邵一鳴, 李加強, 周志偉, 陳淏婧
(南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院,南京 210009)
室內(nèi)空氣中常見的污染物有CO2、顆粒物(PM)和揮發(fā)性有機化合物(VOC)三大類。除了通風(fēng)稀釋污染物的方法外,目前應(yīng)對PM和VOC類的污染物已有多種實用的過濾和吸收方法[1-4],而CO2由于分子太小,難以通過這些方法解決。過高的CO2濃度會導(dǎo)致“病態(tài)建筑綜合癥”[5]和工作生產(chǎn)力下降[6],人會出現(xiàn)明顯的神經(jīng)生理癥狀(即疲勞,注意力難集中和頭痛)[7]。雖然自然通風(fēng)能很好地稀釋室內(nèi)CO2濃度,但是一些高層、超高層建筑,為了消除室外高風(fēng)速的影響,采用的是固定外窗,換氣幾乎完全由新風(fēng)系統(tǒng)完成。如果室外溫度達(dá)不到室內(nèi)舒適度要求,新風(fēng)機需要對進入室內(nèi)的新風(fēng)進行預(yù)冷/預(yù)熱,此過程產(chǎn)生了較可觀的能耗。是否可以在減少新風(fēng)量需求的同時,并不犧牲室內(nèi)空氣質(zhì)量?綠色植物的光合作用就可以提供這樣一種補償方式。綠植光合作用中吸收CO2放出氧氣的過程,正好與人的呼吸作用相反。而辦公建筑的工作時段與植物日間光合作用的時段又大致重合。如果把垂直農(nóng)業(yè)引入辦公建筑,則可以建立人與植物氣體交換的微型循環(huán)系統(tǒng),對室內(nèi)空氣質(zhì)量有提升作用。
垂直農(nóng)業(yè)是城市農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一個新概念,是指在室內(nèi)的可控環(huán)境下采用無土栽培法在立體架構(gòu)中生產(chǎn)農(nóng)作物[8-9]。垂直農(nóng)業(yè)多采用光合作用相對劇烈的葉菜類作物,生長周期較快,全年可多輪種植,獲得數(shù)量可觀的收獲[10]。
當(dāng)前,除了發(fā)展較早的農(nóng)業(yè)科技方向外,垂直農(nóng)業(yè)對建筑環(huán)境的研究還處于探索階段[11-12],其對室內(nèi)環(huán)境的影響,尤其是對室內(nèi)CO2濃度的影響的相關(guān)研究幾乎沒有。鑒于其對室內(nèi)空氣質(zhì)量和通風(fēng)節(jié)能潛在的有益效果,對其進行定量研究具有較強的理論和現(xiàn)實意義。由于房間的容積、室內(nèi)人數(shù)和垂直農(nóng)業(yè)的規(guī)模等參數(shù)的變化都會引起室內(nèi)CO2濃度平衡的改變,所以參數(shù)化研究必不可少。然而,現(xiàn)有的經(jīng)驗公式并無可用來計算含有垂直農(nóng)業(yè)的室內(nèi)CO2濃度隨時間變化關(guān)系,靜態(tài)預(yù)測尚有難度,動態(tài)模擬就更加困難。本文主要從質(zhì)量守恒定律出發(fā)建立微分方程,通過實驗數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)回歸方法得出植物凈光合速率和背景濃度的關(guān)系,從而建立包含房間尺度、室內(nèi)人數(shù)、垂直農(nóng)業(yè)種菜規(guī)模等參數(shù)的室內(nèi)CO2濃度參數(shù)化計算模型,并以Visual Basic.net[13]為編程開發(fā)工具,開發(fā)了基于迭代計算的室內(nèi)CO2濃度的評估系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠動態(tài)模擬24 h室內(nèi)CO2濃度隨時間變化關(guān)系,為暖通空調(diào)設(shè)計人員提供設(shè)計參考。
實驗選取位于南京市浦口區(qū)一棟典型的單走廊雙面布置使用空間的辦公樓3樓一間安放了垂直農(nóng)業(yè)裝置的辦公室。實驗種植架構(gòu)采用營養(yǎng)液膜技術(shù)(NFT),設(shè)置于窗洞口處,其架構(gòu)與窗戶同寬(1.43 m),垂直農(nóng)業(yè)設(shè)備立面圖如圖1所示。
圖1 垂直農(nóng)業(yè)設(shè)備圖
實驗儀器和測量設(shè)備有CO2鋼瓶、空氣質(zhì)量檢測儀、光合有效輻射儀等。CO2鋼瓶用于將室內(nèi)的CO2濃度提高到一定的數(shù)值,以CO2作為示蹤氣體,記錄CO2濃度隨時間變化的關(guān)系??諝赓|(zhì)量檢測儀用于測量室內(nèi)外CO2濃度,每分鐘自動記錄并保存所測數(shù)據(jù)。為了獲得相對穩(wěn)定的光照條件,實驗室采用LED種植燈對日光進行模擬(見圖1)。設(shè)置種植燈的照射距離、時長和光照強度,使各層植物獲得等同于自然采光平均值的光合有效輻射(PAR)值,在此過程中利用PAR測試儀進行調(diào)試。LED種植燈的工作時間為8:00~20:00。
實驗中,對室內(nèi)CO2濃度產(chǎn)生影響的因素有室外空氣滲透、室內(nèi)人員呼吸作用,以及種植的蔬菜光合作用(植物的凈光合速率等于植物光合作用吸收CO2的速率減去其呼吸作用產(chǎn)生CO2的速率)。根據(jù)質(zhì)量守恒定律[14],CO2濃度C變化的微分方程為
室內(nèi)CO2濃度在τ時間內(nèi)的變化關(guān)系:
式中:C為τ時間后室內(nèi)CO2濃度,μmol/mol;C1為室內(nèi)CO2初始濃度,μmol/mol;˙m為人呼吸產(chǎn)生CO2速率,(μmol/mol)/h;τ為時間,min;Cs為室外CO2濃度,μmol/mol;Q為滲透新風(fēng)量,m3/h;V為實驗室體積,m3;ɑ為農(nóng)業(yè)植物凈光合速率,μmol/mol/h。當(dāng)τ=0時,C=C1;˙m與人的活動、室內(nèi)人數(shù)有關(guān);Q主要受風(fēng)壓、熱壓影響,具體又與室外風(fēng)速、風(fēng)向、室內(nèi)外溫差房間結(jié)構(gòu)、門窗類型等諸多因素相關(guān);ɑ與光合有效輻射值和垂直農(nóng)業(yè)的規(guī)模有關(guān)系。
為研究ɑ和C之間的關(guān)系,需要準(zhǔn)確測量計算辦公室內(nèi)無人、無植物狀況下的滲透風(fēng)量和無人、有植物兩種情況下CO2濃度變化情況。具體操作步驟如下:
(1)測量實驗室內(nèi)無人、無農(nóng)業(yè)植物狀況下的滲透風(fēng)量,即用示蹤氣體濃度下降法進行房間氣密性實驗。以CO2作為示蹤氣體,由鋼瓶釋放??諝鈾z測儀自動記錄室內(nèi)CO2濃度由最大值降低到當(dāng)日室外水平時,單次實驗結(jié)束。重復(fù)測量3次,通過非線性回歸的方法對三組曲線進行回歸,得到Q/V,取平均值Q/V=0.2次/h。
(2)濃度下降法測試實驗室中無人有垂直農(nóng)業(yè)存在時CO2濃度變化情況。進行3組鋼瓶重復(fù)實驗,然后對CO2濃度數(shù)據(jù)進行非線性回歸,對回歸方程進行求導(dǎo),導(dǎo)數(shù)即為各時刻室內(nèi)CO2濃度實際下降速率。實際下降速率為該濃度背景下植物吸收CO2的凈光合速率和CO2通過空氣滲透稀釋速率的代數(shù)和。減去對應(yīng)濃度的空氣滲透稀釋速率,可計算出不同CO2濃度狀態(tài)下對應(yīng)的植物凈光合速率。最后對求得的不同濃度下植物的凈光合速率進行回歸,回歸方程為
在兩步實驗的基礎(chǔ)上得到植物凈光合速率和室內(nèi)CO2濃度的關(guān)系,
圖2展示的是系統(tǒng)的處理架構(gòu)。
圖2 系統(tǒng)處理架構(gòu)圖
主要分為3個步驟:
(1)用戶需要通過數(shù)據(jù)庫和自定義導(dǎo)入各參數(shù)。數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入的參數(shù)有房間換氣次數(shù)、人的活動率(人呼吸產(chǎn)生CO2的速率)、PAR值。用戶自定義輸入的有實驗室三圍尺寸(長、寬、高),并根據(jù)窗地比以確定窗戶的尺寸。輸入的參數(shù)還包括室外CO2的平均濃度,不同時間實驗室內(nèi)的人數(shù)??蛇x參數(shù)包括垂直農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中水泵功率,水泵工作次數(shù),水泵每次工作時間。
(2)計算。用式(3)進行迭代計算,計算中,τ取15 min,計算頻率為次/15 min,即迭代計算的次數(shù)為4次/h。
參數(shù)化評估系統(tǒng)由參數(shù)的命名和運算兩部分構(gòu)成。主要計算參數(shù)有C1、Cs、Vr、VH及Pt、Q;農(nóng)業(yè)植物凈光合速率vP等。
評估系統(tǒng)核心部分——迭代計算的部分公式及代碼含義:
式(4)用來計算農(nóng)業(yè)植物凈光合速率,它與室內(nèi)CO2的背景濃度有關(guān)。式(5)是基于式(3)用來計算室內(nèi)CO2濃度變化情況,受室內(nèi)人數(shù)、門窗的滲透稀釋作用以及農(nóng)業(yè)植物的光合作用的影響。
(3)輸出CO2濃度變化曲線圖。經(jīng)過第(2)步的迭代計算,快速動態(tài)模擬室內(nèi)24 h內(nèi)CO2濃度變化情況,并實時成圖,最后生成報表導(dǎo)出到Excel中。
計算評估系統(tǒng)的主界面如圖3所示,上半部分為圖形的輸出部分,橫坐標(biāo)為24 h,縱坐標(biāo)為室內(nèi)CO2濃度,根據(jù)GB/T 18883—2002《室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[15]將1 mmol/mol作為室內(nèi)可接受的最大CO2濃度數(shù)據(jù)。本軟件將室內(nèi)CO2濃度分為4個等級:好(<700μmol/mol)、一般(700~1 000μmol/mol)、差(1 000μmol/mol)、非常差(>2 000μmol/mol),4個等級分別由淺綠、淺黃、淺紅和深紅4種顏色表示,顏色由淺到深,顏色越深表示室內(nèi)CO2濃度越高,對室內(nèi)人員的健康影響越大。下半部分為用戶的輸入部分。最左邊是實驗室的三維尺寸輸入,中間3個滑塊分別控制換氣次數(shù)、人的CO2散發(fā)量和光合有效輻射值,右邊是經(jīng)濟分析參數(shù)的輸入。最右邊有種植設(shè)計選項(植槽間距和蔬菜的葉冠高度等),還可導(dǎo)出相應(yīng)的報表。
圖3 評估系統(tǒng)操作主界面及參數(shù)設(shè)置窗口
評估系統(tǒng)的具體操作步驟如下:
(1)初始設(shè)置數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動導(dǎo)入,如有必要,用戶也可自行修改數(shù)值。在圖3窗口用戶輸入部分,可修改的參數(shù)有實驗室的三維尺寸、實驗所用水泵的功率、水泵工作的時間、室內(nèi)CO2的初始濃度、室外CO2濃度以及在不同的時間段內(nèi)實驗室內(nèi)的人數(shù)。也可以通過滑塊來控制室內(nèi)換氣次數(shù)、人的活動率、光合有效輻射值的數(shù)值。
(2)用戶在設(shè)置完步驟(1)的參數(shù)后,點擊GrowingDesign(種植設(shè)計)后,出現(xiàn)的窗口界面如圖4所示。用戶只需輸入GrowingTray Spacing(種植槽間距)、Vegetable Spacing(垂直方向的蔬菜間距)以及Leaf Crown Height(蔬菜的葉冠高度)。點擊OK(確認(rèn))后即可自動顯示蔬菜數(shù)量、種植面積、窗口覆蓋率及產(chǎn)生的等效新風(fēng)量。
(3)點擊Report(生成報表)。點擊OK(確認(rèn)),窗口內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)會根據(jù)之前設(shè)置的參數(shù)自動顯示在對應(yīng)的位置(見圖5)。點擊Report Data,導(dǎo)出數(shù)據(jù)),將這些數(shù)據(jù)輸出導(dǎo)入到Excel中,如圖6所示。
圖4 種植界面參數(shù)設(shè)置窗口
圖5 經(jīng)濟分析(能耗和產(chǎn)量)結(jié)果顯示窗口
圖6 自動生成的數(shù)據(jù)報告
為了驗證開發(fā)平臺對于實際情況模擬的準(zhǔn)確性,在有垂直農(nóng)業(yè)的實驗室中進行了實驗驗證。選取2 h進行實測。1 d中,室內(nèi)人數(shù)隨時段變化,實測各時刻室內(nèi)CO2濃度的變化情況,描點作實測曲線圖。把初始參數(shù)輸入到評估系統(tǒng)內(nèi),計算得出預(yù)測曲線圖。將預(yù)測曲線與實測曲線進行比較,如圖7所示。
圖7 室內(nèi)有人、植物時CO2濃度實測值與計算值對比
由于LED種植燈的工作時間為8:00~20:00,所以植物的光合作用只在該時間段內(nèi)進行。曲線主要分為6段。ɑb段:從實驗開始,經(jīng)歷10 h,室內(nèi)無人,在第8 h,LED燈開始工作;bc段:經(jīng)歷約1.5 h,室內(nèi)1人;cd段:經(jīng)歷6.5 h,室內(nèi)無人;de段:經(jīng)歷1 h,室內(nèi)1人,LED燈停止工作;ef段:經(jīng)歷3 h,室內(nèi)無人;fg段:經(jīng)歷1.5 h,室內(nèi)2人,之后實驗結(jié)束。用SPSS 22.0軟件對實測值和模擬的數(shù)值進行相關(guān)性分析,R值為0.990(R的范圍:-1≤R≤1),|R|>0.8,表示兩者相關(guān)性很高,R=0.990,表明計算模型比較準(zhǔn)確,植物的凈光合速率計算比較準(zhǔn)確??梢杂迷撃P蛠碛嬎隳M24 h室內(nèi)CO2濃度變化。
本文首先通過在實驗室內(nèi),以CO2濃度作為示蹤氣體的濃度衰減法,得出實驗室的滲透新風(fēng)量,在此基礎(chǔ)上,計算出農(nóng)業(yè)植物在不同背景濃度下的凈光合速率。不同參數(shù)的變化(如實驗室的三圍尺寸、室內(nèi)人員的使用情況、農(nóng)業(yè)植物的規(guī)模等)會引起室內(nèi)CO2濃度的變化,利用計算機構(gòu)建迭代計算平臺進行計算,與實測值進行比較,結(jié)果顯示計算平臺比較可靠。本文的主要創(chuàng)新點有以下幾個方面:
(1)通過非線性回歸計算出室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)與室內(nèi)背景CO2濃度的關(guān)系,通過圖形化,能直觀看出室內(nèi)人數(shù)和室內(nèi)農(nóng)業(yè)規(guī)模的平衡關(guān)系。
(2)開發(fā)出能動態(tài)評估室內(nèi)CO2濃度隨時間變化關(guān)系的計算平臺,從系統(tǒng)的開發(fā)到驗證的過程,使用的數(shù)據(jù)可靠,軟件可靠。經(jīng)過計算機快速迭代運算,得出的數(shù)據(jù)圖直觀明了,能實時看出一天24 h室內(nèi)CO2濃度變化情況以及人數(shù)與室內(nèi)CO2濃度的平衡關(guān)系。
(3)暖通設(shè)計人員可以根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)曲線圖,調(diào)整室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)種菜規(guī)模,以達(dá)到通過調(diào)整垂直農(nóng)業(yè)規(guī)模來控制室內(nèi)CO2濃度,調(diào)整新風(fēng)補充量,節(jié)約通風(fēng)能耗的目的。