2023, Vol. 39
人有80%～90%的时间［1］在室内度过，因此室内空气品质对于人员健康非常重要。已有检测表明，室内可被检测到的污染物种类有300多种［2］。近年来，对部分建筑采取的节能措施增强了房间的气密性，减少了室内换气次数，导致室内化学物质残留浓度较高［3-5］。甲醛是住宅室内空气中的首要污染物，因此研究室内甲醛污染控制策略对于保证人员健康以及提高室内空气品质均具有重要意义［6-7］。室内污染物会使长期在室内生活、学习和工作的人员产生不适，从而引起病态建筑综合症（sick building syndrome, SBS）［8-9］。室内装修所用人造板材是甲醛污染物的主要来源之一［10-11］。因此，控制室内装修所用人造板材的用量对于控制室内甲醛污染至关重要，而承载率是衡量室内板材用量的重要指标，其定义为暴露在空气中的材料表面积与房间面积的比值。
我国指导室内装修的《住宅建筑室内装修污染控制技术标准》（JGJ/T 436—2018）［12］中对住宅建筑室内装修所用人造板材按照甲醛散发强度进行了等级划分，不同等级的人造板材承载率限值不同，甲醛散发强度也不同。通风换气是减轻室内空气污染的主要方法之一，但JGJ/T 436—2018中仅将换气次数设置为0.45次·h−1。通风不足时化学物质可长时间滞留在室内，从而增加了人员接触化学物质的风险［13-14］。法国某研究［15］表明学校建筑中使用机械通风可使室内甲醛浓度始终保持在较低水平。考虑到目前甲醛检测耗时、耗力，且费用较高、准确度不高等缺点［16-18］，利用EnergyPlus软件建立上海地区典型住宅计算模型并模拟全年室内甲醛质量浓度能很好地解决这些问题。为研究JGJ/T 436—2018中板材承载率、甲醛散发强度及通风方式对室内甲醛质量浓度的影响，本文分别进行模拟和实测分析，以便为指导装修、确保室内甲醛质量浓度达标提供依据。
1 上海地区典型住宅计算模型建立本文选取上海某典型高层住宅中的一户为参照建筑开展模拟研究。该住宅位于标准层6层，层高3.0 m。基于EnergyPlus软件建立上海地区典型住宅计算模型。图1为上海地区典型住宅户型图。
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图 1 上海地区典型住宅户型图 Fig.1 Layout of a typical residential department in Shanghai |
模拟过程中的已知参数为室外气象数据和室外全年PM2.5质量浓度，其余输入条件的设置如下。
1.1 人员CO2散发强度本文以上海工薪阶层的四口之家为典型案例，参考文献[19]设置全年逐时住宅模型中室内人员数量及停留时间，结果如表1所示。
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表 1 室内人员数量及停留时间 Table 1 Number and residence time of indoor occupant |
住宅内CO2来源于室内人员散发和室外大气。根据实测，室外CO2体积分数为0.04%；室内CO2来源主要为室内人员散发。在上海地区典型住宅计算模型中基于美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）标准第62.1条的规定［20］，设置人均CO2散发强度Va为3.82 × 10−8 m3·s−1·W−1。室内人员CO2总散发量为
| $ \qquad {V}_{\rm{t}}={PTMV}_{\rm{a}} $ | (1) |
式中：Vt为室内人员CO2总散发量，m3；P为人员数量，人；T为人员室内停留时间，s；M为人员新陈代谢量，W。
人员数量P和停留时间T按表1设置。本文主要研究对象为住宅中的卧室，在夜间卧室内人员均处于睡眠状态，此时室内人员新陈代谢量的设置参考 ASHRAE标准第55条规定［21］。
1.2 通风方式 1.2.1 渗透通风住宅内门窗关闭，仅靠门窗缝隙的渗透新风稀释室内污染物。本文模型中建筑的气密性参考室内环境与儿童健康研究上海地区课题（CCHH）［22］中的实测数据进行设置。
1.2.2 自然通风上海大多数住宅均采用自然通风，窗户的开启情况会对室内空气质量和能耗产生影响。居住者的开窗行为与室外温度及污染情况有关。为贴合实际情况，在此对比两种开、关窗模式。
模式一，依据Lai等［23］对全国5个不同气候区的检测结果，设置夏热冬冷地区住宅内卧室的开、关窗时间。
模式二，自然通风的开、关窗规则根据室外温度及PM2.5质量浓度设定。室外温度过高或过低都会影响人员的开窗行为。文献[19]中以室内设计温度18、26 ℃为开窗依据。本文考虑到人员对温度的可接受度，参照文献[24]对夏热冬冷地区舒适区温度进行取值，最终确定室外适宜的开窗温度为16 ～ 28 ℃。同样，室外PM2.5质量浓度亦会影响人员的开窗行为［21］。当室外PM2.5质量浓度小于35 μg·m−3时，空气质量达到优，则开窗。综上，室外温度在16 ～ 28 ℃，PM2.5质量浓度小于35 μg·m−3时，室内人员开窗并关闭室内空调进行自然通风，开窗面积为窗户最大可开启面积的1/4。
将两种自然通风的开、关窗模式输入上海地区典型住宅计算模型中，模拟得到全年逐时CO2体积分数，并将其与实测值进行对比，结果如表2所示。可见，模拟值和实测值区间分布相似，但模式二下CO2体积分数（中位数）更贴合CCHH实测值。因此，本文选取模式二的开、关窗规则用于模拟分析。
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表 2 室内CO2体积分数的模拟值与实测值 Table 2 Measured and simulated values of indoor CO2 volume fraction |
在一些较高档的住宅中，居民为了获得更好的室内空气品质选择机械通风。本文是针对我国上海地区住宅的研究，因此采用我国设计标准《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—2012）［25］中计算居住建筑室内设计新风量的方法，根据各房间面积和所对应的每小时换气次数计算风量，得到设计新风量，结果如表3所示。
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表 3 各房间设计新风量 Table 3 Designed fresh air flow in each room |
对上海地区典型住宅计算模型的可靠性进行验证。关窗时渗透通风换气次数代表房间的气密性，通过实测获得渗透通风换气次数可对模型的气密性参数进行有效验证。住宅中若人员数量相对固定，房间换气次数可通过室内CO2体积分数的变化来计算。
2.1 换气次数的计算方法根据被测室内示踪气体的稀释和累积情况，检测其浓度变化，并基于该变化趋势通过质量守恒原理进行求解，即可得到房间换气次数。本文中认为室内人员为CO2的释放源头，即
| $\qquad V\dfrac{{\rm{d}}{C}_{\rm{i}}}{\rm{d}\tau }=Q\left({C}_{\rm{o}}-{C}_{\rm{i}}\right) + R $ | (2) |
式中：V 为房间的体积，m3；τ 为时间，s；Q 为通风量，m3·s−1；Co为室外示踪气体的体积分数，mL·m−3；Ci为τ时刻室内示踪气体的体积分数，mL·m−3；R 为单位时间内示踪气体的散发量，m3·s−1。
在使用CO2作为示踪气体时，Co为室外CO2体积分数，Ci为室内逐时CO2体积分数，R为室内人员CO2散发量，其值可根据室内人员的身高、体重进行计算。
2.2 验证结果为了计算全年实测换气次数，采用CCHH 于2014年1月—12月入户检测得到的全年数据，并选取其中104户夜间23点至次日早上6点卧室内逐时CO2体积分数。该时段内人员处于相对稳定的睡眠状态，CO2散发源稳定。该时段内房间门窗关闭，房间的气密性未发生明显改变。但由于部分时段数据不完整，最终选取每户全年中1 860 h的逐时CO2体积分数，并结合实测得到的室外逐时CO2体积分数及房间体积，计算夜间实测逐时换气次数。
模拟时通风工况为根据实测设置的门窗完全关闭时的渗透通风，室外参数根据实测值设置，室内人员CO2散发情况按照1.1节设置。对上海地区典型住宅计算模型中卧室1全年8 760 h逐时CO2体积分数进行模拟，并选取与实测值对应的1 860 h逐时CO2体积分数的模拟值。基于CO2体积分数的变化，根据三角形质心迭代的定位算法（point-in-triangulation，PIT）并借助EXCEL软件计算夜间23点至次日早上6点卧室内的换气次数，将实测值与模拟值分布情况进行对比，结果如图2所示。从图中可以发现，卧室内夜间换气次数的模拟值分布与实测值分布接近，尤其是两者的中位数相差不大，证明根据CO2体积分数变化模拟得到的换气次数较为准确。由此说明模型中室内、室外大气之间的气体交换情况与实际情况相近。由于本文需获得室内甲醛质量浓度数据，且室内甲醛质量浓度与甲醛散发源和房间通风方式有关，在甲醛散发源不变时影响甲醛质量浓度的只有通风方式，因此，只要模型中室内、室外大气之间的气体交换情况较为精准，就可采用该模型来计算室内甲醛质量浓度。
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图 2 卧室内夜间实测与模拟换气次数分布 Fig.2 Distribution of measured and simulated ventilation times in the bedroom at night |
参照JGJ/T 436—2018中对室内空气等级Ⅲ（室内甲醛质量浓度不大于80 μg·m−3）的要求，计算得到不同等级板材的承载率，并结合板材的甲醛散发强度上、下限模拟得到全年室内甲醛质量浓度。考虑到目前对室内空气品质要求的提升以及新标准GB/T 18883—2022[26]中对室内甲醛质量浓度要求（不超过80 μg·m−3，这与JGJ/T436—2018中对室内空气等级Ⅲ的要求一致）的降低，为使本研究成果更具代表性，将80 μg·m−3作为室内甲醛质量浓度是否超标的参照标准。
JGJ/T 436—2018中规定，在住宅装修设计前期应对室内材料的用量进行控制，其中板材的用量按照其暴露在空气中的面积计算，并将同等释放率的板材面积相加。本文假设室内均使用同等释放率的板材，且各板材均满足该标准的散发强度要求，在此根据JGJ/T 436—2018中的材料污染物释放率控制法进行分析，具体计算方法见式（3）～（4）。考虑到等级F1板材的甲醛散发强度较低，故对等级F1板材的使用不设置限制。
| $\qquad \dfrac{1}{5}{N}_{\mathrm{F}2} + \dfrac{2}{5}{N}_{\mathrm{F}3} + \dfrac{4}{5}{N}_{\mathrm{F}4}\leqslant \dfrac{1}{\alpha } $ | (3) |
| $ \qquad{N}_{\mathrm{F}i}=\dfrac{{S}_{\mathrm{F}i}}{A} $ | (4) |
式中：NFi为污染物释放等级为Fi的板材承载率标准限值；SFi为污染物释放等级为Fi的板材面积限值，m2；A为房间面积，m2；i为板材的污染物释放率等级，取2、3、4；α为温度修正系数，在此取1。
3.2 板材承载率和甲醛散发强度计算根据上海地区典型住宅计算模型和式（3）~（4）计算各房间内不同污染物释放等级板材的承载率标准限值NFi、板材面积限值SFi和单位时间内的甲醛散发强度EFi。各等级板材单位面积的甲醛散发强度是一个范围值，分别计算其上限、下限，结果如表4所示。
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表 4 板材承载率标准限值、板材面积限值及甲醛散发强度 Table 4 Limitation of loading rate, surface area, and formaldehyde emission intensity of wooden boards |
将表4中的参数输入上海地区典型住宅计算模型中，动态模拟全年室内甲醛质量浓度，并计算室内甲醛质量浓度超标率，结果如表5所示。根据表5分析可得，3种不同等级（F2、F3、F4）板材甲醛散发强度取下限值时，室内甲醛质量浓度在全年不保证5天原则下（超标率不超过1.37%），室内甲醛质量浓度均不超标，超标率最高为1.21%。因此，下文只分析9种工况中取板材甲醛散发强度上限值时的室内甲醛超标情况。按照表5绘制各房间室内甲醛质量浓度超标率随板材等级的变化图，结果如图3所示。可见，当选取保证室内空气质量等级Ⅲ级板材承载率标准限值，且选用3种等级板材的甲醛散发强度上限时，对住宅模型中4个房间全年室内甲醛质量浓度进行模拟，结果表明，在全年不保证5天原则下（超标率不超过1.37%），室内甲醛质量浓度（大于80 μg·m−3）均超标。
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表 5 室内甲醛质量浓度超标率模拟结果 Table 5 Simulated values of the exceeding-standard rate of indoor formaldehyde mass concentration |
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图 3 室内甲醛质量浓度超标率 Fig.3 Exceeding-standard rate of indoor formaldehyde mass concentration |
在分析单个房间室内甲醛质量浓度超标率时发现，相同通风方式下随着板材等级上升（F2<F3<F4），板材的甲醛散发强度增强，室内甲醛质量浓度超标率略有上升。4个房间的36种工况中变化最显著的工况为卧室2的自然通风工况，如图3（b）所示，即板材等级为F2时，超标率为12.63%；板材等级为F3时，超标率为12.71%；板材等级为F4时，超标率为13.66%。板材等级上升时，超标率最大变化值为0.96%，即超标率上升并不显著。这是因为随着板材等级上升（F2<F3<F4），甲醛散发强度上升，但板材承载率限值会相应降低，即单位面积房间所使用的暴露在空气中的板材面积减少，这将导致室内甲醛质量浓度保持在一个相对恒定的水平，导致超标率变化不大。相同通风工况下卧室1、卧室3、起居室的甲醛质量浓度超标率随板材等级上升的趋势与卧室2的类似，即超标率略有上升，但变化不显著。
4.2 通风方式对室内甲醛质量浓度超标率的影响表6为通风方式对室内甲醛质量浓度超标率的影响。可见，在板材等级相同时，在渗透通风工况下室内甲醛质量浓度超标率最大。以渗透通风工况为基础，自然通风使卧室1的甲醛质量浓度超标率最多减少3.66%，使卧室2的最多减少4.14%，使卧室3的最多减少4.59%，使起居室的最多减少6.02%；机械通风能使卧室1的甲醛质量浓度超标率最多减少11.03%，使卧室2的最多减少11.60%，使卧室3的最多减少11.68%，使起居室的最多减少12.71%。这是因为机械通风量大于自然通风量，室内换气频率提高导致室内甲醛质量浓度超标率下降。
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表 6 通风方式对室内甲醛质量浓度超标率的影响 Table 6 Effect of ventilation modes on exceeding-standard rate of indoor formaldehyde mass concentration |
本文利用EnergyPlus软件建立上海地区典型住宅计算模型，在3种通风方式（渗透通风、自然通风、机械通风）下对采用JGJ/T 436—2018中的3种等级板材（F2、F3、F4）装修的4个房间（卧室1、卧室2、卧室3、起居室）进行模拟，得到全年室内甲醛质量浓度超标情况。主要结论为：
（1）在3种通风方式下，当选取保证室内空气质量等级Ⅲ级的板材承载率标准限值，且选用3种等级板材（F2、F3、F4）的甲醛散发强度上限时，在全年不保证5天原则下（超标率不超过1.37%），4个房间（卧室1、卧室2、卧室3、起居室）的全年室内甲醛质量浓度（大于80 μg·m−3）均超标，且超标率在1.92%～18.30%之间；3种等级板材的甲醛散发强度取下限值时，在全年不保证5天原则下，各房间室内甲醛质量浓度均不超标。
（2）相同通风方式下随着板材等级上升，4个房间室内甲醛质量浓度超标率变化趋势一致，即超标率上升不显著，最大上升幅度为0.96%。这表明按照JGJ/T 436—2018进行装修时，板材等级及板材承载率标准限值的同步变化对室内甲醛质量浓度超标的影响较小。
（3）板材等级相同时，增大室内通风量能降低室内甲醛质量浓度超标率。与渗透通风相比，自然通风能使室内甲醛质量浓度超标率降低3.37% ～ 6.02%；机械通风能使室内甲醛质量浓度超标率降低10.59% ～ 12.71%。可见，机械通风能显著改善室内甲醛质量浓度超标情况。
（4）按照JGJ/T 436—2018中推荐的方法计算得到的3种等级板材承载率限值，无法满足3种通风方式下甲醛污染浓度限值的要求。建议将标准中板材承载率限值降低，或在承载率限值不变的情况下将对应的板材甲醛散发强度上限降低，并根据通风情况分类规定。
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