地板辐射供暖系统以其舒适、卫生、不占房间使用面积、节能、低噪音、使用寿命长等优点，在实践中得到了广泛应用(Rhee et al., 2015)。在民用建筑中，多层实木复合地采暖地板使用非常普遍，但是因实木复合地板是由多层单板通过胶黏剂拼贴而成的(Kim et al., 2005)，胶黏剂中含有一定量的甲醛和可挥发性有机污染物(VOC)，在使用过程中会逐渐释放到室内空间(Kelly et al., 1999; Salem et al., 2012; Huang et al., 2015；Wieslander et al., 1997)。研究表明，当VOC浓度达到0.2~3.0 mg·m^-3时，在多协同作用下，人体会出现刺激和不适感；被世界卫生组织确定为致癌和致畸物质的甲醛，当其浓度大于0.1 mg·m^-3 时，会导致人的喉、胸等部位疼痛、气喘以及慢性呼吸器官疾病等(Sathammer et al., 2010)。

在地板辐射供暖的特定工况下，为了达到室内所需温度(20~23 ℃)，地板下的供水温度通常在40~60 ℃之间(Shin et al., 2015)，实木复合地板中甲醛和VOC等有机污染物的释放会随温度升高明显增加(Wiglusz et al., 2002; 赵杨等，2015)，释放规律也与常温状态下有所不同；尤其冬季，在相对密闭的室内空间，空气中有机污染物含量很容易在短时间内超标，对人体健康造成影响。因此，在实木复合地板等人造板材有机污染物常温释放规律研究的基础上，一些学者考虑地采暖地板的加热环境，对先前试验进行了改进，如将地板试件和测试用干燥器置于特定温度的烘箱中，或通过控制气候舱内的室温来研究温度对地板中有机污染物释放的影响(Wolkoff et al., 1995; Brown, 1999; Kim et al., 2006)。叶春香等(2016)采用烘箱并结合干燥器法，测得实木复合地板在常温(20 ℃)和地采暖(40 ℃)2种温度下甲醛释放量的平均值分别为0.3和1.2 mg·m^-3。池东等(2014)在1 m³密闭气候舱内安装加热装置和风扇，定期对舱内气体进行取样检测，结果发现舱内空气温度每升高5 ℃，人造板材中的甲醛释放量会增加10%~30%。Huang等(2015)采用30 L密闭舱法研究人造板甲醛在不同温度下的散发规律，结果发现温度对板材甲醛初始可散发浓度这一关键参数具有很大影响。干燥器法测试的试件体积很小，且干燥器器壁的清洁度、密封情况等也影响测试结果，同一张板材干燥器值的变异系数可达到10%~20%(江涛等，2009)，测试结果相对缺乏代表性。密闭舱法主要通过加热舱内空气来改变板材温度，与实际地采暖地板直接接触的加热方式及运行工况均有区别，地板直接接触加热方式与同样温度空气循环加热方式相比会释放出更多的甲醛(An et al., 2010)。因此，通过干燥器或密闭舱加热法测得的合格人造板材，在特定地采暖地板加热运行工况下，其甲醛和VOC释放量可能会超过标准值。鉴于此，本研究通过模拟真实地板供暖环境并进行实时测量，考察多层实木复合地采暖地板在特定供暖工况下的室内温湿度分布以及甲醛和VOC等有机污染物的释放浓度变化情况及其相关影响因素，以期为地采暖地板使用过程中的室内环境质量控制以及相关地采暖用地板的质量检测标准提供参考依据。

实验室选在校园内某教学楼一楼中间的一间普通教师办公室，面积约36 m²(长6.6 m，宽5.4 m)，窗户朝向为西，墙体厚度约24 cm，保温层厚度约7 cm。按照《辐射供暖供冷技术规程》(JGJ 142—2012)在该办公室安装低温热水地板辐射采暖系统(图 1)，系统共分电加热系统、地板辐射供暖末端和自动控制系统3部分。

图 1 实木复合地采暖地板系统现场 Figure 1 The radiant floor heating system with multi-layer parquet

电加热系统安装500 L储热水箱，水箱内设加热控制装置，加热功率5 kW，外壁有保温层；在水箱出水管路设置电动三通阀，保障出水温度可控。整个加热和供水系统的地上部分采用20 mm厚保温材料进行隔热处理，以防止对室内温度测量的影响。供暖末端采用地板辐射供暖系统，在实验室原有水泥地面上铺设干式地暖模块，包括隔热层和导热层，隔热层厚度30 mm，导热层为0.2 mm厚的纳米复合导热材料，位于隔热层上方并与其固接，上面对应设有地暖盘管U形卡槽，地暖水管铺设于地暖模块卡槽内，管径20 mm。根据实验室面积和负荷要求，设置2个供暖回路(图 2)，每个供暖回路长约81 m，管道间距200 mm。每个回路的进出水流量和温度通过传感器定时测量后进行存储，存储间隔时间最短可设为1 min。在地暖模块上部铺设可拆卸的多层实木复合地板，共9层，表皮层为榆木，其他层为剥皮马尾松，检测报告显示该地板的甲醛释放量小于国家标准。

图 2 实木复合地采暖地板管路及平面区域分割 Figure 2 The pipe lines and divided scheme of the radiant floor heating system with multi-layer parquet

为了便于试验数据测量以及后期建立三维传热和浓度分布模型，将实验室平均划分为6个区域，网格划分如图 2所示。在6个区域中心线上不同位置布设温度传感器，其中保温层下楼板层布设6个，保温层和地板层之间布设6个，地板表面布设6个，在距地面0.5、1.0、1.5、2.0和2.5 m处布各设6个，共布设48个PT1000温度传感器，其分辨率为0.01 ℃，测量精度0.1 ℃。在室内1.5 m高处设置5台空气质量检测仪(BR-Smart)，实时检测空气中甲醛和VOC浓度，测量分辨率均为0.01 mg·m^-3。另外，在实验室外也布设2个温度传感器，用于测量室外温度变化。

自动控制系统包括信号检测和设备控制2部分。信号检测内容包括48个室内温度检测、2个室外温度检测、1个水箱进水温度检测、1个水箱出水温度检测、2个回路地板进水温度和回水温度检测以及2个回路水流量检测。设备控制内容包括管道泵启停控制、水箱供水温度和供热模式。

整个试验持续40天，期间分别用40和50 ℃恒温热水对多层实木复合地板进行供暖，2个供水回路流量均设定为0.3 m³·h^-1，供回水温差保持在4 ℃左右。记录系统的运行参数、室内外温度、有机污染物浓度等参数，每隔1 min记录1次并存储。测试主要内容为：1)室内6个网格中心点垂直线上8个不同高度的温度；2)地采暖地板系统2个供水回路的进出口流速和温度；3)室内活动区域1.5 m高度的甲醛和VOC浓度；4)室外温度。

试验期间，40和50 ℃恒温热水均能使实验室温度达到20 ℃以上，室内6个区域不同高度的温度变化趋势相近。地板加热层温度最高，地板表面温度次之，且二者变化趋势一致，平均温差约4.29 ℃。楼板加热前期升温较慢，80 h后慢慢接近地板表面温度。地板上方0.5~2.5 m不同高度的空气温度逐渐降低，但温差很小，最大温差小于0.50 ℃。

对比6个区域温度变化可知，东西走向3个区域的地板表面和地面温度存在周期性差异(图 3)。以区域4、5、6为例，区域4靠西边窗户，因此测量的各温度受室外气候因素影响较大，均出现周期性波动；区域5相邻区域4，也受室外气候因素影响，尤其是地板表面，除了受室外温度波动影响外，太阳辐射对其影响最为明显，最高峰值温度比平均温度高5 ℃以上，且这些短期峰值温度均出现在晴天午后的15: 00—16: 00，刚好是太阳直射在地板上的时间；在同一时间段，区域4地板表面因墙体遮挡没有直接受到太阳辐射，但位于地面的温度传感器在太阳辐射下，温度出现明显的短暂峰值；区域6距离窗户最远，受到的影响最小，温度波动相对较小。

图 3 区域4、5、6垂直温度变化 Figure 3 Vertical temperature distribution changes of area 4, 5 and 6

当以40 ℃恒定水温供暖时，室内平均初始温度为14.6 ℃，甲醛和VOC初始浓度分别为0.01和0.50 mg·m^-3。随着持续供暖，室内温度逐渐升高，50 h后室内温度上升为20.3 ℃并保持相对稳定，甲醛和VOC释放浓度分别为0.04和0.70 mg·m^-3；运行第7天，甲醛和VOC释放浓度达到一个峰值，分别为0.05和0.81 mg·m^-3；持续运行第20天，甲醛和VOC释放浓度出现第二个峰值，分别为0.05和0.86 mg·m^-3，之后浓度略有下降。第23天供暖温度上升至50 ℃后，50 h后室内平均温度为24.2 ℃，甲醛和VOC释放浓度分别上升为0.07和0.90 mg·m^-3，峰值浓度分别上升为0.11和1.01 mg·m^-3。在28~30天时，由于系统故障暂停热水循环，随着温度下降，甲醛和VOC释放浓度大幅下降；第31天恢复供暖后，浓度持续上升至停暖前水平并在1周后逐渐下降，但在试验供暖周期结束时浓度仍处于较高水平，分别为0.03和0.72 mg·m^-3(图 4)。

图 4 试验期间室内甲醛和VOC浓度变化 Figure 4 The concentration changes of formaldehyde and VOC during the test

除了供水温度和流量外，在整个试验期间也对室外温度和室内相对湿度进行了记录和分析。从50 ℃供暖周期的参数变化可以看出，甲醛和VOC释放浓度与室外温度和室内相对湿度具有一定正相关性，但其波动幅度较小(图 5、6)。

图 5 50 ℃供暖周期区域5不同垂直高度温度、甲醛和VOC浓度及室外温度变化 Figure 5 Vertical temperature, formaldehyde and VOC concentration and outdoor temperature changes of area 5 during the 50 ℃ heating period

图 6 50 ℃供暖周期VOC浓度和室内相对湿度变化 Figure 6 The concentration of VOC and relative humidity changes during the 50 ℃ heating period

在以50 ℃恒定水温供暖的初始48 h，随着地板表面温度和室内温度不断升高，甲醛和VOC释放浓度逐渐增大，并且与温度具有很好的线性相关性(图 7)。加热开始阶段，地板表面温度为27.92 ℃，室内温度为20.10 ℃，二者温差为7.82 ℃，随着供暖时间增加，温差逐渐稳定在5.8 ℃左右。室内甲醛和VOC释放浓度从初始室温20.10 ℃时的0.02和0.75 mg·m^-3分别上升至24.38 ℃时的0.08和0.99 mg·m^-3。初始阶段结束，地板表面和室内温度均缓慢上升并逐渐稳定，在130 h时由于受室外降温影响，二者均在之后的20 h下降约2 ℃，而后又有缓慢上升；在这期间，甲醛和VOC释放浓度也随温度变化出现相应波动(图 5)。

图 7 50 ℃供暖初期甲醛和VOC在不同地板表面和室内温度时的浓度变化 Figure 7 The concentration changs of formaldehyde and VOC at different floor surface temperature and indoor temperature during the 50 ℃ heating period

当以50 ℃恒定水温供暖时，60~105 h地板表面和室内温度分别稳步上升2.1和1.9 ℃，但甲醛和VOC释放浓度却在60~70 h分别从0.08和0.93 mg·m^-3下降到0.06和0.81 mg·m^-3，并且一直保持在该浓度水平直至105 h(图 5)。有研究显示，在气候箱测试中，随着相对湿度提高，地板有机污染物的释放浓度可升高1.1~3.5倍(Lin et al., 2009)。考虑到本研究中供水温度、流量等参数均为固定值，只有湿度有明显变化，所以甲醛和VOC释放浓度下降应该与湿度相关。60~105 h相对湿度从38.2%下降到30.4%，之后变动范围在30.4%~34.8%之间，与甲醛和VOC释放浓度的下降趋势较为吻合，120~ 130 h相对湿度的明显升高和130 h之后的下降也与浓度变化趋势较一致(图 6)；但由于试验时室内温度不是恒定值，因此只能判断浓度与湿度变化具有正相关性，但相关系数及模型没有办法从已有试验数据获得，有待进一步研究。

本试验无附加新风系统，在50 ℃恒定水温供暖条件下，采取开窗自然通风，6 h后甲醛释放浓度从0.03下降到0.01 mg·m^-3，VOC释放浓度从0.72下降到0.50 mg·m^-3，室内空气品质达到标准。后期试验可增加空气交换率这一影响因素，进一步研究换气次数对室内空气质量的改善效果。

实木复合地板供暖系统兼具节能与舒适效果，但是地板中的有机污染物释放量会随着地板供水温度升高明显增加，当供水温度分别设定为40和50 ℃时，实木复合地板的VOC释放浓度峰值分别为0.86和1.01 mg·m^-3，甲醛释放浓度峰值分别为0.05和0.11 mg·m^-3。甲醛和VOC释放浓度在供暖初期与地板表面和室内温度具有线性相关性，同时与相对湿度也具有正相关性，在温度缓慢上升的时间段，随着相对湿度下降，浓度也呈现下降趋势；但由于试验时室内温度不恒定，所以不能定量分析浓度与相对湿度的相关性。本研究采用的实木复合地板在之前的检测报告中甲醛释放量小于国家标准，但用于地采暖以50 ℃恒定水温运行时，室内空气中甲醛浓度峰值达到0.05 mg·m^-3。由此可见，一些常规针对实木复合地板的检测方法不能完全模拟地板采暖环境，检测合格的产品在实际使用时也可能造成室内有机污染物含量超标，因此建议在相关标准中增加更符合实际使用情况的地采暖用实木复合地板甲醛和VOC释放量检测方法，以保障人们健康。