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

被動式超低能耗建筑對建筑圍護結(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)計規(guī)范》（GB50736-2012）均對住宅新風(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。

我國相關(guān)規(guī)范與標準對住宅新風(fēng)量的取值要求沒有統(tǒng)一的標準，具體見表1[2]。

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

表1 國內(nèi)外標準對住宅建筑最小新風(fēng)量的要求

有鑒于此，開展被動式超低能耗建筑內(nèi)新風(fēng)量標準的研究是十分必要的。本文以睡眠條件為基礎(chǔ)，對滿足CO2濃度要求的新風(fēng)量進行實驗研究。

1 實驗研究

1.1 實驗房間

本文實驗測試的地點為南京建鄴區(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，實驗房間參數(shù)見表2。建筑有一面外窗，窗戶氣密性達到6級，房間空調(diào)采用地板輻射供冷和獨立新風(fēng)系統(tǒng)的方式，室內(nèi)有2個新風(fēng)口，一個回風(fēng)口，回風(fēng)口設(shè)置在房門上方。

表2 房間參數(shù)表

圖1 實驗房間布局圖

實驗房間放置四根測桿，每根測桿分別在垂直0.8m和1.2m高度處設(shè)置測試點，一共有八個測試點，如圖1。1#，3#，5#，7#測點與人體處于同一高度，其中1#、5#測點靠近人體頭部，3#。# 測點位于腳部。2#、4#、6#、8#測點高于人體，處在1.2m水平高度上，并與測點 1#，3#，5#，7# 相對應(yīng)。

1.2 實驗儀器

本文實驗采用EZY-1S二氧化碳自記儀，測試時間間隔為2 min，儀器測試并自動記錄每個時刻的CO2濃度，測試量程為0～5000 ppm，測試精度為±75 ppm或者讀數(shù)的10%。

1.3 實驗方案

19:00開窗通風(fēng)，靜置一小時，使室內(nèi)CO2濃度下降，2名試驗人員（有關(guān)信息見表3）。20:00進入房間，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0.5 h，24:00再次進入房間，開始睡眠。第二天8:00結(jié)束一次實驗，晚上再開始下一次實驗。實驗從2016年7月11日開始，至7月18日結(jié)束，共持續(xù)8天。

表3 測試人員基本信息

2 實驗結(jié)果分析

2.1 穩(wěn)態(tài)時CO2濃度空間分布特征

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

圖2為不同新風(fēng)量下，清晨六點各測試點的CO2濃度。

1）空間分布規(guī)律

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

圖2 不同新風(fēng)量下各測試點穩(wěn)定后的CO2濃度

在1.2m高度上，室內(nèi)各測點的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為：測點2＞測點4＞測點6＞測點8。

由于睡眠時人體位置固定不變，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，室內(nèi)各測點的CO2濃度值均超過1400 ppm，人體呼吸區(qū)的濃度高達到1500 ppm，如果以1000 ppm為室內(nèi)可接受的標準，室內(nèi)環(huán)境狀態(tài)顯然很不理想。

新風(fēng)量為40m3/h時，室內(nèi)各測點的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，室內(nèi)各測點的CO2濃度值從700 ppm到1000 ppm之間。室內(nèi)環(huán)境能達到要求。實驗條件下，新風(fēng)量達到50m3/h是比較合理的。

3）各點濃度間的差異

當新風(fēng)量偏小時，即新風(fēng)量為30、35m3/h時各測濃度差比較小。1#與5#測點間的差異最大，約為150 ppm。

當新風(fēng)量達到40m3/h時，各測點間的濃度差達到最大，5#與1#測點間的差值約為300 ppm。新風(fēng)量再繼續(xù)增大，各測點間的濃度差反而越來越小，最后維持在最大相差150 ppm左右。

實驗結(jié)果表明了稀釋作用對于區(qū)域濃度差的影響。當新風(fēng)量小，稀釋作用不強時，室內(nèi)各點的CO2濃度高，平均值大，濃度分布的離散性也較小。而當新風(fēng)量較大，稀釋作用較強時，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 睡眠時人體呼吸區(qū)CO2濃度的動態(tài)變化特征

睡眠時人體呼吸區(qū)的CO2濃度會受新風(fēng)量和人員活動的影響而不斷發(fā)生變化。室內(nèi)CO2濃度由初始狀態(tài)將逐漸增高，直至達到穩(wěn)定。在不同送風(fēng)量條件下，CO2濃度達到穩(wěn)定的時間長短不一。實驗研究24:00～8:00不同新風(fēng)量下CO2濃度的動態(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# 四個測點CO2濃度的逐時變化情況。由圖3可看出，測點1的CO2濃度在3 h后達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后一直維持在1450 ppm。而測點2的CO2濃度雖比測點1提前0.5 h達到穩(wěn)態(tài)，但其動態(tài)曲線與測點1基本一致。測點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點1低200 ppm。測點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）時呼吸區(qū)CO2逐時濃度

圖4為新風(fēng)量 40m3/h 工況下，1#、2#、5#、6# 四個測點CO2濃度的逐時變化情況。由圖4可看出，測點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。測點2的CO2濃度在1.5 h后達到穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定值與測點1相差不大。測點5的CO2濃度在1.5 h后達到峰值為1000 ppm，之后CO2濃度值一直上下波動。測點6的CO2濃度也在1.5 h后達到峰值900 ppm，與測點5相比濃度曲線相對穩(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濃度最高仍會達到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）時呼吸區(qū)CO2逐時濃度

圖5為新風(fēng)量 50m3/h 工況下，1#、2#、5#、6# 四個測點CO2濃度的逐時變化情況。由圖5可以看出，測點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，基本維持在950 ppm。測點2的CO2濃度在1 h后就達到穩(wěn)定，穩(wěn)定值約為930 ppm。測點5的CO2濃度在1.5 h達到780 ppm后又逐漸下降，早上六點后緩慢上升，可能是實驗人員提前蘇醒的原因。測點6的CO2濃度變化與測點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）時呼吸區(qū)CO2逐時濃度

圖6為新風(fēng)量 60m3/h 工況下，1#、2#、5#、6# 四個測點CO2濃度的逐時變化情況。由圖6可以看出，測點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，在凌晨3:30至4:00之間濃度最低，可能是此時實驗人員處于深度睡眠中。測點2的CO2濃度在1 h內(nèi)達到穩(wěn)定，之后的波動曲線與測點1較為一致。測點5的CO2濃度0.5 h內(nèi)快速上升到725 ppm，經(jīng)過一系列波動在凌晨2:00達到峰值780 ppm，此時的峰值是由于實驗人員活動造成的，并不是穩(wěn)定上升所達到的峰值。測點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）時呼吸區(qū)CO2逐時濃度

圖3～圖6分別為不同新風(fēng)量下人體呼吸區(qū)各測點的CO2濃度動態(tài)變化特征。實驗結(jié)果表明，新風(fēng)量越大，室內(nèi)CO2濃度會越快達到穩(wěn)態(tài)，穩(wěn)定濃度也會越低。

2.3 靜坐和睡眠時人體呼吸區(qū)CO2濃度比較

人員夜晚在臥室的主要活動為靜坐和睡眠，盡管睡眠的時間相對靜坐的狀態(tài)要長很多，但由于靜坐狀態(tài)比睡眠狀態(tài)相同的時間內(nèi)會散發(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 人體靜坐和睡眠時室內(nèi)CO2濃度的比較

圖7為不同新風(fēng)量下實驗人員在睡眠和靜坐兩種狀態(tài)下CO2濃度（測點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)人體靜坐和睡眠時室內(nèi)CO2濃度幾乎呈相同的增長趨勢。在相同的新風(fēng)量下，靜坐時的CO2濃度整體比睡眠時要高出約200 ppm。由于測試時間的關(guān)系，CO2濃度的增長尚未達到穩(wěn)定狀態(tài)。新風(fēng)量小于50m3/h時，到1 h結(jié)束時，CO2濃度依然保持了較大的上升速率。新風(fēng)量55m3/h時，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)計標準規(guī)定計算，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)，僅為實驗測定值的一半，遠小于住宅臥室的室內(nèi)新風(fēng)需求量。表明不能僅按照標準規(guī)定的新風(fēng)量最小值確定新風(fēng)量。

2）夜間睡眠時，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，可大幅降低CO2濃度。當新風(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，人員靜坐時比睡眠時室內(nèi)CO2濃度平均高出約200 ppm。在實驗進行的1 h時間內(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。如要求人員靜坐時使室內(nèi)CO2濃度長期穩(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)負荷。

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

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