周爍釹 趙月琪 胡軒宇 王昊睿 黃立涵 張小松 劉聰

東南大學能源與環(huán)境學院

0 引言

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

大量研究[4-8]表明，建筑通風是影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的關(guān)鍵因素，通風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)常開空調(diào)，窗戶一般緊閉，因此這兩個季節(jié)的通風狀況往往不如過渡季節(jié)[9]，其通風方式主要是空氣滲透。目前，國內(nèi)住宅滲透風換氣次數(shù)的實地測量數(shù)據(jù)并不全面，且國內(nèi)外對住宅換氣次數(shù)的24h 變化特征的研究仍然較少。

因此，本文實地調(diào)查并測量了中國四個氣候區(qū)的住宅在2020 年冬夏兩季24h 內(nèi)的滲透風換氣次數(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 實地調(diào)查

我國幅員遼闊，地域廣袤，緯度跨越大，地區(qū)間溫度、濕度、風速及太陽輻射等氣候條件差異較大，因此被劃分為幾個氣候區(qū)。由于每個氣候區(qū)的氣候特點不同，住宅內(nèi)通風狀況一般也不相同。另外，人們在家中有75%的時間選擇在臥室度過[10]。因此，本文為國內(nèi)四個氣候區(qū)（嚴寒地區(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)（開或關(guān)）開展了一次線上調(diào)查，每個氣候區(qū)收集了300 多份問卷，總共1536 份。

選取不同氣候區(qū)（SC、C、HSCW、HSWW）的四個住宅作為研究對象，測量了2020 年1 月至3 月初（冬季）、6 月底至8 月初（夏季）的房間滲透風換氣次數(shù)，具體測試地點及臥室參數(shù)如圖1 所示（附在每個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，故測點位于房間中央，與房門口和窗戶的距離相等。

圖1 測試房間相關(guān)信息

1.2 實驗方法

已知國內(nèi)外測量房間換氣次數(shù)的四個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單，對測量儀器誤差較為敏感，對精度要求較高，因此本研究使用這種方法來檢測住宅的滲透風換氣次數(shù)。已知CO2衰減法在測量時要先使房內(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，最后根據(jù)室內(nèi)CO2質(zhì)量平衡方程分析計算房間內(nèi)換氣次數(shù)。測試期間要求無人員占用，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，測量過程中關(guān)閉臥室門窗。在整個測試期間，房間內(nèi)無人員活動。通過在房間內(nèi)放置干冰來注入CO2，并使用多污染物監(jiān)測儀(QD-M1,Green Built Environ.,Beijing,China)進行測量。初始時，房間內(nèi)的CO2濃度約為4000ppm。隨后，CO2濃度開始衰減。當濃度衰減到大約1500 ppm 時，再次投入干冰。如此往復，一個24 小時的測量周期大概需要在房間內(nèi)注入干冰2 到3 次，且一次測量持續(xù)3 天?；贑O2質(zhì)量守恒原理，建立測量室內(nèi)二氧化碳濃度的平衡方程如下：

式中：Cin,t為測量開始后t 時刻二氧化碳濃度，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 為新風量，m3/h；t 為測量時間，h；V 為房間體積，m3；Cin,0為測量初始時刻室內(nèi)二氧化碳濃度，μg/m3。

因為二氧化碳下降法的測試條件要求測量時房間內(nèi)無二氧化碳釋放源或釋放強度較低，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：

因為使用兩點法計算時隨機性強，結(jié)果可靠度低，為解決此問題，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，每測量一小時進行衰減擬合，以此獲得滲透風換氣次數(shù)[11]。本文中，烏魯木齊、西安、宣城都測量了冬夏兩季的日平均換氣次數(shù)，但汕頭只進行了冬季的測量。

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，中國四個氣候區(qū)住宅的臥室門窗最常見狀態(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，人們傾向于打開門窗進行通風。這與彭海瀅等人的調(diào)研結(jié)果類似[12]。因此，本文測試條件基本符合現(xiàn)實情況。

表1 四個氣候區(qū)臥室門窗最常見的狀態(tài)

2.2 每日平均換氣次數(shù)

根據(jù)式（4）計算冬季和夏季四個城市每個測量日的換氣次數(shù)（24h 每小時換氣次數(shù)的平均值），再取3個連續(xù)測試日的換氣次數(shù)平均值作為最終結(jié)果，具體見表2。數(shù)據(jù)顯示，烏魯木齊、西安和宣城的滲透風換氣次數(shù)在0.1～0.22h-1之間，這顯著低于中國的最低要求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)

為了了解各個城市冬夏兩季換氣次數(shù)的差異，進行如下計算：

式中：σ 為換氣次數(shù)標準差，N 為測試天數(shù)，μ 為換氣次數(shù)算數(shù)平均值，RSD 為換氣次數(shù)相對標準偏差。

根據(jù)式（5）、（6）計算得烏魯木齊、西安和宣城冬季和夏季的相對標準偏差為5%～31%，表明這三個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，這可能是因為本文缺少該城市其他季節(jié)的換氣次數(shù)。Hou 等人[16]對中國幾個氣候區(qū)的夜間換氣次數(shù)進行了長期的調(diào)查研究，結(jié)果顯示，SC、C、HSCW 和HSWW 四個氣候區(qū)冬夏兩季的換氣次數(shù)（通風方式為滲透式和開窗式）較為相似，約0.3h-1。這與本研究的結(jié)果不一致，可能是因為通風方式不同導致。雖然上述研究的設(shè)計方法和測試地點不盡相同，很難對它們進行比較，但它們都體現(xiàn)了中國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)測試結(jié)果，繪制了四個城市臥室滲透風換氣次數(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 小時周期內(nèi)，其變化具有隨機性。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，本文還記錄了兩個城市第三天室內(nèi)和室外的溫度，和前兩天的溫度相比，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的差異。這可能是由于滲透風換氣次數(shù)還受其他天氣因素的影響，如風速。

圖2 烏魯木齊臥室滲透風換氣次數(shù)的24h 變化

圖3 西安臥室滲透風換氣次數(shù)的24h 變化

圖4 宣城臥室滲透風換氣次數(shù)的24h 變化

圖5 汕頭冬季臥室滲透風換氣次數(shù)的24h 變化

根據(jù)式（5）和（6）計算得到不同城市冬夏兩季每日換氣次數(shù)的相對標準偏差（RSD，RSD=標準差/平均值），取三日平均值作為當季結(jié)果列進表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)住宅滲透風換氣次數(shù)的波動情況。

表3 換氣次數(shù)的相對標準偏差（RSD）

根據(jù)表3，分別比較不同城市白天和夜晚換氣次數(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)波動均較明顯。夏季，除了汕頭，其他三個城市的滲透風換氣次數(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、風速、風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，初步測定了中國四個氣候區(qū)住宅的24h 滲透風換氣次數(shù)，并繪制成曲線圖。跟以往的研究相比，本次研究在實地測量的時間尺度上更加得精細，且這些數(shù)據(jù)可以作為分析每小時建筑能耗和室內(nèi)空氣質(zhì)量的初始輸入量[18]。例如，可以通過將滲透風換氣次數(shù)與其他參數(shù)相結(jié)合來研究室內(nèi)污染物濃度隨窗口關(guān)閉時長的變化過程[19]。這可能有助于建立一個室內(nèi)空氣質(zhì)量預測或評價系統(tǒng)。

為了探究門窗關(guān)閉時長對室內(nèi)污染物類型和水平的影響，在正常情況下測試室內(nèi)空氣質(zhì)量時，門窗必須關(guān)閉12 小時[20]。在驗收室內(nèi)污染測試結(jié)果前，自然通風建筑的門窗應關(guān)閉1 小時[21]。因此，研究滲透風換氣次數(shù)很有必要。

3.2 自然通風與監(jiān)測

根據(jù)問卷調(diào)查結(jié)果（表1），人們通常在白天（尤其是夏季）打開門窗。當門窗打開時，室內(nèi)環(huán)境通過自然通風與室外交換空氣。自然通風換氣次數(shù)比滲透通風換氣次數(shù)更強，通常相差一個數(shù)量級[22-24]。這使得自然通風監(jiān)測具有挑戰(zhàn)性。如果使用衰減法，示蹤氣體濃度會迅速下降，那就需要經(jīng)常補充藥劑，測試過程將變得繁瑣不方便。最近，有研究者提出了一種基于PM2.5的測試方法[11]。該方法使用PM2.5 作為示蹤劑，通過安裝空氣凈化器來避免給藥。當有居住者存在時，這也許是一種能夠監(jiān)測自然通風和空氣滲透換氣次數(shù)的方法。

3.3 局限性

這項研究存在幾個局限性。首先，沒有對室外空氣中存在的污染物組分進行初步監(jiān)測[25-27]，樣本量較小。因此，為了獲得一個具有普遍適用性的24h 滲透風換氣次數(shù)曲線，需要更多的實地測試。其次，本研究只測量了窗戶關(guān)閉時的滲透風換氣次數(shù)，但根據(jù)表1，窗戶在夏季大多數(shù)時間是打開的，那種情況下的通風換氣次數(shù)尚未測量。另外，如圖2 中向下的箭頭所示，發(fā)現(xiàn)干冰加量有時會干擾換氣次數(shù)，由于一些加藥活動，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、溫度和濕度對測量的換氣次數(shù)進行必要的參數(shù)分析。

4 結(jié)論

在本次測試中，對中國四個氣候區(qū)內(nèi)住宅的24h滲透風換氣次數(shù)進行了初步研究。除了位于中國南方的汕頭（0.54h-1），其他地區(qū)的每日平均換氣次數(shù)（0.11～0.22h-1）普遍低于標準要求0.5h-1。滲透風換氣次數(shù)似乎每天都在隨機變化，且其在24h 內(nèi)呈中高波動性。在嚴寒（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)的波動程度大于冬季。冬季和夏季，除汕頭市外，其他三個城市白天的換氣次數(shù)變化均強于夜晚。

基于目前的數(shù)據(jù)，無法用一個具有一致變化規(guī)律性的曲線去描述24h 換氣次數(shù)，因為它似乎是隨機變化的。雖然這項研究只是初步嘗試獲得中國不同氣候區(qū)住宅的每日滲透風換氣次數(shù)，但是因為國內(nèi)比較缺乏此類數(shù)據(jù)所以此研究具有一定的重要性。在未來一段時間，需要開展進一步的測量來提供能評估通風情況和分析隨之能耗、空氣質(zhì)量的數(shù)據(jù)庫。