建筑材料挥发性有机化合物散发模型研究

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I
目 录
摘 要 ............................................................... I
ABSTRACT ......................................................... II
第一章 绪 论 ..................................................... 1
§1.1 研究意义 ..................................................... 1
§1.2 VOC 与建筑材料 .............................................. 2
§1.3 研究现状 ..................................................... 3
§1.3.1 VOC 散发模型 ............................................ 4
§1.3.2 VOC 吸附模型 ........................................... 8
§1.3.3 多层材料 VOC 散发模型 .................................. 9
§1.4 本文主要研究内容 ............................................ 10
第二章 单层建筑材料 VOC 散发和吸附模拟 ............................ 11
§2.1 概述 ........................................................ 11
§2.2 综合的散发/吸附模型 ......................................... 11
§2.3 基于拉普拉斯变换的解析解 .................................... 14
§2.3.1 综合的散发/吸附模型的拉普拉斯变换 ....................... 14
§2.3.2 空气中 VOC 浓度的拉普拉斯逆变换 .........................16
§2.3.3 材料中 VOC 浓度的拉普拉斯逆变换 .........................18
§2.4 模型参数估算 ................................................ 21
§2.5 建材 VOC 散发的模拟 .........................................22
§2.6 建材吸附 VOC 的模拟 .........................................27
§2.6.1 模型验证 ................................................ 28
§2.6.2 进口 VOC 浓度对吸附影响的模拟 ...........................31
§2.7 本章小结 .................................................... 33
第三章 多层建筑材料 VOC 散发的模拟 ................................ 35
§3.1 多层材料 VOC 散发的数学模型 .................................35
§3.1.1 多层材料 VOC 散发的数学方程 .......................... 35
§3.1.2 基于等效气相浓度的多层材料 VOC 散发数学方程 ......... 37
§3.2 模型方程的求解 .............................................. 37
§3.3 模型验证 .................................................... 41
II
§3.4 模型应用 .................................................... 42
§3.5 本章小结 .................................................... 44
第四章 物性参数的影响分析 .......................................... 45
§4.1 单层建材 VOC 散发和吸附的物性参数影响分析 ...................45
§4.1.1 VOC 散发的物性参数影响分析 ............................. 45
§4.1.2 VOC 吸附的物性参数影响分析 ............................. 47
§4.2 多层建材 VOC 散发的物性参数影响分析 .........................51
§4.2.1 δ的影响 ................................................. 51
§4.2.2 D的影响 ................................................ 52
§4.2.3 K的影响 ................................................ 54
§4.3 本章小结 .................................................... 54
第五章 结论和展望 .................................................. 56
§5.1 结论 ........................................................ 56
§5.2 展望 ........................................................ 57
参考文献 ............................................................ 58
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 62
致 谢 .............................................................. 63
I
摘 要
挥发性有机化合物（VOC）是建筑材料释放出来的最主要的环境污染物。建
立建筑材料 VOC 散发和吸附模型对预测室内污染物浓度和评估室内空气质量
（IAQ）具有重要意义。
本文发展了用于预测均质建材 VOC 散发和吸附的综合模型，此模型的要点是：
同时考虑了材料中 VOC 的扩散和其在空气中的传质阻力；在模型中计及了室外
VOC 进入房屋的影响。利用拉普拉斯变换得到了模型的解析解。这不仅避免了数
值求解的不便，而且有利于对模型参数进行考察，可以清晰地得到 VOC 散发和吸
附与各影响参数之间的函数关系。
利用已有文献中的实验数据验证了本文模型的有效性。对模型中各参数对散发
特性的影响进行了分析：包括材料中 VOC 的扩散系数、材料/空气分区常数和材
料中 VOC 的初始浓度等。为了研究房间进口 VOC 浓度对室内建材 VOC 吸附的影
响，考察了几种随时间变化的进口 VOC 浓度，在每种情况下模拟室内 VOC 浓度
随时间的变化。
在上述综合模型的基础上，进一步提出了一个可以用于预测多层材料 VOC 散
发的模型。同样利用拉普拉斯变换得到了模型的解析解。对多层模型每层的各个
参数进行分析，详细考察了与空气相接触的表层对 VOC 散发的敏感性。分别选取
了两种代表极性和非极性的挥发性有机化合物，对一个典型房间内多层材料的
VOC 散发进行模拟，这个多层材料 VOC 散发模型的适用性得到了初步验证。
关键词：挥发性有机化合物 预测模型 散发 吸附 建筑材料
II
ABSTRACT
Volatile Organic Compound (VOC) is the main pollutants emitted from building
materials. Thus, it is important to develop the models of VOC emission and sorption
from/on building materials, which can be further used to study the indoor air quality
(IAQ).
Firstly, a physically based model is proposed to account for the emission and
sorption of VOC from/on homogeneous building materials. In addition to the diffusion
of VOC in the material, the mass transfer resistence of VOC through the air boundary
layer is also taken into account in this model. Instead of using the finite difference
method commonly adopted in the literature, this thesis presents the analytical solution
of the present model, which is convenient to investigate the influence of model
parameters. The present model is validated through the experiments found in the
literature. Some computations are performed to investigate the influences of the
material/air partition coefficient, the diffusion coefficient of VOC in the material and
the air velocity over building material. The effect of the inlet concentration on VOC
sorption on building materials is also investigated. Several kinds of time-varying inlet
concentrations have been considered, and the indoor air VOC concentration profiles are
described with the different source functions.
Secondly, a mathematical model capable of predicting the emission of VOC from
multi-layer materials is presented. Both the diffusion within the material and the mass
transfer resistance through the air boundary layer are taken into account. An analytical
solution based on the Laplace transform is obtained after introducing the equivalent
air-phase concentration. The impact of barrier layer on emission rate is discussed in
details. Two VOC, representing polar and nonpolar compounds respectively, are
simulated to study the emission characteristics in a typical room with multi-layer
construction materials.
Key words:
Volatile Organic Compounds, Prediction Model,
Emission, Sorption, Building Material
第一章 绪论
1
1. 第一章 绪 论
Equation Chapter 1 Section 1
§1.1 研究意义
随着科技的进步，人们对于生活质量和舒适度的要求也相应地提高了。由于人
口数量和有限土地之间的矛盾，高层建筑物逐渐增多。为了节约能源，现代建筑物
的设计与建造及其功能均趋向于增加大楼的气密性，维持室内舒适度的空调系统多
采用最小空气交换率为设计标准。但是，室内存在各种污染物的排放源，例如：人
造建材、木质家具、墙壁的装潢粉刷等，诸如此类的室内污染源都可能造成人体生
理上的不良反应。最近的研究表明，人们每天在建筑内部的时间高达 90%。因此室
内空气质量（IAQ）问题日益受到重视。美国环境保护署（EPA）
[1]已经把室内空气
污染视为对国民健康最严重的威胁之一。
一般而言，室内空气质量对于人体的影响包含了三个方面：
舒适度；
急性的健康影响，如急性身体机能衰竭；
慢性的健康影响，如癌症。
室内污染物种类繁多，如过高浓度的 CO、CO2可导致人体缺氧产生窒息疲倦；
NO2可导致呼吸系统萎缩，造成气喘；悬浮微粒可造成呼吸系统疾病；在所有污染
物中，室内挥发性有机物（Volatile Organic Compounds，简称 VOC）是最重要的一
类污染物。VOC 可导致机体免疫水平失调，影响中枢神经系统功能，出现头晕、无
力等自觉症状；还可能影响消化系统，出现食欲不振、恶心等，严重时可损伤肝脏
和造血系统等。研究表明，木制品、地毯、墙纸、天花板、绝缘材料和油漆等建筑
装饰材料释放了 60%以上的室内 VOC[2]。因此，研究建筑装饰材料 VOC 的散发、
吸附对于改善室内空气质量有重要意义，直接关系到人民的生活质量和身体健康。
发达国家已经制订了相关标准与法规以检测建材中的 VOC，一方面保障大众健康，
另一方面也起到了提升相关产业竞争力的作用。我国参照国外的标准，也制定了室
内装饰装修材料有害物质限量的标准。但是，相对于国外，我国在此领域的研究成
果仍然缺乏，实验研究和理论研究都远落后于国外相关研究机构，有必要加强这方
面的研究工作。
目前，已经建立了测定 VOC 散发和吸附的标准实验设备，即环境试验舱，一
般都严格遵循 ASTM D5116-97[3]。但是环境试验舱的数据不能直接用于室内空气质
建筑材料挥发性有机化合物散发模型研究
2
量模拟，必须采用 VOC 散发和吸附模型来转换数据。这是评估建筑装饰材料特性
的关键，同时对于环境试验舱试验数据的整理以及建筑装饰材料对实际建筑物内空
气质量影响的评估都具有重要意义。
§1.2 VOC 与建筑材料
分子结构中含有至少一个碳（C）原子和一个氢（H）原子的化合物称为有机化
合物[4]。有机化合物进一步可以分为各种类型，包括挥发性有机化合物（VOC），
半挥发性有机化合物（SVOC）和非挥发性有机化合物（NVOC）。挥发性有机化
合物是指沸点在 50℃～260℃之间的有机化合物[5]。
根据世界卫生组织 1989 年对室内有机污染物的分类，以沸点的不同室内有机
污染物可分为四类，如表 1-1 所示。
表1-1 室内有机污染物的分类
分类
缩写
蒸汽压
Very Volatile Organic Compounds
极易挥发性有机化合物
VVOC
>10-2kPa
Volatile Organic Compounds
挥发性有机化合物
VOC
>10-2kPa
Semi-volatile Organic Compounds
半挥发性有机化合物
SVOC
10-2~10-8kPa
Organic Compounds associated with
Particulate (Organic) Matter
粒状有机化合物或附着于粒状物上的
有机化合物
POM
—
美国环保署研究发展办公室的室内环境管理部门对 VOC 进行了分类，如表 1-2。
表1-2 室内挥发性有机物分类表
分类
污染源名称
湿性
建筑用材料
填隙剂、地板粘着剂、一般用粘着剂
油漆及表面涂装
木材着色漆、家具表面涂装漆
建筑材料附属用品
地板用腊、去污清洁剂
干性
原料及家具
粒片板、地毯、间隔板
摘要：

I目录摘要...............................................................IABSTRACT.........................................................II第一章绪论.....................................................1§1.1研究意义.....................................................1§1.2VOC与建筑材料..................................

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