城市居住建筑室內(nèi)CO2分布特性研究

劉 鳴， 任 靜 薇， 連 超 麗， 張 寶 剛， 谷 紅 磊， 陳 慶 周

( 大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

城市居住建筑室內(nèi)CO2分布特性研究

劉 鳴*， 任 靜 薇， 連 超 麗， 張 寶 剛， 谷 紅 磊， 陳 慶 周

( 大連理工大學(xué) 建筑與藝術(shù)學(xué)院, 遼寧 大連 116024 )

CO2濃度是評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，控制較低的室內(nèi)CO2濃度對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量和人的身心健康起著重要作用．對(duì)大連市某小區(qū)室內(nèi)CO2濃度的變化情況進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)．通過設(shè)置不同開窗狀態(tài)，分別監(jiān)測(cè)了該小區(qū)室內(nèi)不同條件下的CO2濃度變化．結(jié)果表明，CO2濃度隨時(shí)間和通風(fēng)情況呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)，室內(nèi)不同位置的CO2分布特性也有所不同．密閉情況下，時(shí)間越長(zhǎng)，室內(nèi)CO2濃度越高．當(dāng)進(jìn)行自然通風(fēng)時(shí)，即使較短的開窗時(shí)間也能使室內(nèi)CO2濃度迅速降低．研究表明，保持良好的室內(nèi)通風(fēng)，選擇性開窗對(duì)降低室內(nèi)CO2濃度、保持較好的室內(nèi)空氣質(zhì)量有著重要作用．

CO2濃度；空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)；自然通風(fēng)；居住建筑

0 引 言

研究表明，室內(nèi)空氣質(zhì)量受室內(nèi)通風(fēng)、空氣溫濕度、空氣污染物等多種因素影響．對(duì)于居住建筑來說，室內(nèi)CO2濃度的高低直接影響居住品質(zhì)以及身心健康[1-3]．CO2作為大氣常規(guī)組分和人體呼吸排放氣體，通常情況下對(duì)人體無毒無害，但在人群密集和通風(fēng)不暢的室內(nèi)條件下，人們會(huì)有各種不適反應(yīng)．當(dāng)室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)處于0.35×10-3～0.45×10-3時(shí)，人體生理反應(yīng)與在一般室外環(huán)境相同；處于0.45×10-3～1.00×10-3時(shí)，感覺空氣清新，呼吸順暢；處于1.00×10-3～2.00×10-3時(shí)，感覺空氣渾濁，開始昏昏欲睡；處于2.00×10-3～5.00×10-3時(shí)，感覺頭痛、嗜睡、呆滯、注意力無法集中、心跳加速、輕度惡心；大于5.00×10-3時(shí)，可能導(dǎo)致嚴(yán)重缺氧，造成永久性腦損傷、昏迷，甚至死亡。

本文通過對(duì)大連市某小區(qū)不同類型住宅室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行全天候不同工況監(jiān)測(cè)，研究室內(nèi)CO2濃度的變化規(guī)律，旨在為改善居住區(qū)室內(nèi)空氣質(zhì)量狀況提供客觀依據(jù)和建議．

1 測(cè)量?jī)x器和方法

本次測(cè)量選取大連市某小區(qū)32號(hào)樓的住宅，戶型圖如圖1所示．測(cè)量?jī)x器選取TES溫濕度非色散式CO2測(cè)試計(jì)．室內(nèi)測(cè)量區(qū)域主要為人們活動(dòng)時(shí)間較多的起居室和臥室，每個(gè)空間測(cè)量時(shí)間為24 h．遵照《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18883—2002)，在測(cè)量戶型的起居室和臥室中分別布置測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的高度距地面1 m，每小時(shí)的平均濃度采樣時(shí)間均大于45 min[3-6]．

2 測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

2.1 戶型1室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

(1)臥室CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量與分析

臥室調(diào)研測(cè)量條件及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表1，臥室24 h內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)見圖2，每個(gè)測(cè)量階段臥室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)平均值見圖3．

由圖2、3可知，臥室測(cè)量時(shí)間內(nèi)除了開窗通風(fēng)所在時(shí)間段及開窗通風(fēng)后的一小段時(shí)間內(nèi)，CO2體積分?jǐn)?shù)平均值低于1.00×10-3外，其余大部分時(shí)間段CO2體積分?jǐn)?shù)平均值都高于1.00×10-3，并且在夜間睡眠時(shí)間段內(nèi)，CO2體積分?jǐn)?shù)平均值在2.50×10-3以上，已經(jīng)明顯影響到了室內(nèi)空氣質(zhì)量和人體舒適性．其中CO2體積分?jǐn)?shù)變化明顯的幾個(gè)階段如下：20：30至第2 d的06：30，由于臥室內(nèi)關(guān)門關(guān)窗，在人體正常呼出CO2情況下，臥室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間逐漸升高，最高可達(dá)3.60×10-3以上．6：30至14：30，在臥室門打開的條件下，臥室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)在一段時(shí)間內(nèi)迅速下降，隨后進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)下降的階段，但始終在1.00×10-3以上．14：30至15：15 這段關(guān)門開窗通風(fēng)時(shí)間段內(nèi)，臥室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)明顯下降，尤其是在開窗后5 min內(nèi)，下降速度非常快，隨后平穩(wěn)下降，最低值在0.30×10-3左右．15：15至20：00這一開門關(guān)窗時(shí)間段內(nèi)，在前30 min，臥室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)快速上升，之后進(jìn)入平穩(wěn)上升階段，最高值在1.00×10-3左右．

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

表1 戶型1臥室CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

圖2 戶型1臥室24 h內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)

圖3 戶型1臥室各階段CO2體積分?jǐn)?shù)平均值

(2)起居室CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量與分析

起居室調(diào)研測(cè)量條件及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表2，起居室24 h內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)見圖4．

表2 戶型1起居室CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

圖4 戶型1起居室24 h內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)

由圖4可知，在關(guān)窗條件下，起居室24 h內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)最高值在2.30×10-3左右，最低值在0.40×10-3左右，平均值在1.00×10-3左右．從整體CO2體積分?jǐn)?shù)變化曲線可以看出，1 d之內(nèi)有10：00至13：00和16：00至20：00兩個(gè)高峰期．總體來講，起居室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)明顯優(yōu)于臥室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)．

24 h內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)可以分為以下幾個(gè)階段：在20：00至第2 d 6：00這一夜間休息階段，CO2體積分?jǐn)?shù)先平穩(wěn)下降，之后逐漸穩(wěn)定在0.50×10-3左右．在6：00至10：00，CO2體積分?jǐn)?shù)在前1 h內(nèi)迅速升高到1.00×10-3以上，隨后進(jìn)入一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)階段．在10：00至13：00，CO2體積分?jǐn)?shù)曲線進(jìn)入第1個(gè)高峰期，先是迅速升高到1.50×10-3以上，最高值達(dá)到1.70×10-3，在1.50×10-3以上維持一段時(shí)間后又迅速下降到1.00×10-3左右．在13：00至16：00，CO2體積分?jǐn)?shù)呈穩(wěn)定狀態(tài)，一直保持在1.00×10-3左右．在16：00至20：00，CO2體積分?jǐn)?shù)曲線進(jìn)入第2個(gè)高峰期，先是從1.00×10-3迅速升高到2.00×10-3以上，之后又很快下降到1.00×10-3左右．

(3)臥室與起居室CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)比分析

將24 h內(nèi)臥室與起居室的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如圖2、4所示．通過計(jì)算得到，臥室CO2體積分?jǐn)?shù)平均值為1.86×10-3，起居室CO2體積分?jǐn)?shù)平均值為1.00×10-3，臥室內(nèi)大部分時(shí)間屬于空氣混濁狀態(tài)．

2.2 戶型2室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

戶型2室內(nèi)空間相對(duì)單一，臥室與起居室之間的門除晚上睡眠時(shí)間外，大部分時(shí)間處于開啟狀態(tài)．因此，除晚上睡眠時(shí)間外，可以將臥室與起居室作為一個(gè)空間來進(jìn)行測(cè)量，擴(kuò)大測(cè)量容積，將測(cè)量?jī)x器放置在起居室內(nèi)．戶型2整個(gè)空間調(diào)研測(cè)量條件及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見表3，各階段CO2體積分?jǐn)?shù)平均值見圖5，起居室24 h內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)見圖6．

表3 戶型2測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

圖5 戶型2起居室各階段CO2體積分?jǐn)?shù)平均值

圖6 戶型2起居室24 h內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)

由圖6可以看出，在其中的3個(gè)開窗通風(fēng)階段，起居室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)都迅速下降到0.40×10-3左右．在夜間臥室門關(guān)閉的情況下，起居室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)保持在0.80×10-3～1.00×10-3這一相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)．24 h內(nèi)，起居室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)平均值在0.80×10-3左右，最高值在1.20×10-3左右，絕大多數(shù)時(shí)間段內(nèi)起居室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)都在1.00×10-3以下．因此，在總計(jì)4次開窗通風(fēng)換氣的條件下，可以保證24 h內(nèi)都有較好的室內(nèi)空氣質(zhì)量．

2.3 戶型3室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

戶型3與戶型1的空間布置相似，區(qū)別在于戶型3是一個(gè)三居室住宅．表4是測(cè)量條件和測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)．

(1)臥室CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量與分析

由表4可知，臥室在開窗通風(fēng)所在時(shí)間段及開窗通風(fēng)后的一小段時(shí)間內(nèi)，CO2體積分?jǐn)?shù)平均值均低于1.00×10-3，在夜間關(guān)門關(guān)窗大部分時(shí)間段內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)都高于1.00×10-3，已經(jīng)明顯影響到了室內(nèi)空氣質(zhì)量和人體的舒適性．其中CO2體積分?jǐn)?shù)變化明顯的幾個(gè)階段分別為7：00至8：00，臥室開門開窗通風(fēng)階段，此階段臥室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)由1.20×10-3迅速下降到0.65×10-3；9：00至12：00，臥室關(guān)門開窗進(jìn)入到一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)下降階段；13：00至14：00為午休階段，此時(shí)臥室關(guān)門關(guān)窗，人在睡眠過程中釋放大量CO2，CO2體積分?jǐn)?shù)迅速升高到0.87×10-3，午休過后繼續(xù)關(guān)門開窗至19：00；20：00至21：00為臥室開門關(guān)窗階段，家庭成員開始準(zhǔn)備洗漱，室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)有所升高；22：00以后臥室一直關(guān)門關(guān)窗至第2 d 7：00，此階段在人體正常呼出CO2情況下，CO2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)升高，但到達(dá)一定高度后會(huì)逐漸趨于穩(wěn)定，最高值為1.20×10-3左右．

表4 戶型3測(cè)量統(tǒng)計(jì)表

(2)起居室CO2體積分?jǐn)?shù)測(cè)量與分析

由表4可知，起居室的測(cè)量階段相對(duì)臥室比較少，7：00至18：00起居室一直處于開窗狀態(tài)，CO2體積分?jǐn)?shù)由0.89×10-3逐漸降低，下降速度第1個(gè)小時(shí)最快，然后逐漸變緩．白天家庭成員大部分時(shí)間會(huì)在起居室活動(dòng)，但由于起居室空間較大，且一直處于開窗狀態(tài)，CO2體積分?jǐn)?shù)上升并不明顯．19：00至21：00起居室處于關(guān)窗狀態(tài)，此時(shí)家庭成員聚集，活動(dòng)強(qiáng)度大，CO2體積分?jǐn)?shù)迅速上升，此后起居室一直處于關(guān)窗狀態(tài)，但無人員活動(dòng)，CO2體積分?jǐn)?shù)趨于穩(wěn)定．總體來看，在關(guān)窗條件下起居室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)會(huì)逐漸上升，最高值在0.90×10-3左右，最低值在0.46×10-3左右；在開窗條件下，CO2體積分?jǐn)?shù)會(huì)迅速下降，最低值在0.38×10-3左右．起居室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)變化情況相對(duì)優(yōu)于臥室．

2.4 不同戶型住宅室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)對(duì)比分析

表5為不同戶型住宅室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)平均值統(tǒng)計(jì)，從表中可以看出，隨著室內(nèi)測(cè)量容積的逐漸擴(kuò)大，室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢(shì)．室內(nèi)測(cè)量容積由小到大的順序?yàn)閼粜?<戶型2<戶型3，戶型3的室內(nèi)容積最大，其CO2體積分?jǐn)?shù)最低．

表5 CO2體積分?jǐn)?shù)平均值統(tǒng)計(jì)表

2.5 開窗狀態(tài)下的新風(fēng)量估算

在室內(nèi)氣態(tài)物種分布均勻、室外CO2濃度均勻的條件下，人體可以作為室內(nèi)CO2釋放源，室內(nèi)新風(fēng)量可以根據(jù)差分法方程來進(jìn)行計(jì)算[7-10]：

式中：ρo為室外CO2濃度(mg/m3)；ρt為室內(nèi)t時(shí)刻CO2濃度(mg/m3)；Q為CO2排放量(mg/h)；t為時(shí)間(min)；u為新風(fēng)量(m3/h)；V為室內(nèi)空間(m3)．室內(nèi)CO2排放量：一個(gè)成人呼出CO2的量為18 L/h(549 mg/min)．室內(nèi)空間：室內(nèi)體積扣除家具等10%的體積和人的體積(每人按0.3 m3計(jì))．借助以上室內(nèi)新風(fēng)量的計(jì)算方法，本文主要針對(duì)戶型1和戶型2在開窗狀態(tài)下的通風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算．

(1)戶型1臥室開窗狀態(tài)下的通風(fēng)量

戶型1測(cè)量過程中共有1次開窗通風(fēng)過程，通風(fēng)過程中的計(jì)算參數(shù)見表6．

由室內(nèi)新風(fēng)量差分法方程可得新風(fēng)量u為68.6 m3/h．

(2)戶型2起居室開窗狀態(tài)下的通風(fēng)量

戶型2測(cè)量過程中共有4次開窗通風(fēng)過程，每次通風(fēng)過程中的計(jì)算參數(shù)見表7．

表6 戶型1通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

表7 戶型2通風(fēng)計(jì)算參數(shù)

由室內(nèi)新風(fēng)量差分法方程可得4個(gè)過程中新風(fēng)量u分別為160.6、204.6、169.5、76.9 m3/h．對(duì)比戶型1和戶型2通風(fēng)過程中的新風(fēng)量和每次通風(fēng)時(shí)間可以看出，在開窗通風(fēng)過程中，開窗前5～15 min，通風(fēng)效率最高，因此每次開窗通風(fēng)時(shí)間以5～15 min為宜．

3 結(jié) 論

(1)如果通風(fēng)不當(dāng)，住宅室內(nèi)主要活動(dòng)空間CO2體積分?jǐn)?shù)大部分時(shí)間處于較高狀態(tài)，很容易超過1.00×10-3，從而影響人體健康．

(2)由于人體夜間睡眠時(shí)會(huì)作為CO2釋放源排出大量CO2，而臥室空間相對(duì)較小，夜間臥室內(nèi)CO2往往會(huì)長(zhǎng)期處于較高的狀態(tài)，早晨起床時(shí)臥室內(nèi)的CO2體積分?jǐn)?shù)會(huì)升高到一個(gè)很高的狀態(tài)，甚至高于2.00×10-3，因此，每天早晨對(duì)臥室進(jìn)行有規(guī)律的開窗通風(fēng)非常必要．

(3)由于起居室空間相對(duì)較大，同時(shí)大部分起居室較為寬敞，起居室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)普遍低于臥室，但是也會(huì)隨著人們24 h的生活規(guī)律出現(xiàn)大的浮動(dòng)狀態(tài)，如果通風(fēng)不當(dāng)，也會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)現(xiàn)象．

(4)每次開窗通風(fēng)15 min左右，室內(nèi)CO2濃度接近室外水平．通過每天人為有規(guī)律地控制開窗時(shí)間，可以將室內(nèi)CO2濃度全天控制在一個(gè)較為健康的水平，維持室內(nèi)空氣質(zhì)量．

(5)室內(nèi)CO2濃度的高低與室內(nèi)容積的大小呈負(fù)相關(guān)，隨著室內(nèi)容積的逐漸擴(kuò)大，室內(nèi)CO2濃度呈現(xiàn)逐漸衰減的狀態(tài)．

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StudyofdistributioncharacteristicsofCO2inurbanresidentialbuildings

LIUMing*,RENJingwei,LIANChaoli,ZHANGBaogang,GUHonglei,CHENQingzhou

(SchoolofArchitecture&FineArt,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

CO2concentration is one of the important indexes to evaluate indoor air quality, and keeping a low indoor CO2concentration is very important to improve indoor air quality and maintain physical and mental health. The change of CO2concentration in the residential building of Dalian city is monitored continuously. By setting different window conditions, the change of CO2concentration is monitored in different locations in the building. The result shows that the CO2concentration has different change trends with time and indoor ventilation, and the distribution characteristics of CO2are also different at different locations. When the windows are closed, the longer the time is, the higher the indoor CO2concentration is.But even a short opening time can make the indoor CO2concentration decrease rapidly. Keeping good indoor ventilation and windows opening for fixed time have a significant effect on reducing the indoor CO2concentration and keeping good indoor air quality.

CO2concentration; air quality monitoring; natural ventilation; residential buildings

1000-8608(2017)06-0571-06

TU11

A

10.7511/dllgxb201706004

2016-09-20；

2017-09-23．

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51638003)； 中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(DUT17RW118).

劉 鳴*(1979-)，女，博士，副教授，E-mail:liumingyitj@163.com；任靜薇(1991-)，女，碩士生，E-mail:renjingwei@mail.dlut.edu.cn.