不同通风条件下建材VOCs散发和吸附特性的研究

3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 3.32MB 59 页 15积分

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不同通风条件下建材 VOCs

散发和吸附特性的研究

摘要

许多建材散发挥发性有机物（VOCs）导致建筑综合症，如对鼻、眼和喉咙

的刺激，气喘和其他化学过敏。据调查人类 70%以上的时间在室内度过。研究表

明建材影响室内挥发有机物的去除，因为这些材料既会作为吸附剂吸附室内空

气中的 VOCs，也会作为污染源向空气中散发 VOCs。因此，建材和 VOCs 的相

互作用对室内空气质量评估有着重要影响。

建立了新的基于传质理论干建材 VOCs 散发和吸附的解析模型，考虑了

VOC 在材料内部和边界层的扩散过程。通过数学变形和广义积分变换的方法

（GITT）求解模型，获得了简洁的解析解结果。分别采用通风空间内建材 VOCs

的散发和吸附以及密闭空间内建材 VOCs 的散发和吸附验证本文的模型，模型

预测与实验数吻合较好。

通风是影响室内空气质量的重要因素之一。讨论通风的变化对室内空气

VOCs 浓度的影响，结果表明：散发过程中空气中 VOC 浓度与通风率成负相关，

吸附过程中空气中 VOC 浓度与注入浓度比值与通风率成正相关。进一步讨论通

风与物性参数 kma

，

Dm，hm的关系，对于散发过程，以初期几个小时内散发为主，

此时每个参数对应的临界通风率为讨论要素。kma 值变大，临界通风率也变大。Dm

值变大，临界通风率也变大，但趋势不是很明显。当 hm值变大，临界通风率也

变小，但趋势不是很明显。对于吸附过程，Msorption（t）/Msource（t）值界定出忽略

吸附过程的通风率临界率。Kma 值越大，所需的通风率也越大。Dm值越大，所需

的通风率越小。当 hm值变大，所需的通风率趋势不是很明显。

关键词: VOCs 散发 VOCs 吸附解析模型 GITT 建筑材料通风

ABSTRACT

Volatile Organic Compounds (VOCs) emit from several hundred types of dry

materials, which cause sick-building syndrome symptoms, such as eye and upper

airway irritation, lower respiratory symptoms and allergies symptoms. It is recognized

that dry building materials affect the elimination of VOCs in the air. As building

materials can switch between VOCs source and sink, the interaction between building

material and VOCs are important to value quality of indoor air.

A general analytical model for VOCs emission/sorption in building materials is

presented in this thesis. The model bases on the mass transfer, considering the

diffusion in the materials and air boundary layer, has definite physics meaning. The

model is solved through mathematical transformations and generalized integral

transform technique (GITT). VOC emission/sorption in ventilated chamber and VOC

emission/sorption in airtight chamber were adopted to validate the model. Results of

the model show a good agreement with the experimental data.

Ventilation is a key influence factor for indoor air quality. To analyze the effect

of ventilation rate on VOCs concentration in the air, here, conducting several

representative case studies by using the model that was previously validated. It is

concluded that: VOCs concentration in the air is passively correlated with ventilation

rate during the emission process, while the ratio of VOCs concentration and inlet

VOCs concentration have positive relations to ventilation rate in the sorption process.

Further discussions about the effect of ventilation rate were carried by varying the

value of parameters as kma, Dm, hm. For emission process, the main emission is

obviously in first few hours, there is a critical ventilation rate for each parameters,

when kma is increased, the critical ventilation rate also increases, the same tendency to

Dm, but not significant correlation, insignificant passively correlation between hm and

the critical ventilation rate. For sorption process, the ratio of Msorption(t）and

Msource （t）to define the critical ventilation rate. when kma is increased, the critical

ventilation rate also increases, when Dm is increased, the critical ventilation rate

decreases, the critical ventilation rate shows insignificant correlation with hm.

Key Word: VOCs emission, VOCs sorption, Analytical model, GITT,

Building material, Ventilation

目  录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪论.........................................................1
1.1 课题研究意义和背景..........................................1
1.1.1 室内建材空气污染防治的重要性............................1
1.1.2 室内挥发性有机物的污染物简介............................1
1.1.3 控制室内空气中 VOCs 的途径................................2
1.2 文献综述....................................................3
1.2.1 建材 VOCs 散发量的测定方法................................3
1.2.2 建材 VOCs 散发关键参数测定研究............................7
1.2.3 建材 VOCs 散发模型研究...................................10
1.3 研究内容...................................................15
第二章 建材中挥发性有机物扩散数学模型..............................16
2.1 模型建立...................................................16
2.2.1 边界处理...............................................17
2.2.2 GITT 的运用.............................................19
2.3 模型验证...................................................21
2.3.1 通风条件下 VOC 的散发....................................21
2.3.2 密闭条件下 VOC 的散发....................................24
2.3.3 通风条件下 VOC 的吸附....................................26
2.3.4 密闭条件下 VOC 的吸附....................................27
2.4 本章小结...................................................28
第三章 通风对散发和吸附过程影响....................................29
3.1 空气交换率随时间变化 N(t)对散发和吸附的影响.................29
3.1.1 N(t)为余弦函数.........................................29
3.1.2 N(t)为正弦函数.........................................31
3.1.3 N(t)为指数函数.........................................33
3.1.4 N(t)为分段函数.........................................34
3.2 散发下通风与其他物性参数
K
ma，
h
m，
D
m的关系...................36
3.2.1 不同通风下
K
ma 对散发过程的影响...........................37
3.2.2 不同通风下
D
m对散发过程的影响...........................39
3.2.3 不同通风下
h
m对散发过程的影响...........................41
3.3 吸附下通风与其他物性参数
K
ma，
h
m，
D
m的关系...................43
3.3.1 不同通风下
K
ma 对吸附过程的影响...........................44
3.3.2 不同通风下
D
m对吸附过程的影响...........................46
3.3.3 不同通风下
h
m对吸附过程的影响...........................48
3.4 本章小结...................................................50
第四章 结论与展望..................................................51
4.1 工作回顾...................................................51
4.2 工作展望...................................................51
符号表.............................................................53

参考文献...........................................................55

第一章绪论

1.1 课题研究意义和背景

1.1.1 室内建材空气污染防治的重要性

有调查显示，人大部分时间在室内度过。室内空气质量(IAQ)的提高越来越受

到人们的关注。长期生活和工作在空气质量较差的室内环境中，会影响身心健康

和工作效率。和其他污染不同的是，室内污染物浓度低，持续时间久，空气中发

生复杂且未知的反应[1]。据统计，全世界约有一半的人暴露在室内空气污染中，已

经引起 36%的呼吸道疾病，22%的慢性肺病和1.5%的支气管，支气管炎[2]。因此，

长期暴露于空气质量较差的室内环境中，无疑是慢性的折损身体健康。

室内污染的控制与人体的健康有着直接且密切的关系。随着生活质量的提高

和室内装潢的发展，促使建材如天花板、地板、家具、墙板、地毯等的广泛使用。许

多建材散发挥发性有机物(VOCs)导致建筑综合症，如对鼻、眼和喉咙的刺激，气

喘和其他化学过敏[3]。除了病态建筑综合症之外，室内空气污染还会引起“建筑相

关疾病”和“多种化学物过敏”[4]。

2002 年WHO 提出人类健康的三大杀手之一就

是室内空气污染，每年约有2400 万人死于室内空气质量不佳引起的各类疾病[5]。

我国室内空气污染统计表明，我国每年由室内空气污染引起的超额死亡数达

11.1 万人，超额门诊数22 万人次，超额急诊门诊数430 万人次[5]。我国人口众多

对住房的刚性需求远远大于国外，许多建筑由于装修使用的建材散发量高，或者

由于室内通风不够充足，致使我国的室内污染问题比国外严重。关注室内空气问

题，尤其在我国成为了一个热点。

研究表明建材影响室内挥发性有机物的去除，因为这些材料既会作为吸附剂

吸附室内空气中的 VOCs，也会作为污染源向空气中散发 VOCs[6, 7]。因此，建材和

VOCs 的相互作用对室内空气质量评估有着重要影响。

1.1.2 室内挥发性有机物的污染物简介

最近几年，甲醛作为室内空气的主要污染物，一直受到广泛的关注。然而，

对于追求高品质室内空气质量的今天，挥发性有机污染物也被给予了广泛的关注

[8]。室内建材是 VOCs 散发的主要来源[5]。国外政府建立了各项污染物卫生标准，规

定了室内空气中主要挥发性有机物的浓度上限和建材 VOCs 散发限量[9]。我国从

2001 年12 月起修订并颁布了室内装修装饰材料有害物质限量的标准[10~19]。

一般室内空气的污染物包括：挥发性有机物 (VOCs) 、半挥发性有机物

(SVOCs)、无机挥发物(POM)，如臭氧及臭氧诱发反应产生的化合物、颗粒物[20]。由

于建筑中使用的建筑材料不同，产生的污染物也不同。现代建筑大多铺设地砖、地

毯，墙面喷有油漆、涂料，并采用压合木制品进行装修，这些材料释放出大量的

污染物，主要以醇类、烃类、胺类等为主，如表 1-1 所示[21]。

表1-1 典型装饰材料及器物散发的主要 VOCs 成分

材料及器具主要 VOCs 种类

不同通风条件下建材 VOCs 散发和吸附特性的研究

粘合剂醇类、烷烃、胺类、苯、癸烷、二甲苯、甲醛、甲苯、萜烯 (粘合剂

主要用于木工板及家俱生产)

防水堵漏剂醇类、烷烃、胺类、苯、二乙苯、甲醛、二甲苯、甲基乙基酮

地毯醇类, 甲醛, 4- 甲基乙基苯、4- 苯基环已烯、苯乙烯

地板及墙面涂

层

醋酸酯、醇类、烷烃、胺类、苯、甲醛、甲基苯乙烯、二甲苯

涂料、着色剂醋酸酯、丙烯酸酯、醇类、烷烃、胺类、苯, 甲醛、甲苯、萜二烯、

聚氨酯

板材醇类, 烷轻, 胺类, 苯, 3- 蒈烯, 甲醛, 萜烯, 甲苯

电脑、电视

正丁醇, 丁氧基乙醇, 丁基- 2-甲基丙基邻苯二甲酸, 己内

酰胺, 甲酚, 二异辛基邻苯二甲酸, 12 甲基环状硅氧烷, 2-

乙氧基醋酸乙酯,乙醛, 己二酸, 3- 亚甲基- 戊酮, 臭氧,

酚, 磷酸,甲苯, 二甲苯

复印、复印机

乙醇, 苯, 丁基甲基丙烯酸酯, 碳黑, 环丙硅氧烷, 乙苯,

异丙醇, 甲基丙烯酸甲酯, 壬醛, 臭氧, 苯乙烯, 萜烯, 甲

苯, 二甲苯,三氯乙烷, 三氯乙烯

1.1.3 控制室内空气中 VOCs 的途径

从产生 VOCs 的源头来控制 VOCs 的散发，是改善室内空气质量最有效的方

法[22]。从理论上讲，采用无污染或低污染的材料，可以避免和减少室内污染物的

产生。因此，作为主要污染源的装饰装修建材，需要进行严格把关。此外，完善室

内环境标准体系，建立绿色建材评估体系，做到从源头遏制VOCs 的产生。

通风是解决室内空气污染最经济有效的方法。通风分为自然通风和机械通风。

自然通风的适用条件主要以气候带来划分，也与房间的功能有关, 如厨房和浴室

[21]。机械通风是用排风扇或送风机等方式,对室内空气进行抽排或强制送风。采用

机械通风时，可适当增加新风量，并进行新风过滤，从而降低室内污染物浓度。

其次采取净化手段提高室内空气质量也是常用的手段。室内空气净化技术, 按

作用原理分为: 物理法、化学法、生物学方法和遮盖法等[22]。其中，物理法：使用过

滤器的空气净化器；电子式空气净化器（包括静电吸尘器）。化学法：使用化学

吸附或化学分解方式的空气净化器。生物学方法：生物过滤法；绿色植物吸收分

解。

1.2 文献综述

1.2.1 建材 VOCs 散发量的测定方法

国内外专家和测试人员对干建材 VOCs 散发量的测定给出了多种方法，比如

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摘要：

不同通风条件下建材VOCs散发和吸附特性的研究摘要许多建材散发挥发性有机物（VOCs）导致建筑综合症，如对鼻、眼和喉咙的刺激，气喘和其他化学过敏。据调查人类70%以上的时间在室内度过。研究表明建材影响室内挥发有机物的去除，因为这些材料既会作为吸附剂吸附室内空气中的VOCs，也会作为污染源向空气中散发VOCs。因此，建材和VOCs的相互作用对室内空气质量评估有着重要影响。建立了新的基于传质理论干建材VOCs散发和吸附的解析模型，考虑了VOC在材料内部和边界层的扩散过程。通过数学变形和广义积分变换的方法（GITT）求解模型，获得了简洁的解析解结果。分别采用通风空间内建材VOCs的散发和吸附以及密闭...

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