CN108375650B - 一种测定建材voc散发特性参数的优化通风法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定建材VOC散发特性参数的优化通风法，该方法通过对建材样品执行密闭、直流两种散发模式的多次切换，测定多个密闭状态下的VOC平衡浓度及直流状态下排出环境舱的VOC质量情况，建立了求解散发特性参数的数学方程；为提高方程的拟合优度，本发明提出了各平衡浓度间差值的合理区间；为控制平衡浓度间的差值位于规定区间内，对各通风周期排出的VOC质量进行了优化选择。通过本发明所述的通风量优化选择方法，可提高对散发特性参数的测定精度。
Description
技术领域
本发明属于室内环境质量检测领域，具体涉及一种对密度板、刨花板等人造板材测定建材VOC散发特性参数的优化通风法。
背景技术
人体每天呼吸摄入的空气体积十分巨大，随空气进入人体的物质成分是影响人体健康的一个重要因素。相比于近年来引起人们密切关注的室外空气质量，室内的空气污染更难以察觉，且人类每天在室内活动的时间更长，因此室内空气质量对人体健康的重要性不言而喻。现代建筑大量使用装修材料，这些材料中释放的挥发性有机化合物(VOC)严重影响了室内空气品质，对生活和工作在其中的人们的健康产生了极大的危害，它可以引发头晕、眼花、恶心、困倦、注意力不集中等病态建筑综合症。
合成隔热板材、壁纸、人造板材等建筑材料是室内VOC污染的主要来源，欲对室内VOC进行控制及净化，就必须对建材VOC的散发特性有充分的认识。分离系数 (K)、初始可散发浓度(C0)及扩散系数(D)是建材的VOC散发的三个特性参数，直接影响建材VOC的散发速率及室内VOC的浓度值。因此，确定散发特性参数的准确数值对掌握建材VOC的散发规律及预测室内VOC的浓度状况至关重要。关于D的理论计算方法较为成熟，可根据理论模型直接计算获得。而K与C0则大多依靠实验方法测得，现有测定K与C0的实验方法可大致分为两类：第一类是设计一个操作简单、容易控制的实验系统，模型参数和实验观测值之间存在一个简单明确的理论联系，通过分析实验数据即可求出散发特性参数，例如低温研磨解吸法和CLIMPAQ法；第二类是建立一个描述实验中建材VOC传质过程的数学模型，通过对实验数据的拟合得到模型中的对应参数值，例如双舱法、微天平法和浓度足迹法。但是上述方法仍存在实验时间长、参数拟合计算过程复杂、测量精度较低等问题。此外，由于建材和VOC种类繁多，各类建材的VOC散发特性参数范围较广，适宜采用的测量方法也不唯一。
综上所述，不同建材由于其结构、材质、VOC种类及含量的差异，其VOC散发特性大相径庭。如何针对不同建材VOC散发特性合理选择适宜的测试方案，以期得到最为准确的VOC散发特性参数，是本领域研究人员所共同关注的热点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效、精确测定建材VOC散发特性参数的优化通风法，可针对不同种类的建材-VOC工质对，提出操作参数的适宜范围，从而扩展该实验方法的适用范围。
为实现上述任务，本发明采用如下技术方案：
1)将待测建材置于温湿度恒定的清洁密闭环境舱内，通过对建材样品执行密闭、通风两种散发模式的交替切换，测定多个密闭状态下的VOC平衡浓度及直流通风状态下排出环境舱的VOC质量情况，根据质量守恒定律和亨利定律建立如下的方程：
式中，C0为建材VOC的初始可散发浓度，mg/m3；K为建材VOC的分离系数；Cequ,i为各平衡状态下环境舱内气相VOC的平衡浓度，mg/m3；β定义为气固比，其计算公式为β＝V/Vm；V为环境舱内的空气体积，m3；Vm为建材体积，m3；Δmj为各通风状态下排出的VOC质量，mg；
2)以前后两次密闭状态下平衡浓度的差值大于Cequ,1的0.1倍作为安全阈值下限；以测试建材初始VOC浓度的0.25倍作为每次通风时排出VOC质量的安全阈值上限，每次通风时排出VOC质量Δm满足如下方程：
3)根据方程(2)对通风量进行优化，得到5组以上实验数据带入式(1)中进行线性拟合，即得建材VOC散发特性参数K和C0。
所述的环境舱内部空气容积1m3，环境舱壁面采用对VOC无吸附性的不锈钢材料。
所述的环境舱通风换气量通过转子流量计控制。
所述的通风状态下排出的VOC质量，其计算公式为：
式中，q为通风换气速率，m3/h；Ca(ti)为ti时刻环境舱内空气中的VOC浓度，mg/m3；Δt为VOC检测仪的采样时间间隔，s。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)本发明通过构造简单的实验系统即可确定建材VOC散发特性参数，测试对象范围广，该方法具备较高的普适性；
(2)本发明在测试前无需对样品材料进行预测试来不断调整合适的尺寸，仅需通过调节间歇通风量即可满足对不同平衡浓度间隔的要求，节约了前期准备时间与材料消耗量；
(3)根据各类建材-VOC工质对的属性，通过调整不同密闭散发周期之间的通风量可提高对K与C0的测量精度。
附图说明
图1为本发明的环境舱测试系统及实验仪器布置总体示意图；
图2为本发明所述通风时排出VOC质量的取值区间；
图3为实施例中密度板在环境舱中散发时的甲醛浓度变化；
图4为实施例中分离系数及气固比对应的通风时排出甲醛质量；
图5为实施例中实验数据与理论预测值的对比；
图中标号分别表示：1-空气源热泵、2-制冷剂盘管、3-环境舱、4-进气口、5-排气口、6-空气压缩机、7-转子流量计、8-循环风扇、9-测试建材、10-热电偶温度传感器、11-热电偶温度记录仪、12-无线温湿度记录器、13--VOC检测仪、14-计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1，本发明中建材的散发测试在环境舱中进行，主要实验装置包括：
(1)环境测试舱3，环境舱壁面材料为对VOC无吸附性的不锈钢舱，舱内空气容积1m3。环境舱有密闭及通风两种运行模式可以选择。密闭状态下，进气口4与排气口5均处于关闭状态。通风状态下，空气压缩机6将清洁的空气送入环境舱内，进气流量通过转子流量计7控制，清洁空气通过进气口4进入环境舱，与舱内气体混合均匀后在正压作用下由排气口5排出，因此进气流量与排气流量相同。舱内顶部设置有循环风扇8，保证舱体内空气混合均匀。测试建材9置于环境舱的中间位置，气体流动的方向和测试建材9的表面平行。
(2)温度调节系统，主要包括舱外的空气源热泵机组1及其连接的制冷剂盘管 2，制冷剂盘管2对环境舱3的左侧壁面进行加热或冷却，壁面再与空气进行热量交换，使舱内空气温度波动控制在±0.5℃以内。
(3)温湿度记录系统，包括记录环境舱内壁面温度的热电偶温度传感器10及其记录仪11，以及舱内空气温度的无线测量传感器12。
(4)VOC气体浓度测量及分析系统，包括VOC气体检测仪13，可对环境舱内的VOC气体浓度进行实时记录，最后所有采样数据均通过计算机14进行数据存储及处理分析。
参见图1。实验开始后，首先进行密闭状态下的建材散发实验，关闭进气口4及排气口5。使用VOC检测仪13 对环境舱内的VOC浓度进行实时监测，当一小时内甲醛平均浓度变化不超过1％时，则认为环境舱内的气相甲醛浓度已到达平衡状态，记录下该值。
随后，开启环境舱的通风模式，打开进气口4及排气口5，调节转子流量计7以恒定体积流量由进气口4向环境舱内通入洁净的空气，由于舱内的正压作用，排气口 5会以同样的速率向外界环境排出舱内的气体。记录环境舱内的逐时浓度变化，在经历一段时间的通风换气后，环境舱排出的VOC质量为Δm1。重复上述步骤，可得到多组密闭-通风间歇运行后的质量平衡方程，其通用表达式为
式中，C0为建材VOC的初始可散发浓度，mg/m3；K为建材VOC的分离系数；Cequ,i为各平衡状态下环境舱内气相VOC的平衡浓度，mg/m3；β定义为气固比，其计算公式为β＝V/Vm；V为环境舱内的空气体积，m3；Vm为建材体积，m3；Δmj为各通风状态下排出的VOC质量，mg。
由式(1)所示，若测量不同密闭状态下的VOC平衡浓度Cequ,i及不同通风状态下的VOC排出量Δmj，则可通过多组数据进行线性拟合，由方程的斜率及截距得到 K及C0的实验测量值。
为使不同平衡浓度间的差值不至于过小影响拟合进度，以前后两次的平衡浓度差值大于Cequ,1的0.1倍作为安全阈值下限；为使最后一个平衡浓度Cequ,5的值不至于过低影响测量精度，以测试建材初始VOC浓度的0.25倍作为每次通风时排出VOC量的安全阈值上限。因此，前后平衡浓度差值满足如下关系式：
又因为
则上式可进一步简化为
上式对Δm的取值范围进行了规定，图2可直观的反映出Δm随着Cequ,1及K/β的变化规律，随着Cequ,1及K/β的增大，Δm的值也不断增加，图中下曲面即为Δm取值的下限，而上曲面则为Δm取值的上限。在确定了Cequ,1及K/β的数值后，Δm的取值应当在上下曲面之间进行选择。
计算通风换气时排出的VOC质量时，理想状态下需要采用VOC的浓度变化曲线与时间做积分计算，但VOC检测仪的采样存在时间间隔，获得VOC的浓度数据为离散值，因此需采用梯形求积公示来近似获得排出VOC的质量，其计算公式为：
式中，q为通风换气速率，m3/h；Ca(ti)为ti时刻环境舱内空气中的VOC浓度，mg/m3；Δt为VOC检测仪的采样时间间隔，s。
本实施例对密度板的甲醛散发特性参数进行测定，环境舱的温度设定为28℃，选用密度板的规格为710mm×355mm×5mm(长×宽×厚)，密度为743kg/m3，气固比β＝798。图3为密度板K及β对应的通风时排出VOC质量，根据各阶段平衡浓度拟合得到的K数值，可确定出Δm的大致范围。利用上述方法，对密度板进行5次密闭散发及4次通风散发，其对应的Cequ,i及Δmj已在图3中显示。
在实际实验过程中，由于Cequ,1及β通过简单测量后即可获知，而K则需要对多组实验数据进行拟合后方可计算得到较为精确的结果。因此，若要确定Δm的取值范围，首先需要对K的数值进行估算。本研究采用的建材为密度板，如图4所示，其K 大多处于1000-10000的范围内，在设定第一个直流通风工况时，可根据K大致范围来确定首个Δm。当达到第二个平衡状态，得到两个Cequ的数据后，即可利用式(1)计算出K的值，进而修正Δm的取值范围。随着密闭-直流间歇次数的增加，出现平衡浓度的数量亦随之增加，理论上多次重复实验后得到K的数值更为精确，Δm的取值范围亦趋向合理。
根据实验数据代入式(1)线性拟合得到K的值为3576，C0的值为9.782×106mg/m3。由式(2)求得Δm的取值范围为1.21mg≤Δm≤3.03mg，而实验中直流换气时的Δm1至Δm4分别为1.73mg、1.54mg、1.25mg、1.21mg，均在最终确定的取值范围内，因此由逐级平衡浓度估算Δm的方法是可行的。
为验证由上述方法得到的实验结果的准确性，将实验测得的K和C0带入建材 VOC传质模型中进行数值计算，与实验结果进行对比，其结果如图5所示。理论计算值与实验数据吻合程度较高，相对误差范围在5％以内，因此利用本发明所述的优化通风法可精确测定建材VOC的散发特性参数。
Claims (2)
1.一种测定建材VOC散发特性参数的优化通风法，其特征在于包括以下步骤：
1)将待测建材置于温湿度恒定的清洁密闭环境舱内，通过对建材样品执行密闭、通风两种散发模式的交替切换，测定多个密闭状态下的VOC平衡浓度及直流通风状态下排出环境舱的VOC质量情况，根据质量守恒定律和亨利定律建立如下的方程：
式中，C0为建材VOC的初始可散发浓度，mg/m3；K为建材VOC的分离系数；Cequ,i为各平衡状态下环境舱内气相VOC的平衡浓度，mg/m3；β定义为气固比，其计算公式为β＝V/Vm；V为环境舱内的空气体积，m3；Vm为建材体积，m3；Δmj为各通风状态下排出的VOC质量，mg，其计算公式为：
式中，q为通风换气速率，m3/h；Ca(ti)为ti时刻环境舱内空气中的VOC浓度，mg/m3；Δt为VOC检测仪的采样时间间隔，s；
2)以前后两次密闭状态下平衡浓度的差值大于Cequ,1的0.1倍作为安全阈值下限；以测试建材初始VOC浓度的0.25倍作为每次通风时排出VOC质量的安全阈值上限，每次通风时排出VOC质量Δm满足如下方程：
3)根据方程(2)对通风量进行优化，得到5组以上实验数据带入式(1)中进行线性拟合，即得建材VOC散发特性参数K和C0。
2.根据权利要求1所述的测定建材VOC散发特性参数的优化通风法，其特征在于，所述的环境舱内部空气容积1m3，环境舱壁面采用对VOC无吸附性的不锈钢材料。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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