關(guān)于機(jī)械通風(fēng)與自然通風(fēng)對室內(nèi)環(huán)境營造差異性的探討
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作者：鄭曉敏
人在其一生中90%的時(shí)間都生活在建筑中，維持良好的室內(nèi)空氣質(zhì)量的對于人員的健康、舒適、高品質(zhì)的生活至關(guān)重要。通風(fēng)是一種通過引入室外空氣來維持良好室內(nèi)空氣品質(zhì)及熱濕環(huán)境的重要手段。污染源來源于室內(nèi)外．室內(nèi)源包括人體、炊事、裝修、家具等產(chǎn)生各種可揮發(fā)性有機(jī)物( Volatile Organic Compounds，VOCs)、半揮發(fā)性有機(jī)物、顆粒物，以及C02等，而且近年來室內(nèi)散發(fā)源呈逐年增長的趨勢。為了保證良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)，國內(nèi)外均對辦公建筑的最小新風(fēng)量提出要求。我國GB 50736-2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》中強(qiáng)調(diào)建筑機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)要保證足夠的新風(fēng)量。規(guī)范中對我國公共建筑和居住建筑的最小新風(fēng)量進(jìn)行了規(guī)定，辦公室的人均最小新風(fēng)量為30 m3/h。美國、日本、歐洲等多國家也制定各自的對最小新風(fēng)量要求。美國暖通空調(diào)制冷工程師協(xié)會(huì)，在國際暖通行業(yè)具有較高權(quán)威，其對辦公建筑室內(nèi)新風(fēng)量也給出了規(guī)定。
在不同時(shí)刻，由于室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)、溫濕度的差異，通風(fēng)會(huì)對室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生兩種截然不同效果。在大多數(shù)情況下，室內(nèi)污染物如CO，、細(xì)題粒物( Particulate Matter 2.5，PM2.5)、VOC等濃度都低于室外濃度，因此通風(fēng)換氣可以排除室內(nèi)污染物，維持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)。值得注意的是，當(dāng)室外出現(xiàn)嚴(yán)重污染時(shí)，如霧霾天氣、PM25濃度超標(biāo)時(shí)，通風(fēng)換氣會(huì)引入更多的污染物。通風(fēng)換氣除了影響室內(nèi)空氣品質(zhì)，對室內(nèi)的熱濕環(huán)境和供暖空調(diào)能耗也有很大影響。當(dāng)室外溫濕度適宜時(shí)，通風(fēng)換氣可以有效排除室內(nèi)產(chǎn)生的余熱余濕，從而可以減少空氣開啟的時(shí)間，降低空調(diào)能耗。然而，當(dāng)室外高溫高濕或寒冷時(shí)，通風(fēng)會(huì)造成室內(nèi)熱濕負(fù)荷或冷負(fù)荷，導(dǎo)致空調(diào)能耗增大。因此，通風(fēng)換氣具有兩重性，在合適的時(shí)間通風(fēng)可以營造良好的室內(nèi)環(huán)境，并且降低空調(diào)能耗，如果采用不適宜的通風(fēng)策略反而會(huì)增加室內(nèi)污染程度，增大空調(diào)能耗。所以，選擇一種合適的通風(fēng)方式對室內(nèi)環(huán)境的營造和建筑能耗有非常重大的意義。
通過開窗的自然通風(fēng)方式與機(jī)械通風(fēng)方式是兩種不同的室內(nèi)環(huán)境營造方向和理念，室內(nèi)外溫度差異、起風(fēng)引起的室內(nèi)外壓力驅(qū)動(dòng)下的通風(fēng)。自然通風(fēng)的建筑主要通過用戶調(diào)整通風(fēng)窗口的開閉來控制通風(fēng)量的大小，這種通風(fēng)方式在中國廣泛采用。其主要優(yōu)點(diǎn)為簡單、經(jīng)濟(jì)、使用者可以自主調(diào)節(jié)，缺點(diǎn)是在室外溫濕度過熱或過冷，以及污染物濃度偏高時(shí)，自然通風(fēng)可能會(huì)造成室內(nèi)空氣質(zhì)量下降或者能耗增加，而且不是所有的建筑都可以實(shí)現(xiàn)有效的自然通風(fēng)，比如對于某些進(jìn)深大的建筑而言，很難實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)。機(jī)械通風(fēng)是指利用電力設(shè)備例如風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)目的的方式，其優(yōu)點(diǎn)是可以控制新風(fēng)的溫濕度和送風(fēng)量，對室外空氣進(jìn)行過濾，降低室外環(huán)境的影響。但是機(jī)械通風(fēng)能耗比較高，而且風(fēng)道和過濾網(wǎng)有顆粒物沉積，容易產(chǎn)生二次污染。機(jī)械通風(fēng)是一種連續(xù)、定量、恒定的通風(fēng)方式，而自然通風(fēng)是間歇、不定量、反饋式的通風(fēng)方式。這兩種通風(fēng)方式都有各自的優(yōu)勢和劣勢，在不同的氣候區(qū)、建筑類型下有不同的適用性。因此，需要對2種不同的通風(fēng)方式的差異性進(jìn)行分析。
然而，自然通風(fēng)問題是一個(gè)復(fù)雜的課題。由于開窗行為具有隨機(jī)性，受到室內(nèi)外參數(shù)及人心理的影響，通風(fēng)量也具有不確定性，如果使用實(shí)驗(yàn)的方法來探究自然通風(fēng)的規(guī)律及對室內(nèi)環(huán)境的營造存在較大困難，所以需要采用模擬計(jì)算的方法對自然通風(fēng)問題進(jìn)行研究。而且，開窗是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，在模擬計(jì)算過程中上一時(shí)刻的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)會(huì)影響到開窗行為，窗戶的開啟關(guān)閉狀態(tài)也會(huì)影響當(dāng)前時(shí)刻的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和空調(diào)能耗。所以通風(fēng)問題的模擬計(jì)算需要考慮多個(gè)參數(shù)以及人行為的影響，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)問題的動(dòng)態(tài)模擬過程。
本文希望基于實(shí)測數(shù)據(jù)搭建起多參數(shù)的通風(fēng)問題模擬計(jì)算平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)問題的動(dòng)態(tài)模擬過程，并應(yīng)用此平臺(tái)對對夏季位于北京的中小型辦公建筑在采用不同通風(fēng)方式的情況下溫度、通風(fēng)量、C02濃度和冷負(fù)荷進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對比分析探討2種通風(fēng)方式的差異及適宜性。
1 研究思路
本文的研究內(nèi)容主要包含4個(gè)部分，如圖1所示。
1)實(shí)測調(diào)研：首先基于大量的實(shí)測調(diào)研，了解現(xiàn)有分別采用自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)2種通風(fēng)模式的辦公建筑室內(nèi)CO：濃度水平，并以此作為判斷室內(nèi)空氣品質(zhì)的指標(biāo)。其次對中小型辦公建筑在開窗和關(guān)窗兩種情況下的換氣次數(shù)進(jìn)行測試。并且對辦公建筑內(nèi)人員的開窗行為進(jìn)行的問卷調(diào)研。
2)模擬平臺(tái)的搭建：首先基于人員開窗問卷的調(diào)研結(jié)果和大量文獻(xiàn)調(diào)研建立起開窗人行為模塊，以5min模擬步長、且考慮人員位移情況的DeST軟件為核心，建成通風(fēng)模擬平臺(tái)作為本文研究的工具。
3)模擬計(jì)算：應(yīng)用此平臺(tái)進(jìn)行通風(fēng)問題的模擬計(jì)算，將典型案例設(shè)置輸入到通風(fēng)模擬平臺(tái)中，可得到室內(nèi)溫濕度、C02濃度和冷量，作為下一步差異性分析的基礎(chǔ)。
4)對比分析：分別對模擬計(jì)算結(jié)果和實(shí)測調(diào)研結(jié)果進(jìn)行分析，得到自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)在營造室內(nèi)環(huán)境的差異。
2 實(shí)測與調(diào)研
2.1 室內(nèi)C02濃度測試
為了深入了解不同通風(fēng)方式下實(shí)際室內(nèi)環(huán)境狀況的差異，清華大學(xué)2013年暑期對北京的8棟自然通風(fēng)的辦公樓，以及北京、廣州、香港地區(qū)的10棟機(jī)械通風(fēng)的辦公樓室內(nèi)逐時(shí)溫濕度、C02濃度、開窗狀態(tài)等進(jìn)行了測試，并采用C02作為表征室內(nèi)污染物濃度的一個(gè)總體指標(biāo)，用以分析不同通風(fēng)方式下的室內(nèi)環(huán)境水平。
本次調(diào)研測試共選取位于北京地區(qū)的8棟自然通風(fēng)辦公建筑，進(jìn)行了室內(nèi)逐時(shí)溫濕度、C02濃度和開窗狀態(tài)等測試，其中測試案例建筑的基礎(chǔ)信息如表1所示。
圖2為此8個(gè)案例建筑CO，室內(nèi)濃度范圍的測試結(jié)果對比，可以看到大多數(shù)案例的C02濃度可以控制在1 200×10“以下，基本滿足室內(nèi)需求。
本次調(diào)研測試同時(shí)也選取了位于北京、廣州、香港地區(qū)的10棟機(jī)械通風(fēng)辦公建筑，進(jìn)行了室內(nèi)逐時(shí)溫濕度、CO，濃度和開窗狀態(tài)等測試，測試案例的新風(fēng)系統(tǒng)在工作時(shí)間段內(nèi)連續(xù)工作，其中建筑的基礎(chǔ)信息如表2所示。
圖3為此10個(gè)機(jī)械通風(fēng)案例建筑C02室內(nèi)濃度范圍的測試結(jié)果對比，可以看到與自然通風(fēng)案例類似，大多數(shù)案例的C02濃度可以控制在1 200×10“以下，基本滿足室內(nèi)需求。從另一個(gè)角度來看，在本次調(diào)研測試的案例中，自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)案例的室內(nèi)C02濃度差異不大。
筆者在測試過程中發(fā)現(xiàn)，在采用機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的建筑中，如果室內(nèi)人數(shù)不固定，在某一時(shí)刻出現(xiàn)室內(nèi)人數(shù)突然增加，且超過設(shè)計(jì)值的情況，這時(shí)室內(nèi)的C02濃度會(huì)顯著增加，如圖4所示。
通過以上案例測試的工作，可以看到自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)案例的室內(nèi)CO：濃度差異不大，而且機(jī)械通風(fēng)方式對室內(nèi)人數(shù)變化的適應(yīng)性較差。
2.2換氣次數(shù)測試
2014年5—6月，對清華大學(xué)1個(gè)辦公室的關(guān)窗時(shí)換氣次數(shù)進(jìn)行2次測試，并且對清華大學(xué)6個(gè)中小型辦公室的開窗通風(fēng)量進(jìn)行了測試，盡量選擇室外無風(fēng)、室內(nèi)外溫差較小的時(shí)間進(jìn)行測試。
2.2.1 窗戶氣密性測試
采用示蹤氣體濃度衰減法[12]進(jìn)行測試，使用于冰作為CO2釋放源，使得室內(nèi)CO2濃度達(dá)到2 000×10-6以上，并用風(fēng)扇攪拌均勻，之后拿走CO2釋放源，在室內(nèi)外布置CO2自記儀，記錄CO2濃度衰減情況。分別在2014年5月9日和13日進(jìn)行兩次測試，測試結(jié)果如圖5所示。
根據(jù)實(shí)測結(jié)果可以看出，辦公室A關(guān)窗時(shí)的換氣次數(shù)為0.3次/h到0.5次/h。由于關(guān)窗時(shí)的換氣次數(shù)與室外環(huán)境、窗戶性能都有關(guān)系，不是一個(gè)確定的參數(shù)，但在本文中選取關(guān)窗時(shí)換氣次數(shù)為0.3次/h。
2.2.2 開窗換氣次數(shù)測試
采用恒定釋放量法來測試開窗時(shí)辦公室的換氣次數(shù)，在房間中間放置1個(gè)CO2恒定速率釋放源，打開房間內(nèi)窗戶，并在房間內(nèi)放置CO2自記儀，記錄下房間內(nèi)CO2濃度變化。選擇干冰作為恒定速率釋放源，可以根據(jù)測試前后于冰的重量變化計(jì)算得到其升華速率為m，單位是kg/s，相應(yīng)的CO2釋放速率可以根據(jù)式(1)計(jì)算得到：
式中：Vm為CO2的摩爾體積，m3/mol;M。為CO2的摩爾質(zhì)量，kg/mol。
一段時(shí)間后房間內(nèi)CO2濃度恒定時(shí)，房間的換氣次數(shù)為：
式中：C/n、Cout分別代表室內(nèi)外CO：濃度，10 -6；y代表房間內(nèi)空氣的體積，m3，考慮到房間內(nèi)有家具等物體，V應(yīng)該等于房間體積乘以一個(gè)比例系數(shù)B，本文中取B=0.7。
6個(gè)辦公室的開窗通風(fēng)量測試結(jié)果匯總見圖6�？傮w來說，在室外無風(fēng)、室內(nèi)外溫差的條件下，本次測試的6個(gè)辦公室可以實(shí)現(xiàn)較大的換氣次數(shù)，最大可以達(dá)到7次/h，最小的也可以達(dá)到近3次/h，選擇5次/h作為開窗通風(fēng)時(shí)換氣次數(shù)。
2.3開窗行為問卷調(diào)研
2.3.1 問卷基本信息
2013年建筑節(jié)能研究中心DeST課題組完成了關(guān)于中國城鎮(zhèn)辦公室內(nèi)用能方式的調(diào)研問卷。此次調(diào)研共收回有效問卷736份，地點(diǎn)遍布全國（見圖7）。
本次調(diào)研的辦公室中的64%是中小型辦公室，即5人及5人以下辦公室，其余36%是大辦公室，即5人以上辦公室。此外，大部分辦公室都有外窗，且外窗可以開啟，這一比例達(dá)到95%，有外窗且不可開啟的數(shù)量與無外窗的數(shù)量之和占據(jù)了整體問卷比例的5%。
2.3.2 開窗行為問卷
對問卷中關(guān)于開窗行為的選項(xiàng)進(jìn)行分析整理，由于開窗的影響因素較多，本次問卷中設(shè)置了7個(gè)選項(xiàng)，如表3所示，且可以同時(shí)選擇多個(gè)選項(xiàng)。如圖8所示，開窗的主要影響因素是表3中3、4、6項(xiàng)3種模式，即覺得屋里悶或有異味時(shí)開窗，覺得屋子里熱就開和上班剛進(jìn)入辦公室就開窗。說明影響開窗的主要因素是到達(dá)辦公室這個(gè)事件，室內(nèi)溫度和空氣品質(zhì)。實(shí)際開窗行為可能是受到多因素的影響，比如選擇34選項(xiàng)，代表著溫度和室內(nèi)空氣品質(zhì)都會(huì)引起開窗的動(dòng)作。
2.3.3 關(guān)窗行為問卷
與開窗行為的處理方式相同，對問卷中關(guān)于關(guān)窗行為的選項(xiàng)進(jìn)行分析整理，本次問卷中設(shè)置了7個(gè)關(guān)窗行為選項(xiàng)，如表4所示，且可以同時(shí)選擇多個(gè)選項(xiàng)。
如圖9所示，3、4、5、6項(xiàng)為主要的關(guān)窗方式，即室內(nèi)溫度偏高／偏低、室外環(huán)境不好、開空調(diào)關(guān)窗和下班離開辦公室是影響關(guān)窗行為的主要因素。
3模擬平臺(tái)的搭建
這個(gè)模擬計(jì)算平臺(tái)以DeST軟件為核心，在DeST的基礎(chǔ)中增加了開窗人行為模塊，實(shí)現(xiàn)了出多參數(shù)相互作用的動(dòng)態(tài)模擬過程。將全年的室外環(huán)境參數(shù)、人員信息和時(shí)刻r的開空調(diào)、開窗人行為輸入到短步長DeST模擬計(jì)算軟件中，可以計(jì)算得到時(shí)刻下的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，比如溫濕度、CO2濃度、VOC濃度和PM2，s/PM，。濃度等，以及空調(diào)冷量／熱量和通風(fēng)量。之后將時(shí)刻丁的室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)輸入到人行為模塊中，結(jié)合當(dāng)前時(shí)刻人員及各設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行判斷得到T+l時(shí)刻的相應(yīng)動(dòng)作，再將T+l時(shí)刻的開空調(diào)、開窗人行為輸入到DeST中，計(jì)算得到時(shí)刻T+l的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)和空調(diào)冷量／熱量及通風(fēng)量，按照此方法循環(huán)，直到完成全年的動(dòng)態(tài)模擬過程。
3.1 DeST及其人行為模塊
DeST是建筑環(huán)境及暖通空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)模擬的軟件平臺(tái)，該平臺(tái)以清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系環(huán)境與設(shè)備研究所十余年的科研成果為理論依據(jù)，為建筑環(huán)境的相關(guān)研究和建筑環(huán)境的模擬預(yù)測、性能評(píng)估提供了方便實(shí)用可靠的軟件工具，在國內(nèi)外的應(yīng)用日趨廣泛。
本研究以5 min時(shí)間步長的DeST版本為核心模擬工具，并且采用了DeST軟件中的人員位移模塊計(jì)算得到室內(nèi)人員作息情況，以及照明、空調(diào)人行為模塊計(jì)算得到相應(yīng)的作息。
3.2開窗人行為模塊
開窗人行為模塊參考文獻(xiàn)，采用的動(dòng)作模型基于事件觸發(fā)，以時(shí)間和環(huán)境作為自變量，通過概率函數(shù)描述開／關(guān)窗動(dòng)作與影響因素之間的關(guān)系，把這個(gè)概率輸入到模擬計(jì)算軟件中，判斷是否可以開／關(guān)窗，模擬計(jì)算得到當(dāng)前時(shí)刻耗冷／熱量和室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，結(jié)合人員位移和窗戶、空調(diào)狀態(tài)等，進(jìn)行下一時(shí)刻開窗行為的判斷。
將開／關(guān)窗動(dòng)作分為3種基本類型。第一類動(dòng)作和時(shí)間相關(guān)，開／關(guān)窗動(dòng)作發(fā)生某一特定的時(shí)刻，比如上班開窗下班關(guān)窗，開空調(diào)會(huì)關(guān)窗等。第二類動(dòng)作與環(huán)境參數(shù)相關(guān)，開／關(guān)窗發(fā)生在特定的環(huán)境中，是對環(huán)境做出的反饋，比如熱了開窗，開窗后室溫仍然很高則關(guān)窗等。第三類動(dòng)作與時(shí)間和環(huán)境都沒有明顯的關(guān)系，則認(rèn)為它是完全隨機(jī)的。
用概率函數(shù)來描述當(dāng)前時(shí)刻開／關(guān)窗動(dòng)作與各個(gè)影響因素之間的關(guān)系，根據(jù)王闖博士的論文中描述，本研究也采用“無記憶性”假設(shè)，認(rèn)為開／關(guān)窗動(dòng)作僅與當(dāng)前時(shí)刻的參數(shù)有關(guān)，與之前T-l時(shí)刻的狀態(tài)無關(guān)。
基本形式見式(3)：
P，（窗戶開啟／關(guān)閉）=F（系統(tǒng)狀態(tài)，窗戶狀態(tài)） (3)
式中：P，代表丁時(shí)刻窗戶要開啟／關(guān)閉的概率；F為概率函數(shù)，代表窗戶開啟／關(guān)閉這一動(dòng)作與各種影響因素之間的函數(shù)關(guān)系；系統(tǒng)狀態(tài)為房間人員狀態(tài)、室
內(nèi)外環(huán)境參數(shù)、以及其他設(shè)備所處的狀態(tài)；窗戶狀態(tài)為窗戶在開窗／關(guān)窗動(dòng)作發(fā)生前的運(yùn)行狀態(tài)。
本文主要考慮兩類概率函數(shù)：
1)與環(huán)境相關(guān)的動(dòng)作發(fā)生受到環(huán)境因素( CO2濃度、室內(nèi)溫濕度、PM：．，/PM．。等)的影響，這類動(dòng)作的發(fā)生概率可以用反饋型條件函數(shù)表示，具體形式見式(4)：
式中：z代表環(huán)境參數(shù)（T/d，CO2，VOC等）；是閾值參數(shù)，表征人體感受環(huán)境刺激的閾值特征；Z、k是與環(huán)境參數(shù)z和時(shí)間無關(guān)的常數(shù)；是時(shí)間步長。
2)時(shí)間相關(guān)的動(dòng)作僅與時(shí)間相關(guān)，發(fā)生在某些特定時(shí)刻，比如進(jìn)辦公室開窗，這些動(dòng)作的發(fā)生也是不確定的，可以用時(shí)間性條件概率來描述這類動(dòng)作發(fā)生的概率，體形式見式(5)所示：
式中：丁是時(shí)間變量；丁。是某一特殊時(shí)刻，比如到達(dá)／離開辦公室。
通過之前的問卷調(diào)研發(fā)現(xiàn)，開／關(guān)窗動(dòng)作受到多因素共同作用，需要考慮各因素的耦合關(guān)系和聯(lián)合作用。我們假設(shè)開窗或關(guān)窗動(dòng)作受到n個(gè)因素z．，X2，…，z。的影響，這n個(gè)影響因素是獨(dú)立的，得到式(6)的函數(shù)形式：
在實(shí)際使用過程中，可以根據(jù)問卷獲得用戶開窗／關(guān)窗行為模式，選擇對應(yīng)的函數(shù)形式，再通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析得到該模式下的開窗曲線和關(guān)窗曲線，作為模擬計(jì)算的基礎(chǔ)。
3.3室內(nèi)C02濃度計(jì)算模塊
根據(jù)質(zhì)量守恒方程，房間i內(nèi)C02的變化量為：
式中：C。為房間；內(nèi)CO：濃度，10“；Cj為鄰室J的 CO2年濃度，10“；Cou,為室外CO：濃度，10“；Gi,o。。為房間i與室外的通風(fēng)量，IT13/s;G．，，為房間；與房間j之間的通風(fēng)量，II13lS；r為時(shí)間，s；y：為房間i的體積，m3；贏．為房間i內(nèi)CO：產(chǎn)生量，IIl3/S。
對上式采用差分法進(jìn)行簡化，房間i內(nèi)下時(shí)刻的CO2濃度的計(jì)算公式如下：
需要輸入時(shí)間步長AT，房間體積，當(dāng)前時(shí)刻自然通風(fēng)和房間互通風(fēng)量，室外CO2濃度，其他房間上一時(shí)刻CO2濃度和CO2產(chǎn)生量，即可得到當(dāng)前時(shí)刻房間i的CO2濃度。式(8)中參數(shù)的選取見下文。
1)時(shí)間步長、房間體積和室外CO：濃度的選擇
時(shí)間步長和房間體積可以根據(jù)模型得到，室外CO2濃度直接讀取。根據(jù)測試結(jié)果，室外CO2濃度一般處于350×10-6~450×10“的范圍內(nèi)，在CO2計(jì)算模塊中，認(rèn)為室外CO2濃度為400×10-6，用戶可以根據(jù)當(dāng)?shù)厍闆r自行修改。
2)通風(fēng)量和各房間C02濃度的選擇
通風(fēng)量可以根據(jù)人行為開窗模塊計(jì)算得到，根據(jù)3.2節(jié)中對換氣次數(shù)的測試結(jié)果，在本文中選取關(guān)窗時(shí)換氣次數(shù)為0.3次/h，5次/h作為開窗通風(fēng)時(shí)換氣次數(shù)。各房間CO2濃度可以根據(jù)CO2計(jì)算模塊得到。
3) C02產(chǎn)生量的選擇
認(rèn)為室內(nèi)CO2釋放源為人體，中國人的CO：釋放量的計(jì)算公式見式(9) ：
式中：RQ為呼吸商，代表著人體呼吸產(chǎn)生的CO：與消耗的O2的比例，一般輕體力勞動(dòng)下RQ取值為0. 83;M為單位人體表面積新陳代謝率，W／m 2，靜坐時(shí)M取值58 W／m 2;日為人的身高，m，形是人的體重，kg，選取2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals給出的典型人的身高體重作為參數(shù)，日= 1.75 m，形=65 kg;p是中國人的CO2釋放量修正系數(shù)，對于男性口取值0.9，對于女性盧取值0.8，本文選擇男性作為研究對象，B=0.9。
計(jì)算得到人體CO2釋放量贏=14 L/h，本文采用14 L/h怍為人體C02釋放量。
4典型案例的模擬計(jì)算
4.1 案例設(shè)置與建模
4.1.1 建筑信息
本文主要對北京地區(qū)一棟中小型辦公建筑5月1日~ 10月31日期間進(jìn)行模擬計(jì)算，得到這段時(shí)間的開窗開空調(diào)情況，室內(nèi)溫濕度、CO2濃度，及空調(diào)耗冷量。應(yīng)用搭建的通風(fēng)室內(nèi)環(huán)境模擬平臺(tái)，對北京夏季中小型辦公建筑的通風(fēng)問題進(jìn)行對比分析。
案例建筑是一棟位于北京的3層中小型辦公建筑，每層有3個(gè)房間和1個(gè)走廊，我們選取房間A為研究對象，房間A位于該建筑的2層中間位置，僅有一面外墻，如圖10所示。建筑的主要信息如表5所示。表中列出案例建筑的所在地、樓層數(shù)、層高、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、空調(diào)方式、空調(diào)設(shè)定溫度、典型房間空調(diào)面積等基本信息。房間A常駐人員2人，工作時(shí)間為7:00~ 22:00。
4.1.2 人員作息及照明、空調(diào)作息
建筑內(nèi)人員作息情況根據(jù)DeST人員作息模塊計(jì)算得到，我們需要進(jìn)行房間設(shè)定和人員設(shè)定，計(jì)算夏季和過渡季即5月1日~ 10月31日之間的人員作息，計(jì)算得到5月1日~ 10月31日的人員分布概率如圖11所示。值得說明的是，計(jì)算得到的人員頻次中包括夜間和周末的人數(shù)。
照明為與工作時(shí)間一致的固定作息，即7:00~22:00開啟。
辦公建筑A采用機(jī)械通風(fēng)的方式，空調(diào)系統(tǒng)工作時(shí)間7:00~ 22：00開啟，空調(diào)設(shè)定溫度為18~26℃。
辦公建筑B采用自然通風(fēng)方式，可以采用更為靈活的空調(diào)開啟模型，而且自然通風(fēng)可以帶來室內(nèi)人員對舒適溫度的范圍增大，因此設(shè)定超過29℃時(shí)開啟空調(diào)，當(dāng)室外溫度適宜時(shí)或者人員離開房間關(guān)閉空調(diào)。
4.1.3 通風(fēng)作息
辦公建筑A采用機(jī)械送風(fēng)的方式，通風(fēng)固定作息，上班時(shí)間8:00~ 22：00換氣次數(shù)為0.7次/h，其余時(shí)間換氣次數(shù)為0.3次/h；辦公建筑B采用開窗通風(fēng)的方式，開窗時(shí)換氣次數(shù)為5次/h，關(guān)窗時(shí)換氣次數(shù)為0.3次/h。
本文選擇一種比較節(jié)能的通風(fēng)模式，開窗／關(guān)窗模式均根據(jù)室外溫度、C02濃度以及人員在室情況判斷是否開窗／關(guān)窗，由于本文并沒有對開窗概率曲線進(jìn)行實(shí)際測試，僅依據(jù)經(jīng)驗(yàn)給出各種模式下概率曲線。
4.2分析計(jì)算
4.2.1CO2濃度對比
計(jì)算得到5月1日~ 10月31日室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，在這期間機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)室內(nèi)CO：濃度分布圖如圖12所示。由于室內(nèi)人數(shù)是逐時(shí)變化的，所以室內(nèi)C02濃度也是在400 x10-6—1 200 x10“的范圍內(nèi)波動(dòng)，機(jī)械通風(fēng)和自然通風(fēng)室內(nèi)CO2濃度水平相近，都可以維持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)，但是自然通風(fēng)的室內(nèi)C02濃度更低，基本上聚集在400×10-6~500 x10“的范圍內(nèi)。
選擇室內(nèi)人數(shù)變化較大的一天，開窗通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)室內(nèi)C02濃度如圖13所示。開窗通風(fēng)可以保持較低濃度的CO，濃度水平，尤其是在室內(nèi)人數(shù)增加時(shí)可以滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)的需求，機(jī)械通風(fēng)的CO，要明顯高于開窗通風(fēng)，且在室內(nèi)人數(shù)超過設(shè)計(jì)值時(shí)室內(nèi)空氣品質(zhì)較差。
對于機(jī)械通風(fēng)方式，在通風(fēng)量足夠大，且室內(nèi)人數(shù)固定的情況下，室內(nèi)空氣品質(zhì)可以得到滿足。然而，如果室內(nèi)人數(shù)是變化的情況下，當(dāng)室內(nèi)人數(shù)增加時(shí)會(huì)造成室內(nèi)空氣品質(zhì)下降的情況，同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)室內(nèi)無人、過量通風(fēng)的情況。
對于自然通風(fēng)方式，當(dāng)窗戶面積足夠大時(shí)可以維持良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)，而且自然通風(fēng)對室內(nèi)的人數(shù)變化具有良好適應(yīng)能力。
4.2.2 室內(nèi)溫度和冷量對比
通風(fēng)直接影響著室內(nèi)冷負(fù)荷，影響到空調(diào)供冷能耗。在這里我們主要考慮通風(fēng)對過渡季和夏季空調(diào)供冷能耗的影響。自然通風(fēng)是1種間歇的通風(fēng)方式，可以選擇適宜的時(shí)間開窗，比如在過渡季或者夏季夜間，開窗通風(fēng)對于維持室內(nèi)良好的空氣品質(zhì)及降低空調(diào)能耗都是有利的。如果為了滿足室內(nèi)良好的空氣品質(zhì)不得不在室外環(huán)境過熱的情況下開窗通風(fēng)，由于空調(diào)容量的限制，此時(shí)空調(diào)冷負(fù)荷的增長并不是和通風(fēng)量成正比的，雖然此刻通風(fēng)量很大，室內(nèi)空調(diào)能耗不至于增長過多，但是此時(shí)室內(nèi)溫度可能會(huì)超出設(shè)定值．但是不至于超出過多。
圖15中典型日的室外溫度范圍是20~ 35 0C之間，早晨開窗可以維持適宜的室內(nèi)溫度和空氣品質(zhì)，當(dāng)室外溫度升高到一定值時(shí)，窗戶關(guān)閉，然后在下午時(shí)為了維持室內(nèi)良好的空氣品質(zhì)，需要打開窗戶引入新風(fēng)，此時(shí)室外溫度較高，開窗會(huì)來帶空調(diào)能耗的增加，但是由于耗冷量并不與通風(fēng)量成正比，所以不會(huì)導(dǎo)致耗冷量的巨大增加。
5月1日~ 10月31日的累積耗冷量如圖16所示，可以看出，開窗通風(fēng)的累積冷負(fù)荷與機(jī)械通風(fēng)相比較低。
5通風(fēng)方式的對比
機(jī)械通風(fēng)方式和自然通風(fēng)方式是2種不同的室內(nèi)環(huán)境營造的方式，機(jī)械通風(fēng)是一種定量的、恒定的、連續(xù)的通風(fēng)方式，而自然通風(fēng)是不定量、間歇、反饋式的通風(fēng)方式，通過模擬手段加深對這2種通風(fēng)方式差異性的理解，探究北京夏季中小型辦公建筑中這兩種通風(fēng)方式在室溫、CO2濃度和冷負(fù)荷方面的差異，主要結(jié)論如下：
1)在本案例中，開窗通風(fēng)時(shí)室內(nèi)CO，濃度與機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的水平相同，而且可以很好的適應(yīng)人員數(shù)量變化帶來的新風(fēng)量需求，而機(jī)械通風(fēng)在室內(nèi)人員數(shù)量突然增加時(shí)出現(xiàn)C02濃度超標(biāo)的現(xiàn)象；
2)在室內(nèi)溫度基本滿足要求的情況下，開窗通風(fēng)的冷負(fù)荷普遍低于機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。開窗通風(fēng)依靠使用者直接參與調(diào)節(jié)控制，當(dāng)室外出現(xiàn)極端高溫或空氣品質(zhì)差的天氣，用戶可以通過調(diào)整開窗時(shí)間實(shí)現(xiàn)空氣品質(zhì)和溫度的需求平衡，這可以使極端天氣下能耗降低，同時(shí)室內(nèi)空氣質(zhì)量基本滿足需求。同時(shí)當(dāng)室內(nèi)無人時(shí)，開窗通風(fēng)的案例中空調(diào)不開啟，降低空調(diào)能耗，而機(jī)械通風(fēng)需要在工作時(shí)間維持定量連續(xù)的通風(fēng)。如果考慮到機(jī)械通風(fēng)的風(fēng)機(jī)能耗，開窗通風(fēng)的能耗將大幅低于機(jī)械通風(fēng)的案例；
3)在本案例中，自然通風(fēng)方式的室內(nèi)空氣品質(zhì)與機(jī)械通風(fēng)的水平相近，而且能耗低于機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)。因而，對于具有室內(nèi)人員密度低、人員活動(dòng)隨機(jī)性大、房間進(jìn)深小等特點(diǎn)的中小型辦公建筑而言，自然通風(fēng)方式要優(yōu)于機(jī)械通風(fēng)方式。
6[摘要]
通風(fēng)換氣對營造室內(nèi)環(huán)境有著重要作用，同時(shí)對室內(nèi)熱濕環(huán)境與供暖空調(diào)能耗也有很大影響。通風(fēng)對室內(nèi)空氣質(zhì)量具有兩重性，可以排除室內(nèi)污染，又在室外出現(xiàn)嚴(yán)重污染時(shí)引入室外污染；對供暖空調(diào)能耗也具有兩重性，室外環(huán)境好時(shí)可以節(jié)能，室外環(huán)境差時(shí)增加能耗�，F(xiàn)有的通風(fēng)方式主要有自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)兩種，機(jī)械通風(fēng)是一種定量持續(xù)恒定的通風(fēng)方式，而自然通風(fēng)是一種不定量間歇反饋的方式，這兩種通風(fēng)方式在營造室內(nèi)環(huán)境上存在很多差異。本文以北京夏季的中小型辦公建筑為典型案例進(jìn)行模擬計(jì)算，通過對比分析兩種通風(fēng)方式的C07濃度、溫度及冷負(fù)荷，探討兩種通風(fēng)方式的差異及適宜性。
