唐堅(jiān)，陳雄

（1.廣東省綠色建材與裝配式建筑工程技術(shù)研究中心，廣東茂名 525099；2.暨南大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院∥重大工程災(zāi)害與控制”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州 510632）

建筑室內(nèi)污染控制因建筑氣密性提高、（為降低能耗導(dǎo)致的）新風(fēng)量不足、多樣的建筑材料選擇等原因，某些污染物濃度會(huì)遠(yuǎn)超室外，以致長期在室內(nèi)工作生活的人出現(xiàn)頭暈、惡心、胸悶、乏力、嗜睡、煩躁、皮膚干燥、濕疹等癥狀，英美稱為病態(tài)建筑綜合征（Sick building syndrome）［1］，1997年起特別是近年來日本厚生勞動(dòng)省已正式認(rèn)定“シックハウス癥候群”（病態(tài)建筑綜合征）病名并制定對(duì)策.新鮮空氣的供給是保證室內(nèi)高品質(zhì)空氣的重要措施［2-3］.2020年新冠病毒疫情期間，由于防控措施使得大部分人呆在室內(nèi)時(shí)間相對(duì)增加，被忽視的室內(nèi)新風(fēng)及空氣質(zhì)量問題越發(fā)凸顯其重要性.

室內(nèi)污染物濃度變化是一個(gè)時(shí)時(shí)刻刻復(fù)雜多變的過程［4］，目前中國對(duì)于室內(nèi)污染物濃度變化研究定量計(jì)算與分析不多［5-7］.相對(duì)于傳統(tǒng)新風(fēng)，個(gè)體化新風(fēng)方式研究較少［8］.室內(nèi)有界條件下污染物濃度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)分析較多［9］；實(shí)際上污染物濃度時(shí)刻變化，對(duì)于全時(shí)長周期任一時(shí)刻（遞增和衰減，以下簡稱全時(shí)長周期）“非穩(wěn)定狀態(tài)→穩(wěn)定狀態(tài)”的實(shí)驗(yàn)、模擬較少，室內(nèi)有界條件下“非穩(wěn)態(tài)”數(shù)理分析更少.本研究通過對(duì)傳統(tǒng)新風(fēng)，主要是新型通風(fēng)方式-個(gè)體化新風(fēng)方式的實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步基于全室瞬時(shí)均質(zhì)擴(kuò)散（理想充分混合）“非穩(wěn)態(tài)→穩(wěn)態(tài)”數(shù)理方程，解析全時(shí)長傳統(tǒng)新風(fēng)、個(gè)體化新風(fēng)方式“非穩(wěn)態(tài)→穩(wěn)態(tài)”的增減性、變化機(jī)理及差異.

1 研究方法

空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)主要采用量化監(jiān)測(cè)和主觀調(diào)查，量化監(jiān)測(cè)是指直接測(cè)量室內(nèi)污染物濃度來客觀了解、評(píng)價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì).室內(nèi)污染物種類較多，不同新風(fēng)輸送方式對(duì)室內(nèi)有害氣體稀釋程度不同［10-12］.CO2是室內(nèi)最常見氣態(tài)污染物，室內(nèi)其他有害氣體與CO2共存，如能較好稀釋CO2則能較好稀釋其他有害氣體，且CO2性質(zhì)非常穩(wěn)定，室內(nèi)CO2濃度常超出GB/T18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［13］規(guī)定限值0.1%（1 000 ppm）.本系列實(shí)驗(yàn)選擇CO2為代表性氣體，測(cè)量傳統(tǒng)新風(fēng)方式與個(gè)體化新風(fēng)方式在工作區(qū)內(nèi)CO2濃度，此濃度差異反映了不同新風(fēng)方式稀釋工作區(qū)內(nèi)有害氣體程度.

本研究通過傳統(tǒng)新風(fēng)、新型通風(fēng)方式-個(gè)體化新風(fēng)方式實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步基于全室瞬時(shí)均質(zhì)擴(kuò)散“非穩(wěn)定狀態(tài)→穩(wěn)定狀態(tài)”數(shù)理方程，解析全時(shí)長周期傳統(tǒng)新風(fēng)、個(gè)體化新風(fēng)方式“非穩(wěn)態(tài)→穩(wěn)態(tài)”的增減性、變化機(jī)理及差異.

2 實(shí)驗(yàn)描述

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本系列實(shí)驗(yàn)在一個(gè)容積63 m3（3 m×6 m×3.5 m）的實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行.室內(nèi)家具為4張辦公桌（1.2 m×0.6 m×0.8 m）和椅子.實(shí)驗(yàn)?zāi)M真實(shí)辦公場(chǎng)景，室內(nèi)4人靜坐辦公，1人走動(dòng).實(shí)驗(yàn)室門窗全部關(guān)閉.實(shí)驗(yàn)中新風(fēng)輸送分別采用傳統(tǒng)側(cè)上送側(cè)下回全室機(jī)械新風(fēng)方式（以下簡稱傳統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)方式）和個(gè)體化機(jī)械新風(fēng)方式［14-15］.

依據(jù)GB/T18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［13］附錄A《室內(nèi)空氣監(jiān)測(cè)技術(shù)導(dǎo)則》實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)置如下：

（1）進(jìn)、出風(fēng)口與測(cè)試點(diǎn)的相對(duì)位置，采樣點(diǎn)的數(shù)量.傳統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)方式時(shí)，將新風(fēng)口置于高度為2.5 m外窗上，如圖1所示.而個(gè)體化新風(fēng)方式時(shí)，將新風(fēng)口置于1.2 m高工作區(qū)位置，如圖2所示.排風(fēng)口均設(shè)于對(duì)側(cè)1.2 m高位置.實(shí)驗(yàn)1傳統(tǒng)新風(fēng)（小新風(fēng)量）CO2實(shí)驗(yàn)值取全室代表性測(cè)點(diǎn)平均值（為測(cè)量全室平均值，取避開通風(fēng)口天花、地面四角及中心位置各5測(cè)點(diǎn)，工作區(qū)臺(tái)面0.7 m高度避開通風(fēng)口距墻壁大于0.5 m的2采樣點(diǎn)），實(shí)驗(yàn)2傳統(tǒng)新風(fēng)（大新風(fēng)量）和實(shí)驗(yàn)3個(gè)體化新風(fēng)（大新風(fēng)量）CO2實(shí)驗(yàn)值僅取工作區(qū)測(cè)點(diǎn)平均值（工作區(qū)臺(tái)面0.7 m高度避開通風(fēng)口距墻壁大于0.5 m的2采樣點(diǎn)）.以測(cè)點(diǎn)CO2濃度為室內(nèi)空氣品質(zhì)指標(biāo)之一，比較兩種不同新風(fēng)方式稀釋有害氣體濃度的差別.

（2）監(jiān)測(cè)儀器及頻率.二氧化碳濃度測(cè)量儀采用鑫思特HT-2000，測(cè)量范圍/誤差/精度、0～9 999 ppm/±50 ppm的±5%讀數(shù)/1 ppm；溫濕度測(cè)量設(shè)備為Elitech LTC-100.測(cè)量時(shí)段為實(shí)驗(yàn)1（9：00am～14：00pm，測(cè)量頻率2 min），實(shí)驗(yàn)2、3（14：00am～17：00pm，測(cè)量頻率5 min）.

圖1 傳統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)方式示意圖Fig.1 Traditional mechanical fresh air pattern

圖2 個(gè)體化機(jī)械新風(fēng)方式示意圖Fig.2 Individualized mechanical fresh air pattern

2.2 實(shí)驗(yàn)操作

2.2.1 實(shí)驗(yàn)1

將房間徹底通風(fēng)，測(cè)得此時(shí)室內(nèi)CO2濃度為440 ppm，接近室外大氣CO2濃度.室內(nèi)4人靜坐辦公，1人走動(dòng)，房間密閉、采用傳統(tǒng)側(cè)上送側(cè)下回全室機(jī)械新風(fēng)方式，新風(fēng)換氣量設(shè)定為12.5 L/s.根據(jù)圖1所示測(cè)定不同時(shí)刻室內(nèi)CO2濃度全室平均值.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，室內(nèi)二氧化碳的平均濃度先是不斷上升，最后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，數(shù)值約為2 100 ppm.

2.2.2 實(shí)驗(yàn)2

實(shí)驗(yàn)1 CO2濃度達(dá)到穩(wěn)定范圍后，房間采用傳統(tǒng)側(cè)上送側(cè)下回全室機(jī)械新風(fēng)方式，新風(fēng)換氣量調(diào)節(jié)為70 L/s.室內(nèi)4人靜坐辦公，1人走動(dòng).新風(fēng)風(fēng)口如圖1所示，測(cè)定傳統(tǒng)新風(fēng)方式下工作區(qū)（呼吸區(qū)）CO2濃度隨時(shí)間的變化情況.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，室內(nèi)CO2的濃度先是不斷下降，最終穩(wěn)定在1 000 ppm以下一定范圍內(nèi)約為700 ppm，其穩(wěn)定范圍遠(yuǎn)小于實(shí)驗(yàn)1的2 100 ppm.

圖3 傳統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)（小風(fēng)量/遞增期）測(cè)點(diǎn)平均CO2濃度變化Fig.3 Change of average CO2 concentration at measuring points of traditional mechanical fresh air（small air volume/increase period）

圖4 傳統(tǒng)新風(fēng)（大風(fēng)量/衰減期）工作區(qū)測(cè)點(diǎn)CO2濃度變化Fig.4 Change of CO2 concentration in working area of traditional fresh air（large air volume/decay period）

2.2.3 實(shí)驗(yàn)3

實(shí)驗(yàn)1 CO2濃度達(dá)到穩(wěn)定范圍后，房間切換為個(gè)體化新風(fēng)方式，新風(fēng)換氣量仍設(shè)定為70 L/s.室內(nèi)同樣4人靜坐辦公，1人走動(dòng).新風(fēng)風(fēng)口如圖2所示，測(cè)定個(gè)體化新風(fēng)方式下工作區(qū)（呼吸區(qū)）CO2濃度隨時(shí)間的變化情況.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5、6實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，室內(nèi)CO2濃度先是不斷下降，最終穩(wěn)定在1 000 ppm以下一定范圍內(nèi)約為590 ppm，與實(shí)驗(yàn)2比較CO2濃度穩(wěn)定范圍低，且下降速度快.

圖5 個(gè)體化新風(fēng)（大風(fēng)量/衰減期）工作區(qū)測(cè)點(diǎn)CO2濃度變化Fig.5 Change of CO2 concentration in working area of individualized fresh air（large air volume/decay period）

圖6 全時(shí)長周期CO2濃度變化Fig.6 Change of CO2 concentration of a full-time long period

3 瞬時(shí)均質(zhì)擴(kuò)散（理想充分混合）-計(jì)算分析

室內(nèi)某種污染物質(zhì)產(chǎn)生瞬間在全室內(nèi)有界空間擴(kuò)散且擴(kuò)散處均為同一濃度的狀況稱為瞬時(shí)均質(zhì)擴(kuò)散.

基于微小時(shí)間段d t室內(nèi)污染物流出流入平衡（圖7）：

3.1 當(dāng)V＝Vwhole＞0（全室Vwhole瞬時(shí)均質(zhì)擴(kuò)散，V≠0）時(shí)

微小時(shí)間段d t室內(nèi)污染物濃度以d Cin變化（圖7），式（1）可變形為

圖7 單室污染物質(zhì)濃度變動(dòng)Fig.7 Change of concentration of pollutants in a single room

初始條件t＝0，Cin＝Cs（Cs：室內(nèi)初始濃度）時(shí)，解微分方程得到

據(jù)式（3）t→＋∞時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，

由式（3）和式（4）可知，當(dāng)V＝Vwhole＞0時(shí)，室內(nèi)污染物濃度隨時(shí)間變化，且Cin最終達(dá)到理想穩(wěn)態(tài)

3.2 空間漏氣判斷及自然滲風(fēng)量計(jì)算

3.2.1 房間完全密閉且無新風(fēng)和漏氣

當(dāng)房間完全密閉時(shí)，新風(fēng)換氣量Q＝0，式（1）化為M d t＝V d Cin，兩邊積分得Mt＝VCin＋Const1，當(dāng)t＝0，Cin＝Cs時(shí)，Const1＝-VCs，得

式（5）為一次函數(shù)，當(dāng)t→＋∞時(shí)，Cin→＋∞，室內(nèi)濃度無限增大.

3.2.2 房間不密閉，存在漏氣或新風(fēng)時(shí)

3.3 空間內(nèi)污染物濃度增減性（函數(shù)單調(diào)性）判斷

③C′in＝0時(shí)為式（3）函數(shù)極值.

4 小新風(fēng)量遞增期實(shí)驗(yàn)及自然滲風(fēng)量計(jì)算分析

查資料室內(nèi)辦公成年人的人均CO2產(chǎn)生速率約20 L/h［16］，CO2分子量44.009 5，密度取1.964 7 mg/mL（kg/m3），產(chǎn)生總速率：

室外和室內(nèi)污染物濃度初始值為：

室內(nèi)污染物濃度開始不斷增高最后穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)，數(shù)值約2 100 ppm

實(shí)驗(yàn)1機(jī)械通風(fēng)量Q2＝12.5 L/s＝45 m3/h，據(jù)式（4）得總通風(fēng)量為

依據(jù)前述自然滲風(fēng)量分析，污染物濃度不是一次線性上升而存在穩(wěn)定狀態(tài)且總通風(fēng)量Q＞Q2判斷房間不密閉存在滲風(fēng).據(jù)式（6）解得房間的自然滲風(fēng)量為

據(jù)式（3）得到Cin＝2 100-1 660.03e-0.96t（ppm），計(jì)算值（圖3、6）顯示室內(nèi)CO2濃度先不斷指數(shù)遞增，最后達(dá)到理想穩(wěn)態(tài)值；與實(shí)驗(yàn)1吻合.

5 大新風(fēng)量衰減期實(shí)驗(yàn)計(jì)算分析

實(shí)驗(yàn)2、3調(diào)節(jié)機(jī)械新風(fēng)量Q2＝70 L/s＝70 L/s×3 600 s×10-3m3/h＝252 m3/h

當(dāng)t→＋∞時(shí)達(dá)到穩(wěn)態(tài)據(jù)式（4）得室內(nèi)均質(zhì)擴(kuò)散穩(wěn)態(tài)濃度極值為

據(jù)式（3）得到Cin＝814.20＋1 285.80e-4.24t（ppm），計(jì)算值（圖4～6）顯示室內(nèi)CO2濃度先不斷衰減，最后達(dá)到理想穩(wěn)態(tài)值814.20 ppm.

6 討論與分析

6.1 調(diào)整風(fēng)量室內(nèi)污染物濃度增減性（函數(shù)單調(diào)性）判斷

12.5L/s小風(fēng)量實(shí)驗(yàn)1據(jù)式（7）：

因此室內(nèi)濃度計(jì)算值單調(diào)遞增與實(shí)驗(yàn)1濃度遞增吻合（圖3、6）；

增大風(fēng)量至70 L/s實(shí)驗(yàn)2，3據(jù)式（7）：

因此室內(nèi)濃度計(jì)算值單調(diào)遞減與實(shí)驗(yàn)2、3濃度衰減吻合（圖4、5、6）.

實(shí)驗(yàn)1（傳統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)遞增期）新風(fēng)量小，室內(nèi)污染物濃度遞增；增大新風(fēng)量后實(shí)驗(yàn)2（傳統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)衰減期）、實(shí)驗(yàn)3（個(gè)體化機(jī)械新風(fēng)衰減期）室內(nèi)污染物濃度遞減.三實(shí)驗(yàn)室內(nèi)污染物濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均經(jīng)過一段時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定范圍，變化趨勢(shì)符合式（3）描述，室內(nèi)污染物濃度遞增或衰減符合式（7）函數(shù)單調(diào)性判斷（圖6）.

6.2 同風(fēng)量傳統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)與個(gè)體化機(jī)械新風(fēng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比

加大新風(fēng)量后，同風(fēng)量傳統(tǒng)新風(fēng)與個(gè)體化新風(fēng)實(shí)驗(yàn)的工作區(qū)CO2濃度衰減后穩(wěn)定范圍均遠(yuǎn)低于小新風(fēng)量傳統(tǒng)新風(fēng)實(shí)驗(yàn)的遞增后濃度穩(wěn)定范圍，在1 000 ppm以下.

對(duì)照實(shí)驗(yàn)2和實(shí)驗(yàn)3，基于瞬時(shí)均質(zhì)擴(kuò)散模型計(jì)算出的穩(wěn)態(tài)值均為814.20 ppm，而不論是傳統(tǒng)新風(fēng)還是個(gè)體化新風(fēng)，其全室污染物濃度場(chǎng)并非理想的均質(zhì)擴(kuò)散，濃度場(chǎng)并不均勻.實(shí)際上離新風(fēng)口近處空氣齡短，污染物濃度下降更快且實(shí)驗(yàn)穩(wěn)態(tài)濃度范圍小于計(jì)算穩(wěn)態(tài)值.

因此實(shí)驗(yàn)2傳統(tǒng)新風(fēng)工作區(qū)CO2實(shí)際濃度衰減后穩(wěn)定范圍要小于計(jì)算穩(wěn)態(tài)值814.20 ppm；個(gè)體化新風(fēng)送風(fēng)口更接近工作區(qū)，CO2實(shí)際濃度衰減后穩(wěn)定范圍更小于傳統(tǒng)新風(fēng)工作區(qū).實(shí)驗(yàn)結(jié)果個(gè)體化新風(fēng)下室內(nèi)工作區(qū)污染物濃度下降更快，空氣品質(zhì)更好.但由于實(shí)驗(yàn)空間較小，傳統(tǒng)新風(fēng)主要置換層流區(qū)域亦在工作區(qū)，因此與工作區(qū)個(gè)體化新風(fēng)污染物濃度下降值差異不大；筆者對(duì)深圳新機(jī)場(chǎng)大空間空氣質(zhì)量前期研究，曾錄得個(gè)體化通風(fēng)二氧化碳濃度更大差值.

7 結(jié)論

（1）實(shí)驗(yàn)1（傳統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)遞增期）新風(fēng)量小，室內(nèi)污染物濃度遞增；增大新風(fēng)量后實(shí)驗(yàn)2（傳統(tǒng)機(jī)械新風(fēng)衰減期）、實(shí)驗(yàn)3（個(gè)體化機(jī)械新風(fēng)衰減期）室內(nèi)污染物濃度遞減.三實(shí)驗(yàn)室內(nèi)污染物濃度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均經(jīng)過較長時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定范圍，變化趨勢(shì)符合式（3）描述，室內(nèi)污染物濃度遞增或衰減符合式（7）函數(shù)單調(diào)性判斷（圖6）.

（2）相對(duì)瞬時(shí)均質(zhì)擴(kuò)散計(jì)算值，全室污染物濃度場(chǎng)并不均勻，實(shí)際上離新風(fēng)口近處空氣齡短，污染物濃度下降更快且實(shí)驗(yàn)濃度穩(wěn)定范圍小于計(jì)算穩(wěn)態(tài)值.個(gè)體化新風(fēng)送風(fēng)口更接近工作區(qū)，因此同風(fēng)量實(shí)驗(yàn)濃度穩(wěn)定范圍要優(yōu)于瞬時(shí)均質(zhì)擴(kuò)散計(jì)算值和傳統(tǒng)新風(fēng)方式.

實(shí)驗(yàn)結(jié)果個(gè)體化新風(fēng)室內(nèi)工作區(qū)污染物濃度下降達(dá)到穩(wěn)定范圍更快，空氣品質(zhì)更好.

由于實(shí)驗(yàn)空間較小，傳統(tǒng)新風(fēng)主要置換層流區(qū)域亦在工作區(qū)，因此與工作區(qū)個(gè)體化新風(fēng)污染物濃度下降值差異不大.大空間傳統(tǒng)置換通風(fēng)與個(gè)體化通風(fēng)二氧化碳濃度差異研究及建筑（室內(nèi)）設(shè)計(jì)時(shí)的整合考慮是具前景的實(shí)用化課題.