關(guān)于實際居住條件下的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境的研究
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作者：張毅
目前我國的居住建筑中較少采用機(jī)械通風(fēng)設(shè)備，主要依靠打開門窗時的自然通風(fēng)或關(guān)閉門窗時的自然滲風(fēng)來滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)要求。隨著我國居住建筑中圍護(hù)結(jié)構(gòu)氣密性的不斷提高和家裝業(yè)的普及，室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境相關(guān)問題逐漸增多，在門窗關(guān)閉情況下僅僅依靠門窗自然滲風(fēng)在不少情況下已無法滿足要求，從節(jié)能角度所提倡的冬夏季開空調(diào)時關(guān)門窗的建議可能不再適用。
通風(fēng)是通過以室外空氣置換室內(nèi)空氣，達(dá)到降低室內(nèi)污染源產(chǎn)生的污染物濃度水平的目的。室內(nèi)污染物種類繁多，通常認(rèn)為在C02控制在容許范圍時（我國為不大于1 000 x10-6），可以認(rèn)為其他污染物濃度也得到控制。因此國內(nèi)外研究一般采用室內(nèi)C02濃度水平來表征室內(nèi)通風(fēng)換氣效果，同時反映其他有害污染物的聚集水平，美國ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)60.1和我國的暖通設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB 50736均基于室內(nèi)C02濃度規(guī)定最小新風(fēng)量。雖然居住建筑中的C02濃度水平可認(rèn)為無毒，但長期處于較高濃度C02的環(huán)境下，人會感覺不舒適，根據(jù)美國勞倫斯伯克利實驗室最新實驗研究表明，室內(nèi)CO2濃度從600×10-6時升高至1 000×10-6后，9名受試人員中有6人的決策能力有明顯下降。因此確保室內(nèi)CO2濃度水平至關(guān)重要。
對居住類型建筑而言室內(nèi)CO，的主要來源是由人體呼吸所產(chǎn)生的，國內(nèi)外已有學(xué)者采用人體產(chǎn)生的C02作為示蹤氣體，通過測試CO2濃度水平來分析室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境。文獻(xiàn)[34]通過實測研究了大學(xué)宿舍學(xué)生在穩(wěn)定睡眠狀態(tài)下室內(nèi)的C02濃度和通風(fēng)量的關(guān)系，驗證了采用人體作為C02釋放源測量換氣次數(shù)的可靠性，指出目前學(xué)生宿舍在夏季新風(fēng)量普遍不足的現(xiàn)象。文獻(xiàn)[5]同樣采用C02作為示蹤氣體，測試了教室上課時間的新風(fēng)量和CO2濃度水平，結(jié)果表明冬季上課時教室門窗關(guān)閉會導(dǎo)致新風(fēng)量不足，室內(nèi)CO2嚴(yán)重超標(biāo)。但上述研究均側(cè)重于穩(wěn)定狀態(tài)下的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境，不涉及人的室內(nèi)活動對通風(fēng)環(huán)境的影響，并且學(xué)生宿舍與居住建筑的真實使用情況存在較大差別。文獻(xiàn)[6]以北京地區(qū)的居住建筑作為研究對象，通過C02濃度等室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的連續(xù)測試，研究了人的居住、開窗、炊事等行為對室內(nèi)空氣環(huán)境的影響情況，指出人的行為對室內(nèi)空氣影響是一個動態(tài)、變化的過程，室內(nèi)CO2濃度對人的行為最為敏感，特別提到了內(nèi)門的開關(guān)狀態(tài)對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。但該研究主要針對過渡季的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境狀況，未涉及空調(diào)運行對室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境的影響。
本文以上海地區(qū)一戶典型居民為研究對象，對真實使用狀態(tài)下的室內(nèi)C02濃度、溫濕度、空調(diào)運行和門窗開關(guān)狀態(tài)等參數(shù)，進(jìn)行了一個較為完整的夏季、過渡季和冬季的連續(xù)監(jiān)測。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，旨在掌握不同季節(jié)下室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境的真實狀況以及變化規(guī)律，并且分析空調(diào)運行、開門窗等居住者行為對室內(nèi)環(huán)境的影響。
1 測試對象及測試內(nèi)容
1.1 測試對象
測試對象為上海地區(qū)一戶典型兩口之家，氣候區(qū)為夏熱冬冷地區(qū)，建筑設(shè)外保溫，門窗均為雙玻窗。戶型為兩室兩廳，本文僅測試分析其中一間北向房間，該房間面積約12 m2，功能為書房，使用頻率較高。該房間在北向外墻中間設(shè)一扇推拉窗，朝南的內(nèi)墻有一扇內(nèi)門與客廳相連接，另外房間內(nèi)有l(wèi)臺使用了9年的分體式冷暖型壁掛空調(diào)器，定頻運行，額定制冷功率827 W，額定制熱功率850 W，該空調(diào)本身還包含1 450 W的輔助電加熱功能模塊。
1.2 測試內(nèi)容
本文分季節(jié)對測試房間的C02濃度、室內(nèi)外的空氣溫度和相對濕度、空調(diào)用電功率以及門窗開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行了長時間連續(xù)監(jiān)測，測試時間從2013年7月持續(xù)到2014年3月，監(jiān)測數(shù)據(jù)基本涵蓋了較為完整的夏季、過渡季和冬季工況。研究室內(nèi)環(huán)境應(yīng)測試有人時的室內(nèi)環(huán)境參數(shù)，而在室者的活動對室內(nèi)氣流起到擾動作用，因此無論是自然通風(fēng)還是自然滲風(fēng)，室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的均勻性較好，文獻(xiàn)[7]的測試結(jié)果也證明了室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的均勻性。因此本文C02和溫濕度的監(jiān)測均選取一點，且與外窗和人體保持充分距離。對于人員的在室信息，本文主要通過問卷調(diào)查的形式來獲取，同時通過監(jiān)測房間中的電腦插座用電量從側(cè)面了解人員在室情況。
1.3 測試儀器
溫濕度的測試采用WSZY -1型溫濕度自記儀，儀器溫濕度的量程分別為- 40~100℃和0%~100%，分辨率分別為0.1℃和0.1%，不確定度分別為0.5℃和3 %，溫濕度測試時間間隔為10 min。C02測試采用EZY -1型二氧化碳自記儀，量程0—5 000 x10-6，精度±75×10-6，分辨率1x10-6，C02測試時間間隔基本為10 min，部分采用了5 min的時間間隔�？照{(diào)用電功率采用插座式智能型電量監(jiān)測儀，通過電流互感原理，測量通過設(shè)備的有功功率，儀器精度±0. 5%，分辨率0.1 W，測試時間間隔為1 min。門窗的開關(guān)狀態(tài)采用智能化磁感應(yīng)開關(guān)狀態(tài)自記儀，能夠自動定時對環(huán)境中的磁場狀態(tài)進(jìn)行測量，最大磁場感應(yīng)距離30 mm，測試時間間隔為10 min，在內(nèi)門、推拉窗左邊和推拉窗右邊分別布置了1個測點，由于磁感應(yīng)開關(guān)狀態(tài)自記儀的正常感應(yīng)距離為30 mm，對推拉窗的感應(yīng)精度尚可，但對沿軸向旋轉(zhuǎn)的內(nèi)門感應(yīng)精度不夠，即當(dāng)內(nèi)門僅開啟一條縫隙時與全開狀態(tài)時都可能判斷為開啟，只有當(dāng)內(nèi)門完全關(guān)閉時才判斷為關(guān)閉。
2 監(jiān)測記錄結(jié)果統(tǒng)計分析
本文根據(jù)房間空調(diào)器制冷結(jié)束和制熱開始作為時間節(jié)點將本次測試時間劃分為夏季、過渡季和冬季3個時間段，分別對應(yīng)2013年7月1日~ 2013年9月15日、2013年9月16日~ 2013年12月1 1日以及2013年12月12日~ 2014年3月3日。其中，過渡季較長的原因是由于測試居民的書房空調(diào)開始制熱時間較晚。
2.1 室內(nèi)C02濃度監(jiān)測結(jié)果
圖1為測試房間C02濃度的監(jiān)測結(jié)果。書房C02濃度最高值和最低值分別為2 695×10-6和368×10-6，濃度最高值發(fā)生在冬季1月15日22:23，室內(nèi)有人，空調(diào)開啟且門窗關(guān)閉；最低值發(fā)生在9月3日10：47，室內(nèi)無人，空調(diào)關(guān)閉且門窗打開。對CO2的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析可知，夏季、過渡季和冬季的房間CO2平均濃度分別為617×10-6、613×10-6和732×10-6，其中在各自季節(jié)內(nèi)超過1 000×10-6的發(fā)生比例分別為8. 2%、6.3%和16. 6%，這說明冬季工況下的室內(nèi)C02濃度水平最高，超過1 000×10-6的時間比例也最大。而過渡季和夏季差別不大是由于在此以空調(diào)開始制熱作為過渡季和冬季的時間分界點，這種情況下過渡季可延續(xù)至12月上旬，而如圖1所示，過渡季后期C02濃度明顯高于其他過渡季時間，如以11月15日作為過渡季截止時間節(jié)點，則過渡季的房間C02平均濃度降低至550×10-6，此時超過1 000 x 10-6的發(fā)生比例僅為0.3%，這說明在9月中旬至11月中旬這段時間內(nèi)，室內(nèi)CO2濃度基本都處于較低水平，通風(fēng)環(huán)境良好。而11月中旬至12月上旬，室內(nèi)CO2濃度水平與冬季相當(dāng)，由后續(xù)對室溫和開窗情況的分析可知，雖然這段時間內(nèi)，尚未開啟空調(diào)制熱，但是由于室外平均氣溫偏低，外窗基本處于常閉狀態(tài)，導(dǎo)致室內(nèi)CO2濃度偏高。
2.2室內(nèi)溫濕度監(jiān)測結(jié)果
圖2為室內(nèi)外空氣溫度和相對濕度監(jiān)測結(jié)果。對比室內(nèi)外空氣溫度可以看出，室外溫度變化幅度明顯大于室內(nèi)溫度變化幅度，過渡季室內(nèi)溫度變化不明顯，冬夏空調(diào)制冷制熱時，室內(nèi)溫度變化隨空調(diào)啟停而升高或降低�？諝庀鄬穸鹊谋O(jiān)測結(jié)果顯示出類似趨勢。
2.3 空調(diào)耗電功率監(jiān)測結(jié)果
圖3為測試房間空調(diào)耗電功率的監(jiān)測結(jié)果。其中，過渡季空調(diào)不運行，夏季和冬季空調(diào)為間歇運行模式，由于測試空調(diào)器非變頻空調(diào)，因此空調(diào)運行時間內(nèi)啟停較為頻繁。對比圖1中冬、夏空調(diào)運行時間和電功率，可看出空調(diào)器在夏季使用最為頻繁；冬季制熱時由于輔以電加熱，運行平均功率達(dá)848 W，高于夏季制冷時的662 W；空調(diào)制冷和制熱的年耗電量分別為249 kW-h和320 kW-h。
2.4 門窗開關(guān)狀態(tài)記錄結(jié)果
圖4為測試房間的一扇內(nèi)門和外窗的左右兩個窗扇開關(guān)狀態(tài)記錄結(jié)果，縱軸表示累計關(guān)閉次數(shù)，開關(guān)記錄儀的每次記錄用“0”或“1”表示開或關(guān)，因此圖中曲線斜率越低表示開的次數(shù)越多，反之則關(guān)閉次數(shù)多。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，外窗的右窗扇測試期間幾乎全部處于關(guān)閉狀態(tài)，關(guān)閉率高達(dá)98. 6%；外窗的左窗扇測試期間關(guān)閉率為69. 6%，在冬季工況下基本全關(guān)，其他季節(jié)左窗扇的開啟頻率較高；內(nèi)門作為連接書房和客廳的通道，開啟次數(shù)最為頻繁，總關(guān)閉率僅為7. 7%。
3行為對室內(nèi)環(huán)境的影響
本文測試房間內(nèi)的C02濃度水平主要取決與室內(nèi)人員的數(shù)量、停留時間、活動產(chǎn)生的擾動、室外環(huán)境、通過外窗的自然通風(fēng)或滲風(fēng)（主要通過左窗扇）以及通過內(nèi)門與客廳之間的空氣流通。下面通過分別選取夏季典型周（2013年7月29日~ 2013年8月5日）和過渡季典型周（2013年10月7日~2013年10月14日），研究分析室內(nèi)C02濃度和居住者行為參數(shù)的變化關(guān)系。
3.1 夏季居住者行為對室內(nèi)環(huán)境的影響
圖5為夏季典型周從周一至周日的室內(nèi)環(huán)境和行為因素監(jiān)測記錄結(jié)果，其中周一至周五為工作日，周六和周日為休息日。從圖5a的C02濃度監(jiān)測結(jié)果中可以看出，CO2濃度變化可以直觀地反映室內(nèi)人員的停留情況，室內(nèi)有人停留時C02濃度快速上升，但會隨室內(nèi)人員隨機(jī)活動如出入房間等而出現(xiàn)明顯的波動，24:00以后當(dāng)書房內(nèi)無人后，C02快速下降，當(dāng)人在房間停留時間較長如周六和周日，室內(nèi)CO2濃度高于工作日的室內(nèi)C02濃度。周一C02濃度相對偏低，分析原因是由于當(dāng)天晚上外窗一直處于開啟狀態(tài)（見圖5e）。另外從圖5e中還可看出，夏季典型周內(nèi)，內(nèi)門的開啟時間較長（包括縫隙狀態(tài)），但對CO2濃度的影響不顯著。經(jīng)調(diào)研，周四中午左右室內(nèi)只有一人，而傍晚后室內(nèi)有兩人，造成了C02濃度水平的明顯差異。
如圖5b~圖5d所示，在夏季典型周測試期間的前半階段，室外空氣溫度較高，居住者進(jìn)行房間后會立即打開空調(diào)，降溫和除濕效果均非常明顯。另外，周三和周四分別在部分時間內(nèi)室外濕度快速上升，同時室外空氣溫度快速下降，說明室外為雷雨天氣，經(jīng)查證與歷史天氣信息完全吻合。
3.2 過渡季居住者行為對室內(nèi)環(huán)境的影響
圖6為過渡季典型周的室內(nèi)環(huán)境和行為因素監(jiān)測記錄結(jié)果，同樣周一至周五為工作日，周六和周日為休息日，由于過渡季不開空調(diào)，這里的行為因素指門窗開關(guān)狀況。從圖6a的CO2濃度監(jiān)測結(jié)果中可以再次看出，CO2濃度水平及波動幅度均明顯小于夏季工況，基本都在1 000×10“的標(biāo)準(zhǔn)值之下。對照圖6a和圖6d便可發(fā)現(xiàn)，過渡季門窗開啟時間明顯多于夏季工況，開窗行為也反映了被測試居民在過渡季的通風(fēng)習(xí)慣，當(dāng)晚上人員離開書房時關(guān)窗，上午有人時則基本開窗。與夏季工況相比房間有人時常開窗是室內(nèi)CO2濃度維持在較低水平的主要原因。圖6b和圖6c反映了室內(nèi)溫濕度在過渡季的變化，可以看出過渡季室內(nèi)溫濕度波動幅度不大，開窗行為對室內(nèi)溫度影響不大，圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫效果起到一定作用。另外，分別對照圖6a和圖6b、圖6c，在過渡季測試期間，室內(nèi)CO2濃度與空氣溫度、相對濕度之間無明顯相關(guān)性，這一點與文獻(xiàn)[6]的研究發(fā)現(xiàn)有所不同，分析原因是研究對象和門窗狀態(tài)存在差異。
4 自然通風(fēng)量的估算
文獻(xiàn)[1，3，4，7]均證實了利用人體產(chǎn)生的C02作為示蹤氣體計算室內(nèi)自然通風(fēng)量的可行性，上升法和下降法是常用的兩種測量方法，其中上升法需事先確定人體CO：釋放量，且要求CO2釋放率穩(wěn)定，更適用于分析具有穩(wěn)定CO：釋放源的空間，例如臥室中的自然通風(fēng)量。由于本文測試對象為書房，居住者在房間時人體CO2釋放率非常不穩(wěn)定，因此采用下降法估算居住者離開書房后的室內(nèi)通風(fēng)量。具體可根據(jù)質(zhì)量守恒定律建立基于示蹤氣體下降法的計算公式如式(1)所示：
式中：CT為r時刻室內(nèi)CO2濃度，10-6；C。為室外CO2濃度，下降時間較短可近似認(rèn)為C。不變，本文按430×10-6計算；C，為初始時刻的CO2濃度，110-6；n為房間換氣次數(shù)，次/h。
居住者離開書房后，外窗實際多處于關(guān)閉狀態(tài)，且與季節(jié)的關(guān)系不大，通過門窗的滲風(fēng)起到主要換氣作用，因此無人時計算得到的自然通風(fēng)量無明顯季節(jié)性差異。圖7為冬季某典型日室內(nèi)C02的衰減變化曲線，從圖7b的室內(nèi)外濃度差的對數(shù)坐標(biāo)曲線上可以看出，測試時間段內(nèi)，換氣次數(shù)且波動較小，平均值為0. 66次/h。
5 結(jié)論
本文對實際居住條件下的室內(nèi)CO2濃度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)以及空調(diào)運行狀態(tài)、門開關(guān)狀態(tài)等行為參數(shù)進(jìn)行了各個季節(jié)的長期監(jiān)測，分析了不同季節(jié)的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境實際狀況及其特征。CO2的監(jiān)測統(tǒng)計結(jié)果表明，冬季室內(nèi)C02濃度水平最高，超過1 000×10-6的時間比例占16. 6%，其次是夏季占8. 2%，過渡季室內(nèi)CO2濃度最低�；诓煌竟�(jié)典型周的測試結(jié)果，對照分析了空調(diào)、門窗等使用習(xí)慣與室內(nèi)環(huán)境的關(guān)系，研究發(fā)現(xiàn)開窗行為和人員的在室內(nèi)數(shù)量和停留時間均對室內(nèi)環(huán)境有顯著影響，在過渡季房間有人時經(jīng)常開窗是使室內(nèi)CO2維持在較低濃度水平的主要原因，而空調(diào)季房間有人時由于空調(diào)運行時外窗多為關(guān)閉狀態(tài)，造成了室內(nèi)CO2濃度偏高，需要在合理控制室內(nèi)環(huán)境的前提下，深入分析合理的通風(fēng)策略。另外，以典型日為例利用人員離開房間后CO2的自然衰減過程，估計了自然滲風(fēng)條件下的測試房間自然通風(fēng)量為0. 66 h-1。本文的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境及行為參數(shù)的監(jiān)測、記錄和分析方法對今后繼續(xù)開展深入廣泛的實測研究提供了一定的借鑒意義。
6[摘要]
本文選取上海地區(qū)一戶典型居民，以實際使用狀態(tài)下的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境作為研究分析對象，對室內(nèi)CO2濃度、空氣溫濕度、空調(diào)運行狀態(tài)和門窗開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行了一個較為完整的夏季、過渡季和冬季的連續(xù)監(jiān)測和記錄。通過數(shù)據(jù)分析，總結(jié)對比出不同季節(jié)的室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境實際狀況及特征，并深入分析了空調(diào)使用和開窗習(xí)慣等人的主動行為對室內(nèi)環(huán)境測試的影響。結(jié)果表明，不同季節(jié)空調(diào)運行和門窗狀態(tài)對室內(nèi)通風(fēng)環(huán)境影響顯著。本文測試結(jié)果和測試分析方法為深入掌握夏熱冬冷地區(qū)的真實居住環(huán)境狀況提供了參考，為合理控制居住環(huán)境、制定節(jié)能通風(fēng)策略提供了基礎(chǔ)。
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