s 质量浓度 水蒸气浓度 压力 x 方向速度 y j y 向速度 重力加速度 f o r c h h e i m e r 系数 多孔介质空隙率 多孔介质渗透率 v o c s 在室内空间( 多孔介质) 内质扩散系数 水蒸气在室内空间( 多孔介质) 内质扩散系数 温度梯度导致的v o c s 的热附加扩散系数 温度梯度导致的水蒸气的热附加扩散系数 v o c s 浓度梯度导致的扩散附加热系数 水蒸气浓度梯度导致的扩散附加热系数 水蒸气浓度梯度导致的v o c s 质附加扩散系数 v o c s 浓度梯度导致的水蒸气质附加扩散系数 无量纲温度 无量纲浓度 无量纲湿度 无量纲压力 x 方向无量纲速度 】，方向无量纲速度 高温边界和低温边界温度差 v o c s 浓度浮力比 水蒸气浓度浮力比 高长比a r x = h l 宽长比a 却亿 实验箱体长度 实验箱体高度 实验箱体深度 肪向综合浮升力 肪向综合浮升力 热瑞利数 普朗特数 v o c s 扩散附加热杜弗尔准则数 水蒸气扩散附加热杜弗尔准则数 热附3 n v o c s 扩散索瑞特准则数 m 2 蔷| s m 2 s k m m m ， k蜘蜘h桃眺积 山东建筑大学硕士学位论文 s m g h c g c h l e c l e h m s h c s h t t 希腊字母 a ( a ，) 1 ， p t 8 h 8 c 下标 g m h ， e f f 热附加水蒸气扩散索瑞特准则数 水蒸气质附；b i v o c s 扩散准则数 质v o c s 附加水蒸气扩散准则数 v o c s 刘易斯数 水蒸气刘易斯数 传热努谢尔特数 v o c s 传质舍伍德数 水蒸气传质舍伍德数 空间( 多孔介质) 内热扩散系数 动力粘度 运动粘滞系数 密度 热膨胀系数 水蒸气浓度膨胀系数 v o c s 浓度膨胀系数 热量传递 质量传递 高物理量边界值 低物理量边界值 有效度 m 2 s p a s m 2 s k g m 3 1 k m 3 g m 3 g 原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，论文中不含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东建筑大学或其他教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责 任。 学位论文作者签名：壶掣筮虬日期j 竺孳坠 学位论文使用授权声明 本学位论文作者完全了解山东建筑大学有关保留、使用学位论文的规定，即：山东 建筑大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和磁盘，允许论文被 查阅和借阅。本人授权山东建筑大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或其它手段保存、汇编学位论文。 保密论文在解密后遵守此声明。 学位论文作者签名： 导师签 名： 日期鲨乞! 鱼：兰 日期 山东建筑大学硕士学位论文 第1 章绪论 随着生活水平的提高，人们对居住和办公的环境要求越来越奢华，现代化设备的应 用和房屋精装精修己成为近几年的消费热点。良莠不齐的建筑装饰材料和现代化办公设 备进驻室内，使得室内污染物浓度远高于室外，由此引起“病态建筑综合症”的患者 越来越多，严重危害到人们的生命健康，于是专家认为继“煤烟型污染”和“光化学烟 雾型污染 之后，已经进入以“室内空气污染 为标志的第三污染时期。因此，研究和 掌握室内v o c s 的迁移和扩散规律，对改善室内空气品质，营造一个真正有利于身心健 康的室内环境有着重要的意义，并为实际工程提供必要的理论依据。 1 1 研究背景及意义 1 1 1 挥发性有机化合物的定义 所谓挥发性有机化合物( v o l a t i l eo r g a n i cc o m p o u n d s ，v o c s ) ，是指存在于环境气 体及水和土壤中的可检测到的有毒或有害的有机化合物的总称，然而不同的地区对挥发 性有机化合物的定义也不尽相同。美国a s t m d 3 9 6 0 9 8 标准将v o c s 定义为任何能参 加大气光化学反应的有机化合物；美国联邦环保署( e p a ) 认为v o c s 是除c o 、c 0 2 、 h 2 c 0 3 、金属碳化物、金属碳酸盐和碳酸铵外，任何参加大气光化学反应的碳化合物； 世界卫生组织( w h o ) 将v o c s 定义为室温下饱和蒸气压力超过1 3 3 3 2 2 p a 、沸点在 5 0 - - 2 5 0 之间的易挥发性有机化合物；有关色漆和清漆通用术语的国际标准 i s 0 4 6 1 8 1 1 9 9 8 和德国d i n 5 5 6 4 9 2 0 0 0 标准对v o c s 的定义是原则上在常温常压下，任 何能自发挥发的有机液体或固体，德国d i n 5 5 6 4 9 2 0 0 0 标准在测定v o c s 含量时，又补 充了一个限定，即在通常压力条件下，沸点或初馏点不大于2 5 0 的任何有机化合物。 以上这些对v o c s 的定义有相似之处，但也各有侧重点，故可将对v o c s 的定义分 为两类：一类是普通意义上的v o c s 定义，只说明什么是挥发性有机物，或者是在什么 条件下是挥发性有机物；另一类是环保意义上的定义，是活泼的那一类挥发性有机物， 即会产生危害的那一类挥发性有机物。 v o c s 的主要成分有烃类、卤代烃、氧烃和氮烃，它包括苯系物、有机氯化物、氟 利昂系列、有机酮、胺、醇、醚、酯、酸和石油烃化合物等。目前在室内己鉴定出的 v o c s 多达5 0 0 种，然而多数室内v o c s 的单种化合物浓度很低，一般不超过5 0 p g m 3 ， 但有些化合物，如甲醛和苯系物等具有普遍性，在多数住宅和办公楼室内环境中几乎都 能检测出，浓度也较高，因此在评价室内的健康效应时，仅检测单一的污染物气体是不 山东建筑大学硕士学位论文 准确的，当前许多的研究都倾向于测定总挥发性有机化合物浓度( t v o c ) 【1 1 。t v o c 是空气中三种有机污染物( 多环芳烃、挥发性有机物和醛类化合物) 中影响较为严重的 一种。t v o c 是指室温下饱和蒸气压超过了1 3 3 3 2 p a 的有机物，其沸点在5 0 2 5 0 ， 在常温下能以气态的形式存在于空气中，它的毒性、刺激性、致癌性和特殊的气味性会 影响皮肤和黏膜，对人体产生急性损害。 1 1 2 挥发性有机化合物的来源 v o c s 是室内外空气中普遍存在的且组分复杂的一类有机污染物，其室外来源主要 是工业废气、汽车尾气、光化学烟雾等，而室内的主要来源有： 1 有机溶液，如油漆、含水涂料、粘合剂、化妆品、洗涤剂、捻缝胶等； 2 建筑材料，如人造板、泡沫隔热材料、塑料板材等； 3 室内装饰材料，如壁纸、其他装饰品等； 4 纤维材料，如地毯、挂毯和化纤窗帘等； 5 办公用品，如油墨、复印机、打印机等； 6 家用燃料和烟叶的不完全燃烧，如烹调和吸烟等烟雾； 7 7 人体排泄物。 室内的v o c s 浓度在0 2 2 m g m 3 时，对人体无害，而在不当的装修施工中，浓度 往往超标，其浓度可高出数十倍【2 】【3 1 。在室内装修的过程中，v o c s 主要来自油漆、涂 料和黏合剂等，一般油漆中v o c s 含量在o 4 1 0 m g m 3 。由于v o c s 具有强挥发性，因 此一般情况下，油漆施工后的1 0 小时内，v o c s 可挥发出9 0 ，而溶剂中的v o c s 在 油漆风干过程中只释放总量的2 5 。 建筑材料和装修材料由于具有很大的表面积且长期暴露于空气中，因此是室内 v o c s 的主要来源，按其随时间衰减的范围可区分为一次源和二次源【4 】。v o c s 的一次 源是指非结合的v o c s ，通常它们的摩尔质量较小，比如溶剂残留物、添加剂、抗氧化 剂、增塑剂、催化剂和单分子低活性物质等。二次源是v o c s 在不同的物理、化学条件 下产生的物理、化学结合物，如湿混凝土基层可以使p v c 地板材料中的酞酸盐发生水 解反应，产生醇类；温度的升高能够导致聚合物结构的热分解，起到催化剂的作用；室 内环境中的v o c s 与不同的氧化剂作用会导致吸收过程和氧化过程。二次源形成过程中 可能产生突变、剧烈的室内空气品质( i n d o o r a i r q u a l i t y ，i a q ) 问题。表1 1 给出了二 次源的例子。 山东建筑大学硕士学位论文 ， 表1 1 室内材料产生的v o c s 二次源 室内材料 v o c s 二次源产生条件 化纤地毯乙醛、甲醛、酸、噻唑苯臭氧 地毯胶垫乙酸水氮 装饰或家具用人造板、细木工板、胶合板 甲醛、乙醛 软木乙酸、糠醛 热 管道c 6 8 - 1 0 、乙醛、脂肪酸 臭氧 家具涂层乙醛、丙烯酸盐、异氰酸盐、苯乙烯 醇酸树脂油漆、天然油漆 c 3 , 5 - s 、乙醛、脂肪酸、萜烯 涂料漆( 丙烯酸，乳胶) 乙醛、甲醛、甲酸臭氧 防锈涂料 己醛 p v c 二乙基己醛水 隔热层 乙醛潮湿 1 1 3 挥发性有机化合物对人体的危害 在所有影响室内空气品质的因素中，室内各种建筑材料散发出的v o c s 占据的比重 最大，许多案例分析表明v o c s 对人体健康有害。目前已经观察到高浓度v o c s 对人体 的危害包括黏膜发炎、中枢神经系统的改变、头痛、异味、疲倦、怕冷怕热、儿童的哮 喘和支气管炎等。室内低浓度v o c s 的危害包括有确定的不舒服感和过敏性反应、神经 毒性作用和局部组织凝症反应和引起流泪、呼吸频率改变、咳嗽或打喷嚏等反应，v o c s 长期综合作用可引起各种疾病 5 】 6 】。目前，居室装修材料的危害主要是来自涂料中的苯， 其次是甲苯和二甲苯等，苯已经被国际医学界公认为一种可致癌物质。人在短时间内吸 入高浓度苯、甲苯和二甲苯，中枢神经系统可能会被麻醉，轻者出现头晕、头痛、恶心、 胸闷、乏力和意识模糊等症状，重者可导致昏迷，甚至呼吸和循环系统衰竭而导致死亡。 长期接触一定浓度的甲苯合二甲苯同样会引起慢性中毒，表现为头痛、失眠、精神萎靡 和记忆力减退等症状。 2 0 世纪7 0 年代，国际室内空气科学学会( i n t e r n a t i o n a la c a d e m yo fi n d o o ra i r s c i e n c e ) 就提出了v o c s 的概念，但由于室内空气中的v o c s 组分复杂，难于检测，直 到1 9 9 0 年，丹麦学者d r l a rm o l h a v e 才根据他们所进行的控制暴露( e x p o s u r el e v e l s ) 实验结果，并结合流行病学研究资料，定出了v o c s 的实验性剂量反应关系( t e n t a t i v e 山东建筑大学硕士学位论文 d o s er e s p o n s er e l a t i o n s h i p ) 阴，该划分原则通常作为权威引用或者作为指导，并在美 国a s h a r e 标准6 2 1 9 8 9 r 中得到应用，划分原则详见表1 2 。 表1 2m o l h a v e 定义的v o c s 试验性剂量反应关系 室内材料v o c s 二次源产生条件 化纤地毯 乙醛、甲醛、酸、噻唑苯臭氧 地毯胶垫乙酸水氮 装饰或家具用人造板、细木工板、胶合板、甲醛、乙醛 复合地板 软木乙酸、糠醛 执 j 、 管道 c 6 , s 1 0 、乙醛、脂肪酸 臭氧 家具涂层乙醛、丙烯酸盐、异氰酸盐、苯乙烯 醇酸树脂油漆、天然油漆 c 3 5 8 、乙醛、脂肪酸、萜烯 涂料漆( 丙烯酸，乳胶)乙醛、甲醛、甲酸臭氧 防锈涂料己醛 p v c 二乙基己醛水 隔热层乙醛潮湿 1 1 4 对室内v o c s 危害的研究现状及应对措施 近年来，随着装饰装修热潮和室内设施现代化的兴起，良莠不齐的建筑材料、装饰 装修材料进驻室内，使得室内v o c s 浓度远远高于室外，从而造成了严重的室内污染问 题。成通宝小组研究表明【8 】，当前国内外有3 0 以上的建筑物中v o c s 的含量指标超过 了d r l a rm o l h a v e 建议的标准。中国预防医学科学院环境卫生检测对一个办公室内的空 气污染状况进行了测量，发现办公室内的主要有机污染物是苯、甲苯、二甲苯、乙苯和 甲醛，最高的浓度可达0 9 6 m g m 3 。 美国环保局( e p a ) 通过对1 6 个建筑的随机抽样调查，发现有4 个建筑中的v o c s 浓度超过了0 4 6 m g m 3 ；欧洲对9 个国家的5 6 栋建筑进行了室内v o c s 浓度的测量【9 1 ， 发现有2 2 栋建筑中的v o c s 浓度超过了o 2 6 m g m 3 ；其他的研究调查 1 0 - 12 】显示出，日 本住宅内有机污染物浓度为0 1 9 - 0 6 4 3 m g m 3 ，瑞典公寓中v o c s 浓度为0 3 1 m g m 3 ，居 民家庭住宅中为0 4 7 m g m 3 ，英国综合建筑中的v o c s 浓度为0 2 m g m 3 。 因建筑和装饰装修质量不合格，甚至房屋装饰装修后无法住人引起的投诉案例越来 山东建筑大学硕士学位论文 越多，据有关部门统计，装饰装修造成的室内环境污染问题业已成为消费者投诉的前五 大问题之一。近年来，我国因室内装修及家具中的甲醛和苯等有机性挥发物引起的恶性 伤害案件逐年上升，有数据表明，全国每年因装修污染引起的死亡人数己达1 1 1 万人， 每天大约3 0 4 人，相当于全国每天因车祸死亡的人数。 相关部门已意识到问题的严重性，于2 0 0 2 年1 月1 日起实施强制性国家标准室 内装饰装修材料内墙涂料中有害物质限量( g b l 8 5 7 2 2 0 0 1 ) ，规定了室内装饰装修用 墙面涂料中对人体有害物质容许限值的技术要求、试验方法、检验规则、包装标识、安 全涂装和防护等内容。2 0 0 6 年建设部又对已实施4 年多的民用建筑工程室内环境污 染控制规范进行了修订，新规范于2 0 0 6 年8 月1 日起强制实施，新规范要 求工程竣工验收时，如发现污染物超标情况，应采取措施进行处理，并可对不合格项进 行再次检测；再次检测时，抽检数量增加1 倍，并应包含同类型房间及原不合格房间。 1 1 5 室内v o c s 的控制方法 要改善和提高室内空气质量，关键在于消除室内和室外污染源，合理使用空调通风 系统，并采取各种有效的空气净化技术，根据v o c s 的特性、散发规律及散发的影响因 素，可以从以下几个方面来着手进行控制室内建筑装饰材料内的v o c s - 1 从源头抓起，这是消除或减少室内v o c s ，改善室内空气质量最经济、有效的途 径。从理论上讲，用无污染或低污染的材料，避免或减少室内v o c s 产生的设计和维护 方案是控制室内v o c s 最理想的措施，这需要装饰材料的开发商、供应商、建筑设计师 及相关政府部门等多方面的共同努力。 2 通风换气和空调系统的正确运行和管理。鉴于v o c s 的高挥发性，建议将新装 修的房子空置一段时间并保持通风，可减少v o c s 在空气中的残存量，这也是一个清除 室内空气污染物简单、有效的方法。 3 陈化，即通过让房间闲置，使得v o c s 充分散发，控制材料一次源的危害。新 装修的房间内v o c s 浓度通常较高，但是会随着时间很快降低。控制建筑物内部的小气 候，亦即对建筑内部的温度和相对湿度进行控制，这种方法可以减少短期内的暴露水平 或者加快陈化进程。 4 烘干。在未入住的房间内维持一段时间较高的温度，并进行正常的通风换气， 因为材料中残留溶剂的蒸气压会随温度的升高而升高，如果在足够的时间内保持这样的 条件，残留溶剂会很快地蒸发，v o c s 的释放也会相应的减少。 山东建筑大学硕士学位论文 5 吸附净化方法。所谓吸附净化，即将污染空气通过吸附剂层，使污染物被吸附 而达到净化空气的目的。优点是选择性好，对低浓度物质清除效率高，且设备简单，操 作方便，适合挥发性有机化合物、放射性气体氡、尼古丁和焦油等的净化。吸附剂一般 有活性炭、沸石、分子筛和硅胶等，目前使用较广的是活性炭，它吸附能力强、化学稳 定性好、机械强度高，活性炭吸附作用主要是物理吸附，对各种气态污染物的吸附能力 可用“亲和系数描述【13 1 。 6 植物净化技术。其原理是室内污染物通过植物叶片背面的微孔道被吸入植物体 内，植物根部共生的微生物能自动分解污染物，分解产物被根部吸收。研究表明，在 2 4 小时照明的条件下，芦荟可以消灭1 m 3 空气中9 0 的甲醛 1 4 1 ，常青藤和沼兰可以利 用自身的酶分解苯和三氯乙烯等。卫风莲实验表明【1 5 1 ，君子兰和虎尾兰对室内甲醛、二 甲苯及t v o c 都有一定的吸收能力。 7 纳米材料光催化。这是目前最具发展前景的室内空气净化技术，通过光敏化、 过渡金属离子掺杂、半导体耦合、贵金属沉淀、电子捕获及和微波等外场协同强化等措 施，有望提高t i 0 2 的光催化活性。用于光催化的纳米t i 0 2 同时还具有杀灭微生物的功 能 16 1 。日本开发出一种新型催化剂，即磷酸二氧化钛化合物，将这种催化剂涂在室内， 可通过氧化还原在短时间内分解室内建材和家具等释放的甲醛、硫化氢和乙醛等挥发性 有机污染物，它不需要紫外线的照射，在暗室也能起到除臭和抗菌效果。涂抹时不需要 用粘合剂，具有耐水、耐擦、不变色、不老化、透明性好、喷涂方便、耐久和不损坏内 墙等优点。 8 膜分离净化技术。膜分离技术是一项简单、快速、高效、经济节能的新技术【1 6 】。 用于气体分离的膜主要分为有机膜和无机膜。有机膜分离技术已成功用于其他方法难回 收的有机污染物的分离，但将其用于室内空气净化的研究目前很少。无机膜具有热稳定 性好、化学性质稳定、并且不被微生物降解以及较大的机械强度、容易控制孔径尺寸等 特点，将它用作室内空气净化的主体或载体有着巨大的潜力。 1 1 6 课题研究的意义 柯冰等调查表明1 7 1 ，新建住宅装修后，室内空气耗氧量和甲醛、甲苯、二甲苯等浓 度均较未装修的室内环境明显增高。与此同时，室内各挥发性有机物超标率均比未装修 居室高，特别是在不通风的状态下，装修后半年内的居室，各污染物的超标率可达1 0 0 ， 而1 2 个月后甲醛和空气含氧量仍超标。日本东京大学也曾用c f d 方法模拟材料v o c s 山东建筑大学硕士学位论文 散发率与时间的关系【l8 1 ，结果显示，第一年内材料内v o c s 浓度减少量最大，但即使 1 0 年后，材料内v o c s 浓度值仍然很大。 要保证人们的生活健康与安全，需要采取有效的措施，对v o c s 的产生、散发、分 布与传递进行全面深刻的认识，然而v o c s 的产生、转化以及扩散受多种因素的影响， 其中室内的温度和湿度以及空气流畅的影响最为显著【1 9 捌】，后来的研究表明，壁面多孔 特性同样对室内的v o c s 散发与分布有着重要的影响【2 2 】【2 3 】。 当室内空气系统中存在温度梯度、水蒸气浓度梯度以及v o c s 浓度梯度时，由于温 度、湿度和v o c s 浓度的不均匀性，v o c s 的扩散实际上是一个多场耦合多梯度驱动力 共同作用下的多组分对流传热传质问题，其机理复杂，且存在明显的耦合效应。在实际 情况中，室内空气系统应还包括多孔介质壁面，因为壁面的多孔特性对v o c s 的散发与 传播也有重要的影响，渗透率低的多孔壁面对v o c s 的散发有阻碍作用，从而影响了其 传播规律。鉴于我国幅员辽阔，南北跨度大，各地区温湿度有显著的差异，不同区域墙 体结构差异明显等国情，因此在研究室内v o c s 散发与传播对空气品质影响的时候，必 须考虑到温度、湿度以及壁面多孔效应对v o c s 散发和传播的影响，若忽略掉这些因素， 便不可能得到具有普适性的模型，进而无法正确的描述有机污染物的散发与传播规律。 1 2 国内外研究现状及发展动态 国内外众多学者对认识和控制以及消除室内v o c s 做了大量的研究工作，其中一些学 者尝试着建立各类数学物理模型。早在19 9 4 年j o h nl i t t l e 2 4 就开创性地提出干性材料中 v o c s 的散发模型，但是该模型忽略了建材与周围空气的对流传质阻力，高估了散发初始 阶段空气中v o c s 的浓度，后来研究表明，在一些情况下这一做法在预测建材v o c s 短期 散发特性时会造成较大误差；成通型2 5 】在分析室内v o c s 散发模型存在问题的基础上， 尝试建立室内v o c s 散发的通用模型，但忽略了温度差对分子扩散的影响；张寅平和许瑛 【2 6 】【2 刀对室内有机挥发物的产生、散发以及光催化方法作了详尽的研究，改进了当时存在 的传质模型，建立了建材双面v o c s 散发的物理模型，并得到了解析解；k eq i a n ，y i n p i n g z h a i l g 等【2 8 】经过研究，提出了一个质量传递关联式，研究表明干燥建材v o c s 的无量纲散 发速率和总散发量与四个参数有关，其预测结果与实验结论符合较好。 同时，部分学者通过实验的方法来研究室内有机挥发物的散发特性。 p e d e rw o l k o 一2 9 】用实验室小空间释放法( f l e c ) 实验分析了v o c s 的散发特性，结 果表明，在温度较高时，其散发量对温度有较强的依赖性，且部分种类v o c s 的散发量随 山东建筑大学硕士学位论文 着相对湿度的升高而增大；r l u o a 【3 0 矛u m f l e c 法对含有9 种v o c s 的混凝土砌块进行了测 试，得到了一维非稳态状况下混凝土砌块传热传质方程的扩散和分离系数；贾树队 3 1 】实 验小组研究了相对湿度对室内空气中甲醛和氨浓度的影响，结果表明，不同相对湿度的 室内空气中甲醛和氨浓度均随着实验时间的延长而逐渐下降，相对湿度越大，下降程度 越明显；ykl e e 和hjk i m 3 2 】对湿气含量的变化和边缘密封对木质复合板中甲醛散发的 影响进行了研究，研究发现甲醛的散发是含湿量的函数，当含湿量超过2 5 时，甲醛的 散发量随着湿度的增加而增加；m s z u r a i m i 2 1 】对欧洲和新加坡的办公室内空气质量进行 了调查和统计，发现新加坡地区办公室内v o c s 的含量略高是因为相对湿度大的缘故。 迄今为止，现有的研究大部分工作基本上都是从控制挥发性有机物排放的两种机制 入手，通过建立数学模型或实验模型来探讨材料中v o c s 的散发特点，从研究结果来看， 温度和湿度对室内有机污染物的散发和传播均有显著的影响。由于温度梯度和湿度梯度 对有机污染物散发的影响并不是温度梯度影响和湿度梯度影响的线性叠加，不同组分的 扩散过程之间会发生相互作用，并且呈现非线性耦合的特点，再加上室内壁面多孔效应 的影响，因此要想正确描述系统的传热传质规律，必须考虑其非线性、非平衡不可逆、 相互耦合特性和壁面多孔特性。正确认识建筑室内温度梯度、湿度梯度、污染物浓度梯 度和多孔介质壁面同时存在时污染物的对流扩散规律，掌握多场共存时自然对流传热传 质机理和室内热湿及污染物传递对工程实际应用具有实际的意义，尤其在地域不同，温 湿度差异大的我国，将为室内有机污染物的消除提供重要的