周爍釹 趙月琪 胡軒宇 王昊睿 黃立涵 張小松 劉聰

東南大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院

0 引言

隨著中國(guó)城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，建筑的能源需求增加，節(jié)能要求提高，使得建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)（門窗）的氣密性要求越來(lái)越高[1-2]，新風(fēng)量不斷減少，室內(nèi)空氣污染水平急劇上升[3]，導(dǎo)致亟需提高室內(nèi)空氣品質(zhì)。

大量研究[4-8]表明，建筑通風(fēng)是影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素，通風(fēng)良好的建筑能有效降低室內(nèi)各種污染物濃度的傳播。冬夏兩季，建筑內(nèi)常開(kāi)空調(diào)，窗戶一般緊閉，因此這兩個(gè)季節(jié)的通風(fēng)狀況往往不如過(guò)渡季節(jié)[9]，其通風(fēng)方式主要是空氣滲透。目前，國(guó)內(nèi)住宅滲透風(fēng)換氣次數(shù)的實(shí)地測(cè)量數(shù)據(jù)并不全面，且國(guó)內(nèi)外對(duì)住宅換氣次數(shù)的24h 變化特征的研究仍然較少。

因此，本文實(shí)地調(diào)查并測(cè)量了中國(guó)四個(gè)氣候區(qū)的住宅在2020 年冬夏兩季24h 內(nèi)的滲透風(fēng)換氣次數(shù)，以研究不同氣候區(qū)不同季節(jié)換氣次數(shù)的24h 變化特征。

1 方法

1.1 實(shí)地調(diào)查

我國(guó)幅員遼闊，地域廣袤，緯度跨越大，地區(qū)間溫度、濕度、風(fēng)速及太陽(yáng)輻射等氣候條件差異較大，因此被劃分為幾個(gè)氣候區(qū)。由于每個(gè)氣候區(qū)的氣候特點(diǎn)不同，住宅內(nèi)通風(fēng)狀況一般也不相同。另外，人們?cè)诩抑杏?5%的時(shí)間選擇在臥室度過(guò)[10]。因此，本文為國(guó)內(nèi)四個(gè)氣候區(qū)（嚴(yán)寒地區(qū)（SC）、寒冷地區(qū)（C）、夏熱冬冷地區(qū)（HSCW）、夏熱冬暖地區(qū)（HSWW））的建筑臥室門窗狀態(tài)（開(kāi)或關(guān)）開(kāi)展了一次線上調(diào)查，每個(gè)氣候區(qū)收集了300 多份問(wèn)卷，總共1536 份。

選取不同氣候區(qū)（SC、C、HSCW、HSWW）的四個(gè)住宅作為研究對(duì)象，測(cè)量了2020 年1 月至3 月初（冬季）、6 月底至8 月初（夏季）的房間滲透風(fēng)換氣次數(shù)，具體測(cè)試地點(diǎn)及臥室參數(shù)如圖1 所示（附在每個(gè)箭頭上的文字表示城市、房間最后一次裝飾的年份、房間面積和體積）。根據(jù)GB50325-2013《民用建筑工程室內(nèi)環(huán)境污染控制規(guī)范》，因臥室面積均小于50 m2，故測(cè)點(diǎn)位于房間中央，與房門口和窗戶的距離相等。

圖1 測(cè)試房間相關(guān)信息

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

已知國(guó)內(nèi)外測(cè)量房間換氣次數(shù)的四個(gè)基本方法是以二氧化碳為示蹤氣體的恒量濃度法（穩(wěn)態(tài)法）、瞬態(tài)質(zhì)量平衡法、濃度上升法（累積法）和二氧化碳下降法（衰減法）。由于二氧化碳衰減法操作簡(jiǎn)單，對(duì)測(cè)量?jī)x器誤差較為敏感，對(duì)精度要求較高，因此本研究使用這種方法來(lái)檢測(cè)住宅的滲透風(fēng)換氣次數(shù)。已知CO2衰減法在測(cè)量時(shí)要先使房?jī)?nèi)CO2濃度提高至較高水平，然后將使室內(nèi)CO2濃度上升的釋放源移除或換成強(qiáng)度較低的釋放源，使房間內(nèi)CO2濃度呈整體穩(wěn)定下降的趨勢(shì)，最后根據(jù)室內(nèi)CO2質(zhì)量平衡方程分析計(jì)算房間內(nèi)換氣次數(shù)。測(cè)試期間要求無(wú)人員占用，否則將存在人體二氧化碳生成率的估算和影響。

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，測(cè)量過(guò)程中關(guān)閉臥室門窗。在整個(gè)測(cè)試期間，房間內(nèi)無(wú)人員活動(dòng)。通過(guò)在房間內(nèi)放置干冰來(lái)注入CO2，并使用多污染物監(jiān)測(cè)儀(QD-M1,Green Built Environ.,Beijing,China)進(jìn)行測(cè)量。初始時(shí)，房間內(nèi)的CO2濃度約為4000ppm。隨后，CO2濃度開(kāi)始衰減。當(dāng)濃度衰減到大約1500 ppm 時(shí)，再次投入干冰。如此往復(fù)，一個(gè)24 小時(shí)的測(cè)量周期大概需要在房間內(nèi)注入干冰2 到3 次，且一次測(cè)量持續(xù)3 天?；贑O2質(zhì)量守恒原理，建立測(cè)量室內(nèi)二氧化碳濃度的平衡方程如下：

式中：Cin,t為測(cè)量開(kāi)始后t 時(shí)刻二氧化碳濃度，ppm；Cext為室外二氧化碳濃度，ppm；ECO2為室內(nèi)二氧化碳釋放源釋放速率，m3/h；Q 為新風(fēng)量，m3/h；t 為測(cè)量時(shí)間，h；V 為房間體積，m3；Cin,0為測(cè)量初始時(shí)刻室內(nèi)二氧化碳濃度，μg/m3。

因?yàn)槎趸枷陆捣ǖ臏y(cè)試條件要求測(cè)量時(shí)房間內(nèi)無(wú)二氧化碳釋放源或釋放強(qiáng)度較低，即ECO2≈0。由此，式（1）可變?yōu)椋?/p>

根據(jù)式（2）可得到換氣次數(shù)為：

因?yàn)槭褂脙牲c(diǎn)法計(jì)算時(shí)隨機(jī)性強(qiáng)，結(jié)果可靠度低，為解決此問(wèn)題，本文采用線性擬合法求解，故式（3）改變形式可得：

根據(jù)式（4），以450ppm 作為室外CO2的參考濃度，每測(cè)量一小時(shí)進(jìn)行衰減擬合，以此獲得滲透風(fēng)換氣次數(shù)[11]。本文中，烏魯木齊、西安、宣城都測(cè)量了冬夏兩季的日平均換氣次數(shù)，但汕頭只進(jìn)行了冬季的測(cè)量。

2 結(jié)果

2.1 臥室門窗狀態(tài)調(diào)查

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，中國(guó)四個(gè)氣候區(qū)住宅的臥室門窗最常見(jiàn)狀態(tài)如表1 所示。由表可知，在冬季和夏季的夜晚，門窗主要呈關(guān)閉狀態(tài)。在SC 地區(qū)和C 地區(qū)的冬季白天，一般也是關(guān)閉狀態(tài)。但在HSCW 地區(qū)和HSWW地區(qū)的白天，人們傾向于打開(kāi)門窗進(jìn)行通風(fēng)。這與彭海瀅等人的調(diào)研結(jié)果類似[12]。因此，本文測(cè)試條件基本符合現(xiàn)實(shí)情況。

表1 四個(gè)氣候區(qū)臥室門窗最常見(jiàn)的狀態(tài)

2.2 每日平均換氣次數(shù)

根據(jù)式（4）計(jì)算冬季和夏季四個(gè)城市每個(gè)測(cè)量日的換氣次數(shù)（24h 每小時(shí)換氣次數(shù)的平均值），再取3個(gè)連續(xù)測(cè)試日的換氣次數(shù)平均值作為最終結(jié)果，具體見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)顯示，烏魯木齊、西安和宣城的滲透風(fēng)換氣次數(shù)在0.1～0.22h-1之間，這顯著低于中國(guó)的最低要求0.5h-1[13]。汕頭市冬季臥室的換氣次數(shù)為0.54h-1，滿足最低要求。

表2 冬夏兩季臥室平均換氣次數(shù)

為了了解各個(gè)城市冬夏兩季換氣次數(shù)的差異，進(jìn)行如下計(jì)算：

式中：σ 為換氣次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差，N 為測(cè)試天數(shù)，μ 為換氣次數(shù)算數(shù)平均值，RSD 為換氣次數(shù)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差。

根據(jù)式（5）、（6）計(jì)算得烏魯木齊、西安和宣城冬季和夏季的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為5%～31%，表明這三個(gè)城市冬夏兩季的平均每日換氣次數(shù)有一定的差距。

在此之前，Shi 等人[14]研究了北京民用住宅的冬夏兩季換氣次數(shù)，中位值為0.17h-1，這與本研究中的西安冬夏兩季換氣次數(shù)平均值0.18h-1較為相似，已知西安與北京相鄰，同屬寒冷區(qū)，氣候相同。Cheng 和Li[15]測(cè)量了全年廣州臥室的夜間換氣次數(shù)，算術(shù)平均值為0.41h-1，明顯小于本研究中汕頭冬季的換氣次數(shù)0.54h-1，這可能是因?yàn)楸疚娜鄙僭摮鞘衅渌竟?jié)的換氣次數(shù)。Hou 等人[16]對(duì)中國(guó)幾個(gè)氣候區(qū)的夜間換氣次數(shù)進(jìn)行了長(zhǎng)期的調(diào)查研究，結(jié)果顯示，SC、C、HSCW 和HSWW 四個(gè)氣候區(qū)冬夏兩季的換氣次數(shù)（通風(fēng)方式為滲透式和開(kāi)窗式）較為相似，約0.3h-1。這與本研究的結(jié)果不一致，可能是因?yàn)橥L(fēng)方式不同導(dǎo)致。雖然上述研究的設(shè)計(jì)方法和測(cè)試地點(diǎn)不盡相同，很難對(duì)它們進(jìn)行比較，但它們都體現(xiàn)了中國(guó)近階段臥室換氣次數(shù)的大致情況。

2.3 換氣次數(shù)的24h 變化

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，繪制了四個(gè)城市臥室滲透風(fēng)換氣次數(shù)的日變化曲線，如圖2～5（向下的箭頭表示干冰投藥期，導(dǎo)致滲透速率急劇增加）所示。由圖可知，臥室換氣次數(shù)的日間變化規(guī)律并不一致。在24 小時(shí)周期內(nèi)，其變化具有隨機(jī)性。白天的平均值一般接近夜間的平均值。西安和汕頭冬季的平均換氣次數(shù)白天比夜晚高30%左右，這可能歸因于第3 天白天的換氣次數(shù)較高。此外，本文還記錄了兩個(gè)城市第三天室內(nèi)和室外的溫度，和前兩天的溫度相比，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的差異。這可能是由于滲透風(fēng)換氣次數(shù)還受其他天氣因素的影響，如風(fēng)速。

圖2 烏魯木齊臥室滲透風(fēng)換氣次數(shù)的24h 變化

圖3 西安臥室滲透風(fēng)換氣次數(shù)的24h 變化

圖4 宣城臥室滲透風(fēng)換氣次數(shù)的24h 變化

圖5 汕頭冬季臥室滲透風(fēng)換氣次數(shù)的24h 變化

根據(jù)式（5）和（6）計(jì)算得到不同城市冬夏兩季每日換氣次數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD，RSD=標(biāo)準(zhǔn)差/平均值），取三日平均值作為當(dāng)季結(jié)果列進(jìn)表3。如表所示，烏魯木齊、西安和宣城冬季的換氣次數(shù)RSD 處在中等水平，范圍為0.22-0.41。而位于中國(guó)南方的汕頭，其冬季換氣次數(shù)RSD 平均值為0.72，顯著高于其他城市。北方城市（烏魯木齊、西安）夏季日均換氣次數(shù)RSD 分別達(dá)到了0.62 和0.65，均高于冬季日均RSD。相比之下，宣城夏季RSD 均值為0.38，與冬季RSD 均值相近。這些都表明了不同氣候區(qū)住宅滲透風(fēng)換氣次數(shù)的波動(dòng)情況。

表3 換氣次數(shù)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）

根據(jù)表3，分別比較不同城市白天和夜晚?yè)Q氣次數(shù)的變化。冬季，烏魯木齊、西安和宣城晝夜換氣次數(shù)RSD 與日平均值相似，處于中等水平（0.18～0.38）。而汕頭市白天（RSD=0.58）和夜晚（RSD=0.63）的換氣次數(shù)波動(dòng)均較明顯。夏季，除了汕頭，其他三個(gè)城市的滲透風(fēng)換氣次數(shù)也有不同程度的變化，尤其是白天（RSD在0.44～0.78 之間）。此外，烏魯木齊、西安和宣城這三個(gè)城市冬季和夏季的換氣次數(shù)在白天的變化明顯大于夜晚，這可能是由于白天天氣條件如溫度、風(fēng)速、風(fēng)向等的變化較為頻繁所致[17]。

3 討論

3.1 研究意義

在本研究中，初步測(cè)定了中國(guó)四個(gè)氣候區(qū)住宅的24h 滲透風(fēng)換氣次數(shù)，并繪制成曲線圖。跟以往的研究相比，本次研究在實(shí)地測(cè)量的時(shí)間尺度上更加得精細(xì)，且這些數(shù)據(jù)可以作為分析每小時(shí)建筑能耗和室內(nèi)空氣質(zhì)量的初始輸入量[18]。例如，可以通過(guò)將滲透風(fēng)換氣次數(shù)與其他參數(shù)相結(jié)合來(lái)研究室內(nèi)污染物濃度隨窗口關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)的變化過(guò)程[19]。這可能有助于建立一個(gè)室內(nèi)空氣質(zhì)量預(yù)測(cè)或評(píng)價(jià)系統(tǒng)。

為了探究門窗關(guān)閉時(shí)長(zhǎng)對(duì)室內(nèi)污染物類型和水平的影響，在正常情況下測(cè)試室內(nèi)空氣質(zhì)量時(shí)，門窗必須關(guān)閉12 小時(shí)[20]。在驗(yàn)收室內(nèi)污染測(cè)試結(jié)果前，自然通風(fēng)建筑的門窗應(yīng)關(guān)閉1 小時(shí)[21]。因此，研究滲透風(fēng)換氣次數(shù)很有必要。

3.2 自然通風(fēng)與監(jiān)測(cè)

根據(jù)問(wèn)卷調(diào)查結(jié)果（表1），人們通常在白天（尤其是夏季）打開(kāi)門窗。當(dāng)門窗打開(kāi)時(shí)，室內(nèi)環(huán)境通過(guò)自然通風(fēng)與室外交換空氣。自然通風(fēng)換氣次數(shù)比滲透通風(fēng)換氣次數(shù)更強(qiáng)，通常相差一個(gè)數(shù)量級(jí)[22-24]。這使得自然通風(fēng)監(jiān)測(cè)具有挑戰(zhàn)性。如果使用衰減法，示蹤氣體濃度會(huì)迅速下降，那就需要經(jīng)常補(bǔ)充藥劑，測(cè)試過(guò)程將變得繁瑣不方便。最近，有研究者提出了一種基于PM2.5的測(cè)試方法[11]。該方法使用PM2.5 作為示蹤劑，通過(guò)安裝空氣凈化器來(lái)避免給藥。當(dāng)有居住者存在時(shí)，這也許是一種能夠監(jiān)測(cè)自然通風(fēng)和空氣滲透換氣次數(shù)的方法。

3.3 局限性

這項(xiàng)研究存在幾個(gè)局限性。首先，沒(méi)有對(duì)室外空氣中存在的污染物組分進(jìn)行初步監(jiān)測(cè)[25-27]，樣本量較小。因此，為了獲得一個(gè)具有普遍適用性的24h 滲透風(fēng)換氣次數(shù)曲線，需要更多的實(shí)地測(cè)試。其次，本研究只測(cè)量了窗戶關(guān)閉時(shí)的滲透風(fēng)換氣次數(shù)，但根據(jù)表1，窗戶在夏季大多數(shù)時(shí)間是打開(kāi)的，那種情況下的通風(fēng)換氣次數(shù)尚未測(cè)量。另外，如圖2 中向下的箭頭所示，發(fā)現(xiàn)干冰加量有時(shí)會(huì)干擾換氣次數(shù)，由于一些加藥活動(dòng)，滲透速率急劇增加。如果可能的話，這種情況需要避免。

另外，在此研究中，沒(méi)有根據(jù)室內(nèi)和室外空氣之間的壓力梯度、溫度和濕度對(duì)測(cè)量的換氣次數(shù)進(jìn)行必要的參數(shù)分析。

4 結(jié)論

在本次測(cè)試中，對(duì)中國(guó)四個(gè)氣候區(qū)內(nèi)住宅的24h滲透風(fēng)換氣次數(shù)進(jìn)行了初步研究。除了位于中國(guó)南方的汕頭（0.54h-1），其他地區(qū)的每日平均換氣次數(shù)（0.11～0.22h-1）普遍低于標(biāo)準(zhǔn)要求0.5h-1。滲透風(fēng)換氣次數(shù)似乎每天都在隨機(jī)變化，且其在24h 內(nèi)呈中高波動(dòng)性。在嚴(yán)寒（SC）地區(qū)的烏魯木齊和寒冷（C）地區(qū)的西安，夏季24h 換氣次數(shù)的波動(dòng)程度大于冬季。冬季和夏季，除汕頭市外，其他三個(gè)城市白天的換氣次數(shù)變化均強(qiáng)于夜晚。

基于目前的數(shù)據(jù)，無(wú)法用一個(gè)具有一致變化規(guī)律性的曲線去描述24h 換氣次數(shù)，因?yàn)樗坪跏请S機(jī)變化的。雖然這項(xiàng)研究只是初步嘗試獲得中國(guó)不同氣候區(qū)住宅的每日滲透風(fēng)換氣次數(shù)，但是因?yàn)閲?guó)內(nèi)比較缺乏此類數(shù)據(jù)所以此研究具有一定的重要性。在未來(lái)一段時(shí)間，需要開(kāi)展進(jìn)一步的測(cè)量來(lái)提供能評(píng)估通風(fēng)情況和分析隨之能耗、空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫(kù)。