夜間室內(nèi)CO2濃度與新風(fēng)量關(guān)系的實(shí)測(cè)研究

茅莉琳 龔延風(fēng) 徐丹

南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院

0 引言

被動(dòng)式超低能耗建筑對(duì)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的高要求提升了建筑的保溫隔熱性能和整體氣密性，有效減少了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)和室內(nèi)外空氣滲透引起的冷熱量損失。為了滿足室內(nèi)衛(wèi)生和人體健康要求，必須保證一定的新風(fēng)量供應(yīng)。

ASHRAE Standard 62.1-2010和《民用建筑供暖通風(fēng)和空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）均對(duì)住宅新風(fēng)量作了相關(guān)規(guī)定。

ASHRAE Standard 62.1-2010規(guī)定呼吸區(qū)所需的室外新風(fēng)不應(yīng)小于式1-1的規(guī)定值[1]。

式中：Az為住宅面積，m2；Pz為入住人數(shù)；Rp為每人所需的新風(fēng)量，m3/(h·p)，取 8.5m3/(h·p)；Ra為每平方米所需的新風(fēng)量，取1m3/(h·m2)。默認(rèn)住宅入住率為兩人，且為一室一廳，每增加一間臥室人數(shù)加一人。

我國(guó)相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)對(duì)住宅新風(fēng)量的取值要求沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，具體見表1[2]。

標(biāo)準(zhǔn)存在的問題是：所規(guī)定的新風(fēng)量屬于最小新風(fēng)量，對(duì)于設(shè)計(jì)需要的適宜新風(fēng)量并未給出。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，往往就以最小新風(fēng)量作為實(shí)際設(shè)計(jì)總新風(fēng)量，這樣并不滿足室內(nèi)健康環(huán)境的要求。另外標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定各房間新風(fēng)分配的辦法，設(shè)計(jì)時(shí)各房間新風(fēng)量分配隨意性較大。由于住宅內(nèi)人員活動(dòng)習(xí)慣不同，對(duì)新風(fēng)量的要求也不同，住宅內(nèi)人員活動(dòng)時(shí)間最長(zhǎng)的莫過于睡眠，一般達(dá)6～8 h，其次是晚飯后的休閑時(shí)間，以靜坐和輕度活動(dòng)為主，可能達(dá)到3～5 h，哪種狀態(tài)下新風(fēng)量需求更大尚不明確。

表1 國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)住宅建筑最小新風(fēng)量的要求

有鑒于此，開展被動(dòng)式超低能耗建筑內(nèi)新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)的研究是十分必要的。本文以睡眠條件為基礎(chǔ)，對(duì)滿足CO2濃度要求的新風(fēng)量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)房間

本文實(shí)驗(yàn)測(cè)試的地點(diǎn)為南京建鄴區(qū)某住宅樓17樓的朝南臥室。該臥室地面面積12m2，層高為3 m，實(shí)驗(yàn)房間參數(shù)見表2。建筑有一面外窗，窗戶氣密性達(dá)到6級(jí)，房間空調(diào)采用地板輻射供冷和獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)的方式，室內(nèi)有2個(gè)新風(fēng)口，一個(gè)回風(fēng)口，回風(fēng)口設(shè)置在房門上方。

表2 房間參數(shù)表

圖1 實(shí)驗(yàn)房間布局圖

實(shí)驗(yàn)房間放置四根測(cè)桿，每根測(cè)桿分別在垂直0.8m和1.2m高度處設(shè)置測(cè)試點(diǎn)，一共有八個(gè)測(cè)試點(diǎn)，如圖1。1#，3#，5#，7#測(cè)點(diǎn)與人體處于同一高度，其中1#、5#測(cè)點(diǎn)靠近人體頭部，3#。# 測(cè)點(diǎn)位于腳部。2#、4#、6#、8#測(cè)點(diǎn)高于人體，處在1.2m水平高度上，并與測(cè)點(diǎn) 1#，3#，5#，7# 相對(duì)應(yīng)。

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器

本文實(shí)驗(yàn)采用EZY-1S二氧化碳自記儀，測(cè)試時(shí)間間隔為2 min，儀器測(cè)試并自動(dòng)記錄每個(gè)時(shí)刻的CO2濃度，測(cè)試量程為0～5000 ppm，測(cè)試精度為±75 ppm或者讀數(shù)的10%。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

19:00開窗通風(fēng)，靜置一小時(shí)，使室內(nèi)CO2濃度下降，2名試驗(yàn)人員（有關(guān)信息見表3）。20:00進(jìn)入房間，關(guān)閉窗戶，在床上靜坐1 h，21:00記錄CO2數(shù)據(jù)。再開窗通風(fēng)，靜置兩個(gè)0.5 h，24:00再次進(jìn)入房間，開始睡眠。第二天8:00結(jié)束一次實(shí)驗(yàn)，晚上再開始下一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)從2016年7月11日開始，至7月18日結(jié)束，共持續(xù)8天。

表3 測(cè)試人員基本信息

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)時(shí)CO2濃度空間分布特征

穩(wěn)態(tài)是指房間內(nèi)各點(diǎn)CO2濃度不再發(fā)生變化。由于不同新風(fēng)量下達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間不一致，統(tǒng)一以早上六時(shí)的CO2濃度為基準(zhǔn)。

圖2為不同新風(fēng)量下，清晨六點(diǎn)各測(cè)試點(diǎn)的CO2濃度。

1）空間分布規(guī)律

在0.8m高度上，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的CO2濃度值規(guī)律性很強(qiáng)，濃度值由大到小排序?yàn)椋簻y(cè)點(diǎn)1＞測(cè)點(diǎn)3＞測(cè)點(diǎn)5＞測(cè)點(diǎn)7。測(cè)點(diǎn)1不僅靠近人體呼吸區(qū)且離送風(fēng)口較遠(yuǎn)，因此該測(cè)點(diǎn)的CO2濃度最高。測(cè)點(diǎn)3雖遠(yuǎn)離呼吸區(qū)但也遠(yuǎn)離送風(fēng)口，濃度擴(kuò)散不利，其濃度值高于測(cè)點(diǎn)5。排列第二。測(cè)點(diǎn)5雖然靠近呼吸區(qū)，但緊靠新風(fēng)口，故測(cè)點(diǎn)5的濃度值有所下降，排列第三。測(cè)點(diǎn)7遠(yuǎn)離呼吸區(qū)且靠近新風(fēng)口，所以其CO2濃度值最小。

圖2 不同新風(fēng)量下各測(cè)試點(diǎn)穩(wěn)定后的CO2濃度

在1.2m高度上，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的CO2濃度值的變化規(guī)律基本與0.8 m高度一致，濃度值由大到小排序?yàn)椋簻y(cè)點(diǎn)2＞測(cè)點(diǎn)4＞測(cè)點(diǎn)6＞測(cè)點(diǎn)8。

由于睡眠時(shí)人體位置固定不變，人體呼吸區(qū)CO2易堆積，但新風(fēng)如果直接送入呼吸區(qū)，可以顯著減少CO2堆積，有利于提高新風(fēng)利用效率。

2）新風(fēng)量與CO2濃度的變化

新風(fēng)量為35m3/h時(shí)，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的CO2濃度值均超過1400 ppm，人體呼吸區(qū)的濃度高達(dá)到1500 ppm，如果以1000 ppm為室內(nèi)可接受的標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)顯然很不理想。

新風(fēng)量為40m3/h時(shí)，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的CO2濃度值為850 ppm到1150 ppm之間。接近1000 ppm。室內(nèi)環(huán)境尚可接受。

新風(fēng)量為50m3/h時(shí)，室內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的CO2濃度值從700 ppm到1000 ppm之間。室內(nèi)環(huán)境能達(dá)到要求。實(shí)驗(yàn)條件下，新風(fēng)量達(dá)到50m3/h是比較合理的。

3）各點(diǎn)濃度間的差異

當(dāng)新風(fēng)量偏小時(shí)，即新風(fēng)量為30、35m3/h時(shí)各測(cè)濃度差比較小。1#與5#測(cè)點(diǎn)間的差異最大，約為150 ppm。

當(dāng)新風(fēng)量達(dá)到40m3/h時(shí)，各測(cè)點(diǎn)間的濃度差達(dá)到最大，5#與1#測(cè)點(diǎn)間的差值約為300 ppm。新風(fēng)量再繼續(xù)增大，各測(cè)點(diǎn)間的濃度差反而越來越小，最后維持在最大相差150 ppm左右。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了稀釋作用對(duì)于區(qū)域濃度差的影響。當(dāng)新風(fēng)量小，稀釋作用不強(qiáng)時(shí)，室內(nèi)各點(diǎn)的CO2濃度高，平均值大，濃度分布的離散性也較小。而當(dāng)新風(fēng)量較大，稀釋作用較強(qiáng)時(shí)，稀釋效果好，CO2濃度低，平均值小，濃度分布的離散性也較小。

2.2 睡眠時(shí)人體呼吸區(qū)CO2濃度的動(dòng)態(tài)變化特征

睡眠時(shí)人體呼吸區(qū)的CO2濃度會(huì)受新風(fēng)量和人員活動(dòng)的影響而不斷發(fā)生變化。室內(nèi)CO2濃度由初始狀態(tài)將逐漸增高，直至達(dá)到穩(wěn)定。在不同送風(fēng)量條件下，CO2濃度達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間長(zhǎng)短不一。實(shí)驗(yàn)研究24:00～8:00不同新風(fēng)量下CO2濃度的動(dòng)態(tài)變化，以反映這一特性。

圖3為新風(fēng)量 30m3/h 工況下，1#、2#、5#、6# 四個(gè)測(cè)點(diǎn)CO2濃度的逐時(shí)變化情況。由圖3可看出，測(cè)點(diǎn)1的CO2濃度在3 h后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，然后一直維持在1450 ppm。而測(cè)點(diǎn)2的CO2濃度雖比測(cè)點(diǎn)1提前0.5 h達(dá)到穩(wěn)態(tài)，但其動(dòng)態(tài)曲線與測(cè)點(diǎn)1基本一致。測(cè)點(diǎn)5靠近風(fēng)口，其室內(nèi)CO2濃度在 1.5 h后就穩(wěn)定在1250 ppm，平均比同樣處于人體呼吸平面上的測(cè)點(diǎn)1低200 ppm。測(cè)點(diǎn)6的CO2濃度在2.5 h后趨于穩(wěn)定，然后有小幅上升。

圖3 新風(fēng)量30m3/h（換氣次數(shù)0.83 h-1）時(shí)呼吸區(qū)CO2逐時(shí)濃度

圖4為新風(fēng)量 40m3/h 工況下，1#、2#、5#、6# 四個(gè)測(cè)點(diǎn)CO2濃度的逐時(shí)變化情況。由圖4可看出，測(cè)點(diǎn)1的CO2濃度在2 h后就基本維持在1125 ppm，相比圖3提前了1 h，且CO2濃度值下降了300 ppm。測(cè)點(diǎn)2的CO2濃度在1.5 h后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定值與測(cè)點(diǎn)1相差不大。測(cè)點(diǎn)5的CO2濃度在1.5 h后達(dá)到峰值為1000 ppm，之后CO2濃度值一直上下波動(dòng)。測(cè)點(diǎn)6的CO2濃度也在1.5 h后達(dá)到峰值900 ppm，與測(cè)點(diǎn)5相比濃度曲線相對(duì)穩(wěn)定，維持在820 ppm。新風(fēng)量增大到40m3/h（換氣次數(shù)1.11 h-1）后，室內(nèi)呼吸區(qū)的CO2濃度最高仍會(huì)達(dá)到1150 ppm，因此不滿足夜晚臥室人員的新風(fēng)需求，需繼續(xù)增大新風(fēng)量。

圖4 新風(fēng)量40m3/h（換氣次數(shù)1.11 h-1）時(shí)呼吸區(qū)CO2逐時(shí)濃度

圖5為新風(fēng)量 50m3/h 工況下，1#、2#、5#、6# 四個(gè)測(cè)點(diǎn)CO2濃度的逐時(shí)變化情況。由圖5可以看出，測(cè)點(diǎn)1的CO2濃度在1.5 h后逐漸穩(wěn)定，之后數(shù)值在小范圍內(nèi)波動(dòng)，基本維持在950 ppm。測(cè)點(diǎn)2的CO2濃度在1 h后就達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為930 ppm。測(cè)點(diǎn)5的CO2濃度在1.5 h達(dá)到780 ppm后又逐漸下降，早上六點(diǎn)后緩慢上升，可能是實(shí)驗(yàn)人員提前蘇醒的原因。測(cè)點(diǎn)6的CO2濃度變化與測(cè)點(diǎn)5趨于一致且更為穩(wěn)定。新風(fēng)量增大到50m3/h（換氣次數(shù)1.39 h-1），室內(nèi)人員呼吸區(qū)的CO2濃度始終保持在1000 ppm以下，滿足夜晚臥室人員的新風(fēng)需求。

圖5 新風(fēng)量50m3/h（換氣次數(shù)1.39 h-1）時(shí)呼吸區(qū)CO2逐時(shí)濃度

圖6為新風(fēng)量 60m3/h 工況下，1#、2#、5#、6# 四個(gè)測(cè)點(diǎn)CO2濃度的逐時(shí)變化情況。由圖6可以看出，測(cè)點(diǎn)1的CO2濃度1 h內(nèi)快速上升到峰值850 ppm，之后CO2濃度在775～825 ppm之間波動(dòng)，在凌晨3:30至4:00之間濃度最低，可能是此時(shí)實(shí)驗(yàn)人員處于深度睡眠中。測(cè)點(diǎn)2的CO2濃度在1 h內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定，之后的波動(dòng)曲線與測(cè)點(diǎn)1較為一致。測(cè)點(diǎn)5的CO2濃度0.5 h內(nèi)快速上升到725 ppm，經(jīng)過一系列波動(dòng)在凌晨2:00達(dá)到峰值780 ppm，此時(shí)的峰值是由于實(shí)驗(yàn)人員活動(dòng)造成的，并不是穩(wěn)定上升所達(dá)到的峰值。測(cè)點(diǎn)6的CO2濃度前1 h穩(wěn)定上升到700 ppm，峰值也在凌晨2:00出現(xiàn)，為750 ppm。

圖6 新風(fēng)量60m3/h（換氣次數(shù)1.63 h-1）時(shí)呼吸區(qū)CO2逐時(shí)濃度

圖3～圖6分別為不同新風(fēng)量下人體呼吸區(qū)各測(cè)點(diǎn)的CO2濃度動(dòng)態(tài)變化特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，新風(fēng)量越大，室內(nèi)CO2濃度會(huì)越快達(dá)到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定濃度也會(huì)越低。

2.3 靜坐和睡眠時(shí)人體呼吸區(qū)CO2濃度比較

人員夜晚在臥室的主要活動(dòng)為靜坐和睡眠，盡管睡眠的時(shí)間相對(duì)靜坐的狀態(tài)要長(zhǎng)很多，但由于靜坐狀態(tài)比睡眠狀態(tài)相同的時(shí)間內(nèi)會(huì)散發(fā)出更多的CO2，因此不能僅考慮人員睡眠狀態(tài)下的室內(nèi)CO2濃度，還應(yīng)比較不同新風(fēng)量下人員睡眠狀態(tài)和靜坐狀態(tài)的CO2濃度的變化。

圖7 人體靜坐和睡眠時(shí)室內(nèi)CO2濃度的比較

圖7為不同新風(fēng)量下實(shí)驗(yàn)人員在睡眠和靜坐兩種狀態(tài)下CO2濃度（測(cè)點(diǎn)1）在1 h內(nèi)的變化。

由圖7可以看出，不同新風(fēng)量下1 h內(nèi)人體靜坐和睡眠時(shí)室內(nèi)CO2濃度幾乎呈相同的增長(zhǎng)趨勢(shì)。在相同的新風(fēng)量下，靜坐時(shí)的CO2濃度整體比睡眠時(shí)要高出約200 ppm。由于測(cè)試時(shí)間的關(guān)系，CO2濃度的增長(zhǎng)尚未達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。新風(fēng)量小于50m3/h時(shí)，到1 h結(jié)束時(shí)，CO2濃度依然保持了較大的上升速率。新風(fēng)量55m3/h時(shí)，CO2濃度上升速率才變得較為平緩。

3 結(jié)論

1）在夜間睡眠狀態(tài)下，雙人（成年人）臥室的新風(fēng)量不宜低于25m3/(h·p)。如以現(xiàn)有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定計(jì)算，該房間內(nèi)的換氣次數(shù)為0.7 h-1，新風(fēng)量為12.5m3/(h·p)，僅為實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的一半，遠(yuǎn)小于住宅臥室的室內(nèi)新風(fēng)需求量。表明不能僅按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的新風(fēng)量最小值確定新風(fēng)量。

2）夜間睡眠時(shí)，在一定的新風(fēng)量條件下（40～50m3/h），室內(nèi)CO2濃度分布差異較大，人員呼吸區(qū)的CO2濃度顯著高于比其他區(qū)域，但新風(fēng)口靠近人體呼吸區(qū)時(shí)，可大幅降低CO2濃度。當(dāng)新風(fēng)量大于55m3/h后，由于較充分稀釋作用，室內(nèi)CO2濃度的差異減少。

3）相同新風(fēng)量時(shí)，人員靜坐時(shí)比睡眠時(shí)室內(nèi)CO2濃度平均高出約200 ppm。在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的1 h時(shí)間內(nèi)，如果要使CO2濃度控制在1000 ppm以內(nèi)，新風(fēng)量不能低于50m3/h。如要求人員靜坐時(shí)使室內(nèi)CO2濃度長(zhǎng)期穩(wěn)定在1000 ppm以內(nèi)，新風(fēng)量還應(yīng)增加。

4）居住建筑的新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)為分室可調(diào)的系統(tǒng)，可根據(jù)各房間的使用情況，調(diào)整各房間新風(fēng)量。既充分保障各房間的新風(fēng)量充足供應(yīng)，又有效控制新風(fēng)負(fù)荷。

[1]ASHRAE.ASHRAE Standard 62.1-2010:Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality[S].Atlanta:ASHRAE,2010

[2]中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB50736-2012民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2012.