室内建材VOCs散发及扩散的研究进展与趋势分析★

蔡 伟，邵璟璟，温小栋，伍 品

(1.建筑安全与环境国家重点实验室，北京 100013；2.宁波工程学院，浙江 宁波 315211； 3.国家建筑工程技术研究中心，北京 100013)

1 概述

人们在室内环境的时间超过80%[1]，室内空间狭小，成分复杂，且不易流动，室内污染危害严重[2]。随着新型城镇化进程的推进和建材行业的迅猛发展，特别是全装修热潮的兴起，建材、家具、油漆、涂料等全生命周期内释放的挥发性有机物(VOCs)和半挥发性有机物(SVOCs)不容忽视。加之，从节能角度强调密闭性，导致进入室内的新风锐减。如何有效控制室内VOC污染是当前迫切需要解决的问题。

本文从内部散发理论模型和外部扩散特性两方面，系统论述多孔建材VOC散发及控制研究进展，指出需要解决的实际问题，进而提出研究趋势，为优化室内空气环境、提高居民健康水平提供理论支撑。

2 室内建材VOC散发模型的研究进展

早期，描述建材VOC散发规律是通过大量实验总结而出，从经典的一阶衰减模型、双一阶衰减模型，发展到以表面汇模型为代表的半经验模型[3]。这些模型形式简洁，应用方便，但缺乏机理支撑，无法反映VOC散发物理机制。

进而，关注视角转向了物理概念更为清晰的传质模型，以及具有物理意义的模型参数处理方法上。早期的Little模型提出VOC散发为扩散控制过程，忽略对流传质阻力，假设建材内初始浓度(质量浓度，下同)和室内浓度均为单一数值，造成预测值在散发初期偏大而后期偏小[4]。针对Little模型问题，Yang,Huang[5-6]等开始考虑边界对流传质阻力，Xu等[7]进一步考虑了对流传质阻力和初始浓度的综合影响，使得计算结果更接近实测数据。上述模型多针对单层材料单面散发情况，Hu等[8]考虑到内部浓度非均匀性，提出了多层材料双面散发模型。此后，考虑材料化学反应的多层材料散发模型[9]和空分数扩散模型[10]被分别提出。Li等[11]利用k-ω模型研究了表面辐射对室内气体污染物排放和扩散的影响规律。在模型逐渐完善的同时，建材VOC迁移关键参数测试手段也同步丰富。在流化床脱附、常温萃取、湿杯法等经典测试方法基础上，先后探索出了多气固比法、浓度轨迹法、多平衡态回归法[12]，以及更快捷、更准确的连续升温-多气固比法[13]和循环密闭/通风散发法[14]。Liu等[15]利用多元回归方法，开发了一种估算小型环境试验室内VOC排放数据模型参数的程序。这些传质模型出于便捷性，忽略了多孔建材吸/脱附特性，造成模型计算值与测试结果之间仍存有一定偏差。

近年来，随着对多孔建材VOC散发机理认识的深入，研究热点逐渐向基于吸/脱附的散发模型及湿建材上聚焦。Yang等较早考虑了空气-建材界面的VOC吸附/解吸特性，为了简化模型，假设建材的扩散系数和分配系数均保持不变。马强等[16]建立了一种孔隙尺度下VOC释放/吸收的格子-Boltzmann模型。此后，Zhou等[17]深入剖析了多孔建材VOC脱附的多尺度机制，给出了吸附势能的计算式。Zhu等[18]提出了一种吸/脱附VOC的集成模型，并通过广义积分变换得出半解析解。与此同时，测试对象也转为复杂条件下的湿材料。Li[19]提出了不同阶段控制建材VOC散发过程的具体方法。潘洁晨等[20]发现乳胶漆干燥过程中VOC挥发与残留的动态规律，硝基漆也呈现类似规律，但不如乳胶漆明显。谭瑶瑶[21]比较了温度和压力对建筑涂料甲醛散发的影响，测试发现初始可散发浓度随温度升高而增加，而随压力升高而减小。黄丽等[22]实测了温度对木器漆甲醛与VOC散发的影响，发现高温促进散发强度，但衰减也更快。

可以看出，上述模型多从宏观角度分析室内建材VOC扩散过程，并把多孔建材内孔隙形貌及尺寸视为规律性分布，造成预测存在一定误差。实际上，由于多孔建材内部孔隙结构的不规则性和分布的随机性，用传统宏观模型较难揭示其内部微观传输特性。

3 室内VOC扩散过程的研究进展

不同地区、不同类型的建筑室内存在着不同程度污染，向室内合理的送入新风是解决VOC超标问题的高效手段[23]。为了研究VOC扩散的机制及路径，既有研究从通风模式、通风参数、通风效果等方面研究室内污染物分布特性。

3.1 通风方式的影响

自然通风和混合通风是最常见的通风方式，最早关于室内污染物扩散的研究均围绕其展开。Wang等[24]、樊越胜等[25]分别研究了自然通风下污染物室内分布特征以及通过窗户的扩散规律，提出双边通风更利于污染物排出。冯国会等[26]模拟发现通风方式对严寒地区室内甲醛扩散极为关键，目标建筑采用模拟混合通风和自然通风模式，室内甲醛浓度比高达1∶2.07。与此类似，姜远征等[27]对比了去除打印机产生污染物的效果，与自然通风相比，混合通风去除效果提高约63%。叶筱等[28]模拟了混合通风下高大空间污染物浓度分布特征，发现CO2易聚集在空间中部。

与混合通风相比，置换通风的风口扩散性好，控制区空气质量更接近送风，近年来关于该方式下污染物扩散的研究逐渐增多。Tian等[29]发现面源位于四周墙壁时，置换通风呼吸区污染物浓度要低于地层通风方式。杨秀峰等[30]研究了置换通风冲刷室内污染物效果，发现房间高度仅影响上部热空气污染物浓度。周童等[31]实测了置换通风对低人员密度室内呼吸区臭氧和VOC分布的影响，发现VOC浓度对臭氧浓度有明显跟随性。

不同气流组织中VOC的运动和分布也不相同，送/回口位置对污染物分布有直接影响。岳高伟等[32]模拟发现，与异侧上送下回相比，同侧上送下回排污效率更高，其气流组织可更快速、更高效输运室内甲醛至室外。宇军等[33]研究了顶送下回、同侧上送下回、异侧上送下回布置对室内污染物流场的影响，总结了不同工况下污染物扩散特性。刘浩然[34]CFD模拟了5种通风方式下室内甲醛浓度分布特征，提出侧送风是该工况下将污染物排出室内的最佳送风方式。由此可知，污染物扩散的风向很大程度上取决于气流行为以及送风/排风口位置引起的方向变化。

3.2 通风参数的影响

室内VOC散发是一个复杂多变的动态过程，除了受建材种类、通风方式等因素影响外，还受送风量(送风速度)、送风温差及送风角度等通风参数直接干预。

向室内送新风是调节建筑热环境和稀释室内污染物的重要手段，合理确定送风量(送风速度)对于降低室内污染物浓度有重要意义。韩星星等[35]发现超过一定换气次数后，增大新风对室内污染物的净化效果反而不明显。李耀东[36]得出了相同规律，不能一味增加送风量，送风速度要控制在一定范围内。这是因为室内热湿参数稳定时，建材释放VOC的速率基本维持不变，当VOC浓度降低到一定值后，若继续增大送风量，稀释污染物浓度的速率会减缓。此外，确定送风量时还应考虑避免吹风感等问题。张月等[37]发现个性送风可使睡眠区获得较好空气质量，此时送风量应控制在1.5 m3/min附近。因此，为降低室内污染物浓度，还应同时考虑人体舒适感、温度分布均匀系数等指标，综合确定降低VOC的合适送风量(送风速度)指标。

送风温度与室内VOC浓度水平紧密相关，室内建材及家具会随着室内温度升高而显著增大VOC释放量。Huangfu等[38]监测了不同房间VOC浓度的动态变化，发现室内VOC浓度与室内温度呈现正相关的规律不受季节影响，甲醛浓度随温度波动范围约为3.0 ppdb/℃～4.5 ppdb/℃。李耀东发现室内高温处甲醛浓度相对较高，提高送风温度使得热浮升力增加，促进污染物短期内扩散。李翩[39]得出了相同结论，发现提高送风温度，可以降低室内污染水平，但伴随的浮升力影响通风效率。以此类推，全空气空调系统常采用的露点送风模式虽可减少送风量、节约能源，但可能存在影响排污效率的问题。

不同送风角度对应不同气流组织，送风角度直接影响室内VOC扩散。为了获得送风角度对稀释效果的影响规律，李翩比较了不同送风角度下污染物浓度变化规律，研究发现送风角度60°时办公区平均污染物浓度最低。同样的送风形式，地铁车厢选取垂直送风比30°送风更有利于稀释乘客呼吸所产生的CO2及其可能携带的病毒[40]。方晓龙[41]模拟发现，随着送风角度的降低，体育馆内污染物的净化效果越来越好，且只有垂直送风能将VOC浓度降低到卫生标准以下。秦慧等[42]分析了挡板高度对输液室人员局部区域污染物扩散的影响，提出挡板高度设置为1.2 m时，去除污染物效果最佳。

3.3 通风策略的影响

合理通风与高效净化协作配合，在保证稀释室内VOC的同时可大幅减少能耗。马惠颖等[43]提出轻/中度污染天气时可精细化调节外窗开度，重度污染天气时严格控制开窗时间及开度，加上足够的室内净化能力，亦可保证室内污染物低于控制指标。随后，周佳佳等[44]提出在自然通风模式时，相同开窗时间前提下，25%开度可保证甲醛稀释效果。同样是自然通风，陈思华等[45]发现空气净化器不能体现较好的净化效果，仅能勉强保证二级空气品质。

可以看出，通风稀释室内污染物的研究方法多采用模拟手段，通过合理的气流组织、通风参数和通风策略，保障新风直接送到人员停留区，发挥其最佳效用，而非依靠全室稀释作用。从研究内容上看，研究送风方式、送风温度、送风速度、送风角度的报道较多，而关注地域湿度条件对室内污染物散发的研究相对较少。

4 结论与展望

国内外学者对室内建材VOC散发过程开展了丰富的研究，提出的散发理论模型从经验/半经验模型转向了物理概念更为清晰、涉及因素更为全面的传质模型。与之对应，室内扩散特性也从通风模式、通风参数、通风效果等角度全方面展开，取得了卓有成效的进展。但是鉴于多孔建材VOC传递的影响因素较多，已有成果尚有一定的局限性，未来多孔建材VOC散发过程研究的热点可能围绕以下几个方面展开：

1)现有建材VOC散发模型多停滞在形状规则的孔隙分布层面，考虑吸/脱附效应的较少。实际上，建材内纵横交错的孔隙特征，造成污染物迁移的复杂性与多样性。因此，亟需从微观层面揭示材料内、界面上和空气侧的扩散、分配和对流传质机理，建立多孔建材VOC散发关键参数的多尺度理论预测体系，并充分考虑表面吸/脱附效应，掌握复杂多孔结构下建材VOC散发特性。

2)现有对建材VOC输运特性的研究对象多针对单一建材或单面散发问题，关注多种建材同时散发或双面散发的较少。实际上，室内VOC散发与扩散是由多个材料同时散发，即存在多污染源。同样，未考虑多污染源共同作用对污染物浓度分布的叠加影响。因此，亟需分析多种建材耦合作用下污染物散发问题，揭示多层建材、多种建材散发的影响机制，掌握多源叠加效应下建材VOC散发机理与扩散规律。

3)现有研究多割裂热、湿和VOC传递均为物质迁移和对流、扩散属性一致的本质关系，很少考虑建材热工参数的动态变化。实际上，多孔建材热湿传递和VOC散发是同时发生、相互影响、非常复杂的过程，尤其是对于湿热地区而言，建筑长期处于高温多雨的湿热和阴沉细雨的阴冷交替环境之中，VOC的吸/脱附行为与动态环境条件和建材热工性能密切相关。因此，亟需开展动态环境下建材VOC释放/吸附的研究，建立建材VOC源特性的测、评、控方法。