近年来室内空气品质问题引起了国内外学者的普遍关注(龙玲，2006；刘玉等，2008；沈隽等，2006；曾海东等，2004)，世界卫生组织将其列为全球最大的环境风险之一。室内空气品质变差会导致生活和工作在室内的人们表现出越来越多的病态反应，例如头晕、恶心、眼花、困倦、注意力不集中等，严重威胁着人们的身体健康和生活质量。原因是大量装饰材料应用到办公室和家庭居室装修中，在存放和使用过程中释放挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)，对人体健康造成潜在而长期的危害。因此，了解室内装修材料的VOCs挥发特性及其影响因素对于研究室内空气品质等污染问题有重要意义。

目前，国内外对VOCs的散发开展了广泛的研究，特别是近些年来发展起来的VOCs传质模型(Hu et al., 2007；Li et al., 2005；Xu et al., 2004；Yang et al., 2001a)，模型中每个参数都有其固定的物理意义，这对于研究建材中VOCs的释放机制具有重要作用。机制模型目前被广泛应用于VOCs的散发研究中，模型中参数的选取直接影响模型预测建材VOCs散发的准确性，因此传质模型中出现的参数即建材VOCs散发特性(初始VOCs平均浓度、分离系数)和对流传质系数的测定成为大家关注的热门问题。曾海东等(2004)、沈隽等(2011)分别给出了基于密闭小室测定建筑材料VOCs释放特性参数的方法。该类方法试验周期短，参数结果与经验值基本相符；但由于密闭小室与室内真实环境差别较大，无法模拟真实室内环境。

本文基于开放试验小室建立了计算建筑材料VOCs释放参数和对流传质系数的数学模型，给出释放参数和对流传质系数的测定方法，并以黑龙江省2个不同产地的刨花板为例测试了该建筑材料VOCs释放参数和对流传质系数，讨论温度对VOCs释放参数的影响，最后对不同试验条件的开放小室中刨花板VOCs释放进行了预测。

1 材料与方法 1.1 试验材料与设备

试验材料采用黑龙江省某厂生产的2种刨花板P1、P2，生产地为绥化与牡丹江。刨花板P1、P2板材厚度均为16 mm，板材密度均为0.7 g·cm^-3，热压后板坯含水率为7%±1%，热压温度200 ℃，固化剂占胶含量8%±1%，胶液的固体含量(62±2)%，施胶量为120~125 kg·m^-3。每种刨花板被裁为0.23 m×0.22 m各5块。

试验设备与仪器有：PGM-7240手持式VOC气体检测仪；人造板有机挥发气体采集装置，容积为0.09 m³，该装置集空气净化装置、空气置换装置、温湿度控制装置于一身；15 L玻璃干燥器；流量计；智能真空泵。

1.2 试验条件及方法

将裁好的刨花板用铝胶带封边，使双面暴露面积为210 mm×220 mm×2=0.09 m²，舱负荷比(承载率)L=A/V=1.0 m^-1，湿度保持在(60±10)%，小室内气体交换速率为(1.0±0.05)h^-1(GB 50325环境标准)。每种板材都在室内空气温度分别为15，20，25，30和35 ℃条件下进行测试。环境舱测试样品后，采样管道以及舱体内部会有前一块样品所释放的VOCs蓄积，为防止对下一块样品测试的影响，测试前用去离子清洗，并用风机吹干，让环境舱空载下运行，直到背景浓度达到做样要求，环境舱的各项参数稳定。将一块板材平放于采样舱的中心位置，检测时将手持式VOC检测仪进气管接入采样装置出气口，气体被吸入到传感器(PID)内进行测定，定期通过采样系统采样。前1 h每隔15 min测1次，测5 min，取5 min内数值的平均值作为该点的VOCs浓度值。第2~4 h每隔30 min测1次，之后随浓度变化幅度的减小，测量间隔时间延长。测试时间持续46 h，测试出即时的VOCs浓度。

2 测试原理

测试的建筑材料在密闭塑料袋中放置24 h以上，使建材内初始(测试计时开始时刻)VOCs释放浓度达到均匀。由于板材较薄，且板材周围用铝胶带封边，板材的VOCs散发面为平板的上下表面，又注意到VOCs扩散动力为浓度差造成的，浓度梯度方向垂直于平板上下表面，因此平板状测试建材散发可以近似为一维问题。假设室内无任何VOCs吸附物，同时小室内也无其他VOCs释放源。试验小室内的空气置换装置对进入小室的空气进行净化，使进入小室的空气为洁净空气。

测试材料VOCs的散发可分成3个过程，如图 1所示。

在板材层，VOCs扩散满足传质方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：C(x，t)为随时间变化的刨花板内VOCs浓度(μg·m^-3)，t为建材放入小室内的测试时间(h)；D为板材内VOCs扩散系数，它与材料结构(板材密度、空隙结构、施胶量)和试验环境(温度、湿度等)有密切关系，本文为研究问题方便视刨花板为均质材料，即在同一块板材中各处扩散系数D相同。h_m为对流传质系数(m·h^-1)；C_as(t)为随时间变化的建材表面空气中VOCs浓度(μg·m^-3)；C₀为试验初始时刻建材内VOCs平均浓度(μg·m^-3)；2l为板材厚度，这里l为板材VOCs单侧释放厚度(m)。

在界面层，由郎谬尔简化线性模型，有：

(5)

式中：K为分离系数。

在空气层，室内空气中VOCs质量守恒，有：

(6)

(7)

式中：C_∞(t)为室内的瞬时VOCs浓度(μg·m^-3)；A为小室内建材VOCs散发总表面积(m²)(单侧面积的2倍)；V为试验小室体积(m³)；Q为室内与室外的空气交换速度(m³·h^-1)；C_in为进入小室的空气中VOCs浓度(μg·m^-3)，由于试验小室内的空气置换装置对进入小室的空气进行净化，有C_in=0。

将式(1)两端在[0，l]上对x进行积分，有

(8)

若记C(t)为t时刻建材内VOCs的平均浓度，由积分中值定理有：

试验板材为市面购置建材，已经过一段VOCs释放，释放逐渐趋于稳定状态，板材内部VOCs浓度差缩小，又注意到板材厚度较小，为获得分离系数、对流传质系数和初始VOCs平均浓度的估计，不妨假设

代入式(8)得：

于是模型可简化为线性微分方程组如下：

初始条件为：

式中：为承载系数(m^-1)；为气体交换系数(h^-1)。

解微分方程组得小室内逐时VOCs浓度和刨花板内逐时VOCs平均浓度函数为：

(9)

式中：a，b，d为小室内逐时VOCs浓度函数参数；A，B为刨花板内逐时VOCs平均浓度函数参数。其中：

(10)

(11)

(12)

符号σ，Δ为：

(13)

(14)

由式(10~14)得释放参数分离系数K、对流传质系数h_m和初始浓度C₀的关系式：

(15)

(16)

(17)

当小室内逐时VOCs浓度函数参数a，b，d已知时，由式(15~16)即可得到板材的释放参数K，h_m和C₀的估计。这里a的单位为μg·m^-3，b，d的单位为h^-1。l为板材VOCs单侧释放厚度。

3 数据分析及处理 3.1 释放特性参数的估计

将刨花板在小室内VOCs逐时散发数据用形如式(9)的指数函数类对其进行非线性拟合，拟合参数a，b，d满足平差函数即最小二乘函数

在约束条件b+d->N下达到最小。应用Matlab编程，即可求出参数a，b，d的值。这里Ĉ_i为i时刻小室内VOCs浓度测量数据。

图 2a~e记录了刨花板P1、P2在温度分别为15，20，25，30和35 ℃时小室内的VOCs逐时散发情况及基于最小二乘方法得到的曲线。

小室内逐时VOCs浓度拟合函数参数a，b，d的值见表 1，2。由式(15~17)就可以计算刨花板P1、P2中VOCs初始浓度C₀、分离因数K和对流传质系数h_m，其结果亦见表 1，2。

由表 1，2可得，刨花板P1和P2内VOCs平均浓度量级为10⁵ μg·m^-3；对流传质系数h_m量级为10^-4~10^-3 m·s^-1；分离系数K量级为10³~10⁴。Little等(1994)用数值计算出地毯K值的数量级是10³，计算结果与经验值相符。

3.2 温度对释放特性参数的影响

单位面积板材瞬时散发速率为：

随着温度的升高，VOCs的释放量非线性增加。环境温度影响着释放参数，从而影响着刨花板板材VOCs释放。针对刨花板P1及P2在基本条件(密度、含水率、施胶量)和生产工艺基本相同的条件下(但刨花材质不同)，分别建立VOCs初始浓度、对流传质系数h_m、分离系数K与温度关系的拟合方程。温度对释放参数的影响如图 3a-c。

可见，当温度升高时，刨花板P1和P2内VOCs浓度都有升高趋势，分离系数K较显著降低。温度对刨花板P1板材内VOCs初始浓度和分离系数K的影响相对较强。2种板的VOCs在空气中的传质系数都随着温度的升高而显著提高，使得VOCs在空气中的扩散加强；分离系数K随着温度的升高降低，这说明随着温度的升高VOCs在刨花板P1和P2材料表面的活性加强，使材料界面层的VOCs释放能力增强。总之温度升高提升了板材VOCs释放能力。

3.3 模型验证

利用图 3a~c中所得的关系方程，可预测温度为20 ℃时的释放参数C₀, K, h_m，代入到式(9~12)，计算可得a, b, d，从而获得小室内VOCs浓度预测函数。20 ℃时刨花板VOCs释放参数C₀，K，h_m和小室内的拟合参数a, b, d如表 3所示。

图 4为20 ℃下刨花板P1和P2释放时间为46 h的开放小室内VOCs浓度与应用本模型预测小室内VOCs浓度比较，预测值与试验值基本相符。

4 结论

本文给出了刨花板散发特性的参数C₀、K和h_m的一种较简便的计算方法，并对黑龙江省两产地的刨花板进行测定，得对流传质系数h_m量级为10^-4~10^-3 m·s^-1，与Yang等(2001b)、Xu等(2003)的参数值相符；分离系数K量级为10³~10⁴，与以往研究所得的经验值相符(Little et al., 1994)。本文以刨花板P1和P2为研究对象，在其他条件基本相同的条件下，进一步讨论了温度对VOCs释放的影响，当温度升高时，刨花板P1和P2板材内VOCs浓度都较显著升高，同时VOCs在空气中的对流传质系数(扩散系数)也显著提高，使得VOCs在空气中的扩散加强，而分离系数K随着温度的升高反而降低，这说明随着温度的升高，刨花板P1和P2的VOCs在材料表面的活性加强，温度升高提升了刨花板P1与P2材料中VOCs的释放。

如果室内与外界的气体交换速率、承载率、板材厚度、释放参数h_m，K及一次室内VOCs浓度检测已知，利用本文所提出的方法可对居民装修房间中的VOCs释放进行预测分析。本文方法简单，测试方便，为建材筛选及其VOCs散发特性评价、家居装修房间中VOCs的释放测定及预测分析提供了一种手段。