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1、建筑装饰材料挥发性有机物的散发模型清华大学 成通宝 徐 瑛 江 亿 张寅平摘要 分析了现有室内挥发性有机物(VOC)散发模型存在的问题,建立了室内VOC散发的通用模型,该模型适用于两种情况:一是计算各种条件下室内VOC的浓度;二是已知房间内允许的VOC浓度,计算VOC散发量,为吸附器、光催化设备的选择和通风量的确定提供依据。关键词 挥发性有机物 散发模型 浓度 散发量VOC e mission m o d el of building a nd furnishing m aterialsBy Cheng Tongbao,Xu Y ing,Jiang Y i and Zhang Y inping
2、Abs t ra c tAnalys est hedeficienciesofexis tingemission modelsofindoorvola tileorganic c omp ounds(VOC).Pres ent sa unive rs al indoor VOC emission model.The model isapplic a ble t o two kinds ofc as es,one of which ist o c alcula t e t he VOC c onc ent ra tion a tdiff e rent c onditions and t he o
3、t he r is t o c alcula t e t he VOC emission ra t e on c ondition t ha tallowe d indoor VOC c onc ent ra tion is given t o p rovide t he bas es f or choosing a bs orbe rs orphot oc a t alytic e quipment and de t e rmining ventila tion ra t e.Keywordsvola tile organic c omp ound,emission model,c onc
4、ent ra tion,emission ra t eTsinghua University,Beijing,China 从文献1可以看出,目前国内外有30%以上的建筑室内挥发性有机物(VOC)浓度超过Molhave建议的标准,VOC污染十分严重,为了保证房间内VOC的浓度不超过标准要求,首先必须能够计算出房间内VOC的散发情况。目前,国外已有很多VOC散发模型,笔者指出了现有模型存在的问题,建立了一种用于描述房间VOC散发的通用模型。1 现有VOC散发模型及其存在问题1.1 现有模型根据材料的散发特性,建筑装饰材料大体上分为两类,即湿材料和干材料。所谓湿材料VOC的散发就是像涂在木板上的油漆
5、这样一类材料的散发,所谓干材料VOC的散发就是像房间铺设的地毯等这样一类材料的散发。研究室内材料VOC散发的主要模型列于表1。表1中各符号意义如下:R为散发率;M0为散发源中VOC的初始量;k,k1,k2,R0,R1,R2,a,a1,b1,c,d,f均为常数,由实验拟合得到;为时间;hm为对流传质系数;pv为初始蒸气压;M为散发源中剩余的VOC量;C为室内空气中VOC浓度;D为固体或液体相的扩散系数;MD为VOC源中用于扩散的VOC剩余量;MD0为VOC源中用于扩散的VOC的初始量;Mv为VOC源中用于蒸发的VOC的剩余量;C为材料内VOC浓度;为空气的密度;xj为扩散方向线性尺寸;为模型变量
6、;uj为速度;为扩散系数;S为源项;V为房间体积;L为材料厚度;Q为房间通风量。1.2 现有模型存在的问题一阶模型只能用于蒸发起控制作用的过程,如VOC在玻璃板上或不锈钢板上的散发过程,衰减常数k需要通过实验拟合得出。二阶模型不仅考虑了蒸发过程,而且也考虑了基材扩散的影响,但在蒸发阶段的散发率R0和衰减常数k需要通过实验拟合得出。双指数模型实际上是一阶模型用于蒸发和扩散两种机理控制阶段的组合应用,模型中的4个常数需要通过实验拟合得出。VB模型假定材料膜内具有均一的VOC浓度,而且忽略了内部扩散,因此该模型仅适用于蒸发起控制作用的散发过程。91 暖通空调HV&AC2003年第33卷第4期 专题研
7、讨 成通宝,男,1968年4月生,在读博士研究生100084清华大学建筑学院建筑技术科学系(010)62779994E2mail:chengtongbao 收稿日期:20010716修回日期:20010925 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.表1 现有的VOC散发模型模型名称表达式类型主要适用过程一阶模型2R=M0ke-k经验蒸发二阶模型3R=R0/1+(k/)R0经验蒸发和扩散双指数模型4R=R1e-k1+R2e-k2经验蒸发和扩散VB模型5R=hm(pvM/M0-C)传质蒸发扩散模型D
8、16R=(0.632/)MD(D/)12传质扩散扩散模型D27R=(-12/)MD0(D/)12传质扩散源模型8R=Mvke-k+a(0.632/)MD(D/)12传质蒸发和扩散指幂模型9R=a1b1e-b1+cf(+d)f-1传质蒸发和扩散数值模型99C9=D92C9xj299()+99xj(uj)=99xj99xj+S传质蒸发和扩散干材料长期散发模型99C9=D92C9x2(假定材料表面浓度为零)传质扩散John Little模型109C9=D92C9x2V9C9=-D9C9xx=L-QC传质 扩散扩散模型D1和D2没有考虑周围环境如空气浓度、流量、传质系数对材料VOC散发的影响,模型中的
9、系数要由实验拟合得出。源模型实际上是一阶模型与扩散模型的结合,该模型也需要通过实验确定出一阶衰减率k。指幂模型是由用于蒸发控制阶段的一阶模型与用于内部扩散控制阶段的经验幂指数模型的结合,5个未知数需要通过实验拟合得出。数值模型考虑了基材和环境对VOC散发的影响,把房间内VOC吸附源作为壁面函数,用计算流体力学(CFD)方法求解方程,模型复杂,求解过程较慢,把发生在窗帘等薄层结构上的吸附也用扩散方程来处理,与实际情况有偏差。干材料长期散发模型假定材料表面浓度为零,即忽略环境对散发的影响。John Little模型考虑了材料的扩散和环境通风的影响,但没有考虑进口浓度对散发率的影响,且认为环境浓度与
10、材料边界浓度成线性关系,忽略了边界层的影响,也没有考虑房间吸附源对VOC散发的影响。由以上分析可知,室内建筑装饰材料VOC的散发模型,总体上可分为经验模型和物理模型两类。经验模型是通过实验数据拟合出一种数学表达式,它实际上是实验数据的再现,经验模型中的系数把影响VOC散发的内部因素和外部因素合并起来了,而且需要对每种材料在不同环境条件下进行测试才能获得相关系数。因而,经验模型不能够说明散发机理,不能将实验室的测量结果用于实际中。物理模型的提出是基于传质理论,从质量传递的观点来看,两种主要控制机理对材料的散发均有影响,即由于浓度梯度引起的材料内部的扩散以及界面处由于材料与空气的相互作用而引起的界
11、面质量传递。物理模型把内部因素和外部因素区分开来,因而能够把实验室实验结果用于实际建筑环境中。但现有的物理模型存在着许多不足之处,有的没有考虑VOC吸附源的影响,有的没有考虑环境对散发的影响,或者计算太复杂。在实际情况下,房间内有多种材料并存,既有散发源又有吸附源,甚至还有VOC处理设备,此时如何计算房间内VOC浓度及散发量,是笔者要研究的内容。2 通用模型的建立2.1 问题的描述如图1所示,设房间内有M个厚材料与表面空气进图1 房间VOC散发模型示意图行VOC对流传质,其中某个厚材料m的表面积用Asm表示,厚度用Lm表示;有N个表面材料(如窗 帘)作 为VOC的吸附与解吸附源,其中某个表面材
12、料n的吸附面积用Asn表示(图中仅画出一个厚材料和一个表面材料);有1个已知散发量的VOC散发源,其散发率用Rs表示;有1个VOC去除设备,去除率用Rr表示。针对这一问题,第一种情况研究房间内VOC浓度的变化,第二种情况研究房间内VOC浓度设为一定值时散发量的大小。2.2 假定条件a)材料内组成均匀,初始时刻VOC在各处浓度相同;b)材料内的传递动力是浓度差,且为一维扩散传质7,1112;c)材料扩散系数与浓度无关;d)忽略温度差、电场或磁场等导致的分子扩散;e)对于空气层与固体界面,VOC传递过程始终处于平衡状态13;f)VOC向房间空气中的传质过程,不影响房间气流和表面对流传质系数;g)材
13、料内VOC散发过程中,不存在化学反应,即不产生也不消耗有机物,材料内VOC的损失都是向外界传递而引起的;h)房间有多种材料时,散发多种VOC,认为各种VOC彼此不发生化学反应或影响;i)对于像毯子这样的厚材料,认为VOC的散发或吸收能够渗入材料内部,即通过扩散形式影响房间VOC浓度;j)对于像窗帘这样的表面材料,认为VOC的散发或吸收是在表面发生,且遵循朗格缪尔方程1415,即通过吸附或解吸附影响房间VOC浓度;k)材料与围护结构接触的一面没有质量传递,与室内空气之间为对流传质;l)房间主流区空气中VOC浓度均匀。02专题研讨 暖通空调HV&AC2003年第33卷第4期 1995-2006 T
14、singhua Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.2.3 模型的建立由模型假设条件可以得到,厚材料m内VOC的浓度方程如下:9Cm9=Dm92Cm9xm2(1)式中Cm为材料m中VOC的浓度,g/m3;为时间,h;xm为材料m的扩散方向线性尺寸,m;Dm为材料m内VOC的扩散系数,m2/h。表面材料n表面由于吸附及解吸附引起VOC浓度变化,VOC浓度方程如下:dCsnd=KanC-KdnCsn(2)式中Csn为材料n表面的吸附浓度,g/m2;C为空气中主流区VOC浓度,g/m3;Kan为材料n的吸附常数,m/h;Kdn为材料n的
15、解吸附常数,h-1。房间内主流区VOC的浓度方程为:V9C9=QCin-Mm=1DmAsm9Cm9xmxm=Lm-QC-Ra+Rd+Rs-Rr(3)Ra=Nn=1KanAsnC(4)Rd=Nn=1KdnAsnCsn(5)式中V为房间的有效体积,m3;Q为通风量,m3/h;Cin为进入房间的VOC的浓度,g/m3;Ra和Rd分别为N个表面材料的总吸附率和总解吸附率,g/h。方程(1)到(5)的初始条件为:C,=0=C0(6)Cm,=0=Cm0(7)Csn,=0=Csn0(8)式中C0为房间内VOC的初始浓度,g/m3;Cm0为材料m内VOC的初始浓度,g/m3;Csn0为材料n表面的VOC初始浓
16、度,g/m3。方程(1)到(5)的边界条件为:xm=09Cm9xm=0(9)xm=Lm-Dm9Cm9xm=hm(Cm-C)(10)xm=LmCm=KvmCm(11)式中hm为材料m表面处的对流传质系数,m/h;Cm为材料m与空气界面处空气中VOC浓度,g/m3;Kvm为材料m表面处VOC的平衡常数。2.4 模型的求解上述方程是封闭的,因此材料表面及房间空气中VOC浓度可以通过数值计算方法求得。求出二者后,可通过下式求得所有厚材料的VOC总散发率RM和所有表面材料由于吸附及解吸附而导致的VOC净散发率RN。RM=Mm=1hmAsm(Cm-C)(12)RN=Nn=1(KdnCsn-KanC)Asn
17、(13)当房间内VOC浓度为定值(即已知)时,方程(3)(6),(10)不用考虑,可求得已知条件下房间内VOC的总散发率Rt为:Rt=RM+RN(14)有限差分的方法是用离散点的浓度值代表离散时间内某一区域的平均浓度,因而数值求解的精确度与空间和时间网格的划分有着密切的关系。离散网格越细,则准确度越高。对任一给定的情况,可求得时间和空间的离散值,使得计算误差在允许范围内。3 通用模型的应用该模型可以用来求得各种情况下房间内VOC的浓度及散发量,为了与实验值比较,以下引用文献9 提供的数据。笔者在实验中把两块尺寸为0.212 m0.212 m0.015 9 m的粒子板PB1和PB2分别放入一个尺
18、寸为0.5 m0.4 m0.25 m的小室中,测量房间中VOC浓度的变化。测量时保证材料只有上表面向外散发VOC,把其他表面密封住。实验条件如下:温度(230.5),相对湿度(500.5)%,换气次数(1.00.05)h-1。粒子板PB1和PB2的物性参数见表2。表2PB1和PB2的物性参数内 容PB1PB2VOC初始浓度C0/(g/m3)5.281079.86107扩散系数D/(m2/h)2.7510-72.7510-7平衡常数kv3 2893 289材料表面对流传质系数hm/(m/h)4.024.02 对放置PB1的小室测量了96 h,对放置PB2的小室测量了840 h。计算过程中时间步长
19、取1 h,材料内网格节点距离取0.5 mm。实测值与模型计算值的比较如图2和图3所示,可见二者吻合很好。图2PB1的实测值与计算值的比较 为了表明边界层的阻力对VOC散发的影响,对 材料与空气界面处的VOC浓度和主流区的VOC浓度分别进行计算,结果见图4和图5。由图可知,如果忽略边界层阻力而认为房间中主流区浓度与界面处空气浓度相等,则与实际情况有偏差。在空调系统设计时,往往需要把房间内的VOC浓度控制在某一值,求需要去除量。如前所述,通过该模型能够很容易求出此时的VOC的散发量。以PB2为例,设小12 暖通空调HV&AC2003年第33卷第4期 专题研讨 1995-2006 Tsinghua
20、Tongfang Optical Disc Co.,Ltd.All rights reserved.图3PB2的实测值与计算值的比较室内VOC浓度值为定 值,计算VOC的 散 发量。当 浓度允许值不 同 时VOC散发率的比较如图6所示。由图6可图4PB1界面处与主流区VOC浓度值比较知,小 室中VOC浓度允许值 越 高,则VOC的散发量越 小,即需要通过通风或设备去除的VOC量越小。根 据图5PB2界面处与主流区VOC浓度值比较计算得到的VOC散发量可以确定需要的通风量或吸附器、光 催化设备的大小。4 结论本 文所建立的 图6 室内浓度允许值不同时VOC散发率的比较房 间 内VOC散发的通用模
21、型,是 基于传质理论及质量平衡而得到 的,因此是一个物理意义清晰的模型。模 型中需要用到的材料表面对流传质系数、VOC在材料内的扩散系数及材料内的初始浓度等物性参数可由实验获得或由方程计算得到。该模型适用于两种情况:一是计算自然通风或机械通风条件下房间中的VOC浓度的变化;二是已知房间内允许的VOC浓度,计算VOC的散发量,从而为吸附器、光催化设备的选择和通风量的确定提供依据。由于该模型把材料VOC的散发与房间的通风情况及设备去除情况统一起来考虑,因而具有普适性,也可为IAQ改善系统的运行控制提供分析基础,后续文章将进一步介绍模型的应用。参考文献1 成通宝,江亿.建筑装饰材料挥发性有机物及去除
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