理論與實踐：大型辦公建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)與新風模式分析
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作者：鄭曉敏
隨著現(xiàn)代生活水平的日益提高，人們更加關(guān)注建筑室內(nèi)的空氣品質(zhì)和室內(nèi)新風的采集、處理。影響室內(nèi)空氣品質(zhì)的污染物種類有很多，在以居留為主的低污染中，其他污染物的影響遠低于C02允許的濃度影響，因此只在C02濃度達到衛(wèi)生標準的要求，則其它污染物也能達到可接受的水平。美國、德國、英國、北歐和日本等標準，均以C02濃度作為間接評價指標和確定空調(diào)房間新風供給量標準的依據(jù)。C02的濃度不僅代表其本身作為污染物對室內(nèi)空氣的污染程度，而且還能反映室內(nèi)人員的狀況，即人數(shù)和活動強度，能體現(xiàn)室內(nèi)人員對新風的要求，CO2濃度通常作為反映室內(nèi)空氣品質(zhì)的主要指標。
民用建筑室內(nèi)C02來源一般主要考慮是由人體呼吸產(chǎn)生的，當室內(nèi)空氣中的CO2濃度達到容許上限時，會引起人體感覺的不適，直接影響人們生理上、心理上的健康和工作效率。
改善室內(nèi)空氣品質(zhì)最簡單有效的辦法就是改善室內(nèi)的通風，不斷向房間補充新鮮空氣，同時置換出原有的低質(zhì)量空氣。居住建筑補充室外新風的主要目的是用以沖淡室內(nèi)C02濃度，使其達到允許的范圍。但高層辦公建筑出于節(jié)能的需要，圍護結(jié)構(gòu)的氣密性較高，窗戶開啟時間有限，使其室內(nèi)空氣環(huán)境的好壞大部分時間只能依賴于機械新風系統(tǒng)。
建筑物在實際運營中，由于室內(nèi)人員的實際情況變動幅度較大，對新風量的需求存在較大的可變性。一般來說，采用較高的新風量值對于室內(nèi)的空氣品質(zhì)更加有利，但這對設(shè)備系統(tǒng)的造價和能量消耗以及物業(yè)管理的影響很大。最佳方案是既要滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求，又要達到降低能耗的目的。因此，不同建筑結(jié)合其實際室內(nèi)新風量需求，制定出合理的新風策略顯得尤為重要。
筆者通過對上海某大型辦公建筑全年室內(nèi)C02濃度的逐時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，探討基于其室內(nèi)空氣品質(zhì)現(xiàn)狀的新風模式優(yōu)化。
1 建筑基本信息
上海某大型辦公建筑位于徐匯區(qū)，總建筑面積約10萬平方米。建筑共42層，其中地上40層，地下2層。地上1層為大廳，2~ 40層為標準層。標準層中心設(shè)置框架核心筒，標準層內(nèi)區(qū)基本為大開間辦公室，外區(qū)為相對獨立的領(lǐng)導辦公室或會議室隔間。室內(nèi)人員辦公時間集中為周一~周五的8：00～18：30 0
該辦公建筑的外圍護結(jié)構(gòu)為玻璃幕墻。可開啟外窗部分僅占幕墻總面積的9%。標準層外窗的開啟均由物業(yè)統(tǒng)一管理，辦公人員開關(guān)外窗需要向物業(yè)管理處申請。
該建筑的空調(diào)系統(tǒng)采用變風量系統(tǒng)，并在設(shè)備層和屋頂設(shè)有6臺新風機。每臺新風機分別負責不同樓層機械新風的供給。新風機經(jīng)室外引入新風進行集中處理，并通過新風管道供入各層空調(diào)箱。由于新風管井設(shè)置于核心筒內(nèi)，受其尺寸限制，較難實現(xiàn)大幅度的變新風比或全新風運行，僅靠物業(yè)人工依據(jù)經(jīng)驗定時控制新風機啟停。目前新風機組的基本運行模式見表1。夏季一般早上定時開啟2h，過渡季基本不運行，冬季有時中午開啟1—2 h。
2013年初現(xiàn)場調(diào)研樓內(nèi)部分辦公室員工對室內(nèi)空氣環(huán)境的滿意度，普遍反映中午前比較滿意，下午有時會有不舒適。為了獲得該辦公區(qū)域室內(nèi)CO：濃度的實時數(shù)據(jù)，選取該建筑7層內(nèi)區(qū)的某開放式大辦公室布置C02濃度測點，該測點的位置如圖1所示。從2013年3月~ 2014年2月進行了為期一年的C02濃度的逐時監(jiān)測。C02測試儀器采用型號為EZY -1的CO2自計儀，量程0—5 000×10-6，精度±75x10“，分辨率1×10-6，CO2濃度測試時間間隔設(shè)置為10 min。
根據(jù)CB/T 18883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》和GB 50365-2005《空調(diào)通風系統(tǒng)運行管理規(guī)范》的要求，空調(diào)通風系統(tǒng)在運行期間，空調(diào)房間內(nèi)的C02濃度應小于0.1%(1 000×10-6)。本文采用室內(nèi)逐時CO2濃度值1 000×10“作為室內(nèi)空氣品質(zhì)達標的容許值上限，超過l 000×10“即視為C02濃度超標。
2 建筑室內(nèi)C02濃度分析
2.1 全年工作時間段室內(nèi)C02濃度超標情況
圖2為測試期間1月~ 12月工作日8:00~18：30室內(nèi)CO，濃度超標時間占比的統(tǒng)計分析。由此可知，3月、7月、8月和9月都存在有不同程度的CO2濃度超標現(xiàn)象。其中3月份所占比例較小，7月—9月工作時間內(nèi)C02濃度超標時間的百分比依次為17%、14%和7%。
2.2 全年典型月室內(nèi)C02濃度分析
為了解全年不同季節(jié)C02濃度波動情況，選取8月、10月和12月分別作為夏季、過渡季和冬季的典型月。圖3是8月、10月和12月測試區(qū)域一周內(nèi)對應時刻的C02濃度變化曲線。曲線X軸首日為上周的周日，中間為次周五個工作日，依次為周一~周五，末日為次周的周六。
圖3中每個工作日對應的C02濃度曲線隨著時刻的推移，均具有明顯的峰谷特征。從周一9:00開始，C02濃度由上周日已穩(wěn)定的濃度值逐漸累積并快速上升，于16：00左右達到當日的峰值，之后隨著下班離開人員的增多和自然滲風作用，室內(nèi)C02逐漸開始消散，濃度逐漸下降直至次日工作時間開始。周二~周五每日工作時刻對應的CO：濃度的整體運行規(guī)律與周一類似。周末由于室內(nèi)辦公人員較少，室內(nèi)CO2通過室外滲風作用得以長時間耗散，使?jié)舛戎党掷m(xù)下降，并于周日上午近趨于室外CO2濃度值400×10-6。
同月內(nèi)不同工作日瞬時時刻濃度值的高低起伏與當天辦公人員的人數(shù)與活動狀況存在一定關(guān)系；不同月份濃度值差異還與室外自然滲風換氣次數(shù)有關(guān)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律建立方程如式(1)：
式中：C．為T時刻室內(nèi)CO2濃度；C。為室外CO2濃度，可近似認為C。不變，本文按350×10-6計算；C．為初始時刻的C02濃度；n為房間換氣次數(shù)，次/h。
按照式(1)分別統(tǒng)計了8月、10月和12月一周內(nèi)0:00~ 8:00室外自然滲風作用的平均換氣次數(shù)，見表2。該辦公建筑夏季室外自然滲風量明顯比過渡季和冬季小，導致夏季室內(nèi)C02濃度累積效應相對強于自然滲風的消散作用，從而易出現(xiàn)夏季室內(nèi)CO，濃度超標的現(xiàn)象。
2.3夏季室內(nèi)C02濃度分析
針對該辦公建筑存在的7月—9月工作時間段室內(nèi)CO2濃度值超標的問題，圖4總結(jié)了7月—9月8:00~18：30各濃度值出現(xiàn)的頻率，夏季室內(nèi)的CO2濃度值范圍主要集中在(400—1 200) x10-6之間，濃度最高值和最低值相差約800×10-6。
圖5進一步分析了8月19日~ 23日（周一至周五）工作時間逐時室內(nèi)CO2濃度四分位分布圖。CO，濃度從9:00開始積聚，中午由于辦公人員陸續(xù)外出吃飯，在13：00出現(xiàn)約半小時的濃度短時下降趨勢。至14：00時，C02濃度平均值首次超過900×
10-6，開始具有濃度超出容許值范圍的風險。至16：00時左右，CO：濃度平均值最終超過1 000×10-6，并持續(xù)到18：30。
圖5所示時間段內(nèi)，室內(nèi)C02超標時間約占整個工作時間段的四分之一。夏季室外滲風作用和目前僅早上2h的新風機運行已不足以消除工作時間室內(nèi)C02濃度持續(xù)上升產(chǎn)生的累積效應。
圖6是8月19日~ 23日5個工作日內(nèi)室內(nèi)CO2濃度的平均速率變化圖。經(jīng)計算，其中8:00~18：30期間CO：濃度上升的平均速率是37×10 -6/h。
由于沒有大量新風的補充稀釋，速率的累積增加主要出現(xiàn)在人員集中辦公的9:00~13：00和13：30~17：00，其中9:00~11:00、13：30~15：00為C02濃度顯著加速增長期，9:00~11:00期間C02濃度上升的平均速率達84×10 -6/h;13：30~15：00期間CO2濃度上升的平均速率是72×10 -6／h。
18：00~19：00是室內(nèi)人員大量減少和室外滲風綜合作用而引起的濃度顯著衰減期，這段時間的濃度衰減平均速率是38×10 -6／h。另外，夜間0:00~ 7:00為僅自然滲風引起的濃度衰減，其平均速率僅為24×10 -6/ri。
以上對8月一周工作日室內(nèi)C02濃度速率圖分析可知，僅自然滲風引起的濃度衰減速度僅為24×10 -6／h，遠小于8:00~18：30人員密集期CO：濃度上升的平均速率37 x 10 -6／h。兩者的差距導致室內(nèi)C02增加的速度加快，形成濃度累積效應，最終突破標準要求的濃度容許值上限。在夏季工作時間段，僅依靠自然滲風補充的新風量已不足以消除室內(nèi)不斷加速產(chǎn)生的C02，必須輔助機械新風來增加室內(nèi)換氣次數(shù)。
3 建筑室內(nèi)新風模式改進
該辦公建筑夏季7月—9月工作時間段室內(nèi)C02濃度過高的現(xiàn)象顯著，而當前夏季工作日的新風模式為早上6:30~8：30新風機運行，其余時間新風機關(guān)閉。
目前夏季工作時間僅靠外窗自然滲風作用補充新風。一方面外窗的可開啟面積有限，另一方面考慮減少室內(nèi)空調(diào)能耗而減少開窗引起的無組織新風，導致期間室內(nèi)C02濃度過快上升和累積，其增長的速率遠超過建筑自身的自然滲風量，長時間累積效應引起室內(nèi)CO2濃度在1 000×10-6以上的時間可能會占整個工作時間段的1/4。
文獻[6]和實際調(diào)研證實，長時間高CO2的持續(xù)累積，導致室內(nèi)空氣品質(zhì)不良。長期處于高C02濃度的環(huán)境下工作，人們?nèi)菀壮霈F(xiàn)頭痛、胸悶、易疲勞、煩躁等不適反應，容易引發(fā)“空調(diào)病”和“封閉建筑綜合癥”，影響人體健康。針對現(xiàn)有的該建筑實際使用情況和辦公人員對室內(nèi)空氣品質(zhì)的反饋，迫切需要調(diào)整夏季新風供給模式。
根據(jù)以上對該辦公建筑全年室內(nèi)C02濃度變化的分析，對于幾乎未出現(xiàn)C02濃度超標現(xiàn)象的1月—6月和10月~ 12月可以維持其已有的新風運行策略；而對于C02濃度超標現(xiàn)象較顯著的7月~9月，建議增加工作日14：00~19：00運行新風機的模式，以便在C02濃度達到警戒線前，及時抑制其持續(xù)累積增長的趨勢，避免濃度超標情況的發(fā)生，減少室內(nèi)的不良空氣品質(zhì)的發(fā)生概率。
表3為根據(jù)實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析提出的夏季新風機運行模式改進措施。6月可以延續(xù)之前的新風機運行模式；7月—9月采用工作日每天兩個時間段定時開啟新風機的方式，即分別在6:30—8:30和14：00~19：00補充機械新風送人室內(nèi)。
4 結(jié)束語
在建筑物實際運行中，由于室內(nèi)人員的實際數(shù)量變動和節(jié)能需求，對于新風供給的控制模式存在較大的可變性。由于該辦公建筑共40層，本次測試的測點選在7層，因此在7層測試得到的新風運行控制策略并不一定能直接推廣至別的樓層。但大型辦公建筑從節(jié)能方面考慮，若采用定時供給機械新風需要結(jié)合其實際CO，濃度長期變化趨勢，制定合理的新風機運行模式。否則一方面新風供給不足，由于累積效應造成一定時間段內(nèi)室內(nèi)CO2濃度的持續(xù)增長和超標，引起空氣品質(zhì)明顯下降，另一方面還可能在不需要供應機械新風就可以滿足室內(nèi)要求時運行新風機，造成能源浪費。 對于一般民用建筑，新風模式的選用標準還是
應該從改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的基點出發(fā)，可以考慮通過與空調(diào)自控系統(tǒng)的合理配合，對空調(diào)系統(tǒng)的新風機運行模式控制需依據(jù)室內(nèi)C02實際濃度的監(jiān)測結(jié)果來對其加以實時調(diào)節(jié)和策略控制，從而達到滿足空氣品質(zhì)且建筑節(jié)能的目的。
5[摘要]
針對上海某大型辦公建筑實際使用現(xiàn)狀，對其室內(nèi)CO：濃度進行了全年不間斷的監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)在夏季新風機短時運行配合外窗全天無規(guī)律開啟的混合型新風模式下，工作日室內(nèi)CO：濃度的累積效應強于自然滲風的消散作用，從而導致空氣品質(zhì)不良。最終總結(jié)出新風機運行的改進方案，為辦公建筑合理控制室內(nèi)空氣品質(zhì)，制定節(jié)能通風策略提供了參考。
