关于机械通风与自然通风对室内环境营造差异性的探讨

    作者：郑晓敏

    人在其一生中90%的时间都生活在建筑中，维持良好的室内空气质量的对于人员的健康、舒适、高品质的生活至关重要。通风是一种通过引入室外空气来维持良好室内空气品质及热湿环境的重要手段。污染源来源于室内外．室内源包括人体、炊事、装修、家具等产生各种可挥发性有机物( Volatile Organic Compounds，VOCs)、半挥发性有机物、颗粒物，以及C02等，而且近年来室内散发源呈逐年增长的趋势。为了保证良好的室内空气品质，国内外均对办公建筑的最小新风量提出要求。我国GB 50736-2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》中强调建筑机械通风系统要保证足够的新风量。规范中对我国公共建筑和居住建筑的最小新风量进行了规定，办公室的人均最小新风量为30 m3/h。美国、日本、欧洲等多国家也制定各自的对最小新风量要求。美国暖通空调制冷工程师协会，在国际暖通行业具有较高权威，其对办公建筑室内新风量也给出了规定。

    在不同时刻，由于室内外环境参数、温湿度的差异，通风会对室内环境产生两种截然不同效果。在大多数情况下，室内污染物如CO，、细题粒物( Particulate Matter 2.5，PM2.5)、VOC等浓度都低于室外浓度，因此通风换气可以排除室内污染物，维持良好的室内空气品质。值得注意的是，当室外出现严重污染时，如雾霾天气、PM25浓度超标时，通风换气会引入更多的污染物。通风换气除了影响室内空气品质，对室内的热湿环境和供暖空调能耗也有很大影响。当室外温湿度适宜时，通风换气可以有效排除室内产生的余热余湿，从而可以减少空气开启的时间，降低空调能耗。然而，当室外高温高湿或寒冷时，通风会造成室内热湿负荷或冷负荷，导致空调能耗增大。因此，通风换气具有两重性，在合适的时间通风可以营造良好的室内环境，并且降低空调能耗，如果采用不适宜的通风策略反而会增加室内污染程度，增大空调能耗。所以，选择一种合适的通风方式对室内环境的营造和建筑能耗有非常重大的意义。

    通过开窗的自然通风方式与机械通风方式是两种不同的室内环境营造方向和理念，室内外温度差异、起风引起的室内外压力驱动下的通风。自然通风的建筑主要通过用户调整通风窗口的开闭来控制通风量的大小，这种通风方式在中国广泛采用。其主要优点为简单、经济、使用者可以自主调节，缺点是在室外温湿度过热或过冷，以及污染物浓度偏高时，自然通风可能会造成室内空气质量下降或者能耗增加，而且不是所有的建筑都可以实现有效的自然通风，比如对于某些进深大的建筑而言，很难实现自然通风。机械通风是指利用电力设备例如风机、风扇来实现通风目的的方式，其优点是可以控制新风的温湿度和送风量，对室外空气进行过滤，降低室外环境的影响。但是机械通风能耗比较高，而且风道和过滤网有颗粒物沉积，容易产生二次污染。机械通风是一种连续、定量、恒定的通风方式，而自然通风是间歇、不定量、反馈式的通风方式。这两种通风方式都有各自的优势和劣势，在不同的气候区、建筑类型下有不同的适用性。因此，需要对2种不同的通风方式的差异性进行分析。

    然而，自然通风问题是一个复杂的课题。由于开窗行为具有随机性，受到室内外参数及人心理的影响，通风量也具有不确定性，如果使用实验的方法来探究自然通风的规律及对室内环境的营造存在较大困难，所以需要采用模拟计算的方法对自然通风问题进行研究。而且，开窗是一个动态过程，在模拟计算过程中上一时刻的室内环境参数会影响到开窗行为，窗户的开启关闭状态也会影响当前时刻的室内环境参数和空调能耗。所以通风问题的模拟计算需要考虑多个参数以及人行为的影响，实现通风问题的动态模拟过程。

    本文希望基于实测数据搭建起多参数的通风问题模拟计算平台，实现通风问题的动态模拟过程，并应用此平台对对夏季位于北京的中小型办公建筑在采用不同通风方式的情况下温度、通风量、C02浓度和冷负荷进行模拟计算，通过对比分析探讨2种通风方式的差异及适宜性。

1  研究思路

本文的研究内容主要包含4个部分，如图1所示。

    1)实测调研：首先基于大量的实测调研，了解现有分别采用自然通风和机械通风2种通风模式的办公建筑室内CO：浓度水平，并以此作为判断室内空气品质的指标。其次对中小型办公建筑在开窗和关窗两种情况下的换气次数进行测试。并且对办公建筑内人员的开窗行为进行的问卷调研。

    2)模拟平台的搭建：首先基于人员开窗问卷的调研结果和大量文献调研建立起开窗人行为模块，以5min模拟步长、且考虑人员位移情况的DeST软件为核心，建成通风模拟平台作为本文研究的工具。

    3)模拟计算：应用此平台进行通风问题的模拟计算，将典型案例设置输入到通风模拟平台中，可得到室内温湿度、C02浓度和冷量，作为下一步差异性分析的基础。

    4)对比分析：分别对模拟计算结果和实测调研结果进行分析，得到自然通风和机械通风在营造室内环境的差异。

2  实测与调研

2.1  室内C02浓度测试

    为了深入了解不同通风方式下实际室内环境状况的差异，清华大学2013年暑期对北京的8栋自然通风的办公楼，以及北京、广州、香港地区的10栋机械通风的办公楼室内逐时温湿度、C02浓度、开窗状态等进行了测试，并采用C02作为表征室内污染物浓度的一个总体指标，用以分析不同通风方式下的室内环境水平。

本次调研测试共选取位于北京地区的8栋自然通风办公建筑，进行了室内逐时温湿度、C02浓度和开窗状态等测试，其中测试案例建筑的基础信息如表1所示。

图2为此8个案例建筑CO，室内浓度范围的测试结果对比，可以看到大多数案例的C02浓度可以控制在1 200×10“以下，基本满足室内需求。

本次调研测试同时也选取了位于北京、广州、香港地区的10栋机械通风办公建筑，进行了室内逐时温湿度、CO，浓度和开窗状态等测试，测试案例的新风系统在工作时间段内连续工作，其中建筑的基础信息如表2所示。

图3为此10个机械通风案例建筑C02室内浓度范围的测试结果对比，可以看到与自然通风案例类似，大多数案例的C02浓度可以控制在1 200×10“以下，基本满足室内需求。从另一个角度来看，在本次调研测试的案例中，自然通风与机械通风案例的室内C02浓度差异不大。

笔者在测试过程中发现，在采用机械通风系统的建筑中，如果室内人数不固定，在某一时刻出现室内人数突然增加，且超过设计值的情况，这时室内的C02浓度会显著增加，如图4所示。

    通过以上案例测试的工作，可以看到自然通风与机械通风案例的室内CO：浓度差异不大，而且机械通风方式对室内人数变化的适应性较差。

2.2换气次数测试

    2014年5—6月，对清华大学1个办公室的关窗时换气次数进行2次测试，并且对清华大学6个中小型办公室的开窗通风量进行了测试，尽量选择室外无风、室内外温差较小的时间进行测试。

2.2.1  窗户气密性测试

采用示踪气体浓度衰减法[12]进行测试，使用于冰作为CO2释放源，使得室内CO2浓度达到2 000×10-6以上，并用风扇搅拌均匀，之后拿走CO2释放源，在室内外布置CO2自记仪，记录CO2浓度衰减情况。分别在2014年5月9日和13日进行两次测试，测试结果如图5所示。

    根据实测结果可以看出，办公室A关窗时的换气次数为0.3次/h到0.5次/h。由于关窗时的换气次数与室外环境、窗户性能都有关系，不是一个确定的参数，但在本文中选取关窗时换气次数为0.3次/h。

2.2.2  开窗换气次数测试

    采用恒定释放量法来测试开窗时办公室的换气次数，在房间中间放置1个CO2恒定速率释放源，打开房间内窗户，并在房间内放置CO2自记仪，记录下房间内CO2浓度变化。选择干冰作为恒定速率释放源，可以根据测试前后于冰的重量变化计算得到其升华速率为m，单位是kg/s，相应的CO2释放速率可以根据式(1)计算得到：

式中：Vm为CO2的摩尔体积，m3/mol;M。为CO2的摩尔质量，kg/mol。

    一段时间后房间内CO2浓度恒定时，房间的换气次数为：

式中：C/n、Cout分别代表室内外CO：浓度，10 -6；y代表房间内空气的体积，m3，考虑到房间内有家具等物体，V应该等于房间体积乘以一个比例系数B，本文中取B=0.7。

6个办公室的开窗通风量测试结果汇总见图6。总体来说，在室外无风、室内外温差的条件下，本次测试的6个办公室可以实现较大的换气次数，最大可以达到7次/h，最小的也可以达到近3次/h，选择5次/h作为开窗通风时换气次数。

2.3开窗行为问卷调研

2.3.1  问卷基本信息

2013年建筑节能研究中心DeST课题组完成了关于中国城镇办公室内用能方式的调研问卷。此次调研共收回有效问卷736份，地点遍布全国（见图7）。

    本次调研的办公室中的64%是中小型办公室，即5人及5人以下办公室，其余36%是大办公室，即5人以上办公室。此外，大部分办公室都有外窗，且外窗可以开启，这一比例达到95%，有外窗且不可开启的数量与无外窗的数量之和占据了整体问卷比例的5%。

2.3.2  开窗行为问卷

对问卷中关于开窗行为的选项进行分析整理，由于开窗的影响因素较多，本次问卷中设置了7个选项，如表3所示，且可以同时选择多个选项。如图8所示，开窗的主要影响因素是表3中3、4、6项3种模式，即觉得屋里闷或有异味时开窗，觉得屋子里热就开和上班刚进入办公室就开窗。说明影响开窗的主要因素是到达办公室这个事件，室内温度和空气品质。实际开窗行为可能是受到多因素的影响，比如选择34选项，代表着温度和室内空气品质都会引起开窗的动作。

2.3.3  关窗行为问卷

与开窗行为的处理方式相同，对问卷中关于关窗行为的选项进行分析整理，本次问卷中设置了7个关窗行为选项，如表4所示，且可以同时选择多个选项。

如图9所示，3、4、5、6项为主要的关窗方式，即室内温度偏高／偏低、室外环境不好、开空调关窗和下班离开办公室是影响关窗行为的主要因素。

3模拟平台的搭建

    这个模拟计算平台以DeST软件为核心，在DeST的基础中增加了开窗人行为模块，实现了出多参数相互作用的动态模拟过程。将全年的室外环境参数、人员信息和时刻r的开空调、开窗人行为输入到短步长DeST模拟计算软件中，可以计算得到时刻下的室内环境参数，比如温湿度、CO2浓度、VOC浓度和PM2，s/PM，。浓度等，以及空调冷量／热量和通风量。之后将时刻丁的室内外环境参数输入到人行为模块中，结合当前时刻人员及各设备的状态进行判断得到T+l时刻的相应动作，再将T+l时刻的开空调、开窗人行为输入到DeST中，计算得到时刻T+l的室内环境参数和空调冷量／热量及通风量，按照此方法循环，直到完成全年的动态模拟过程。

3.1     DeST及其人行为模块

    DeST是建筑环境及暖通空调及通风系统模拟的软件平台，该平台以清华大学建筑技术科学系环境与设备研究所十余年的科研成果为理论依据，为建筑环境的相关研究和建筑环境的模拟预测、性能评估提供了方便实用可靠的软件工具，在国内外的应用日趋广泛。

    本研究以5 min时间步长的DeST版本为核心模拟工具，并且采用了DeST软件中的人员位移模块计算得到室内人员作息情况，以及照明、空调人行为模块计算得到相应的作息。

3.2开窗人行为模块

    开窗人行为模块参考文献，采用的动作模型基于事件触发，以时间和环境作为自变量，通过概率函数描述开／关窗动作与影响因素之间的关系，把这个概率输入到模拟计算软件中，判断是否可以开／关窗，模拟计算得到当前时刻耗冷／热量和室内环境参数，结合人员位移和窗户、空调状态等，进行下一时刻开窗行为的判断。

    将开／关窗动作分为3种基本类型。第一类动作和时间相关，开／关窗动作发生某一特定的时刻，比如上班开窗下班关窗，开空调会关窗等。第二类动作与环境参数相关，开／关窗发生在特定的环境中，是对环境做出的反馈，比如热了开窗，开窗后室温仍然很高则关窗等。第三类动作与时间和环境都没有明显的关系，则认为它是完全随机的。

    用概率函数来描述当前时刻开／关窗动作与各个影响因素之间的关系，根据王闯博士的论文中描述，本研究也采用“无记忆性”假设，认为开／关窗动作仅与当前时刻的参数有关，与之前T-l时刻的状态无关。

    基本形式见式(3)：

    P，（窗户开启／关闭）=F（系统状态，窗户状态）    (3)

式中：P，代表丁时刻窗户要开启／关闭的概率；F为概率函数，代表窗户开启／关闭这一动作与各种影响因素之间的函数关系；系统状态为房间人员状态、室

内外环境参数、以及其他设备所处的状态；窗户状态为窗户在开窗／关窗动作发生前的运行状态。

    本文主要考虑两类概率函数：

    1)与环境相关的动作发生受到环境因素( CO2浓度、室内温湿度、PM：．，/PM．。等)的影响，这类动作的发生概率可以用反馈型条件函数表示，具体形式见式(4)：

式中：z代表环境参数（T/d，CO2，VOC等）；是阈值参数，表征人体感受环境刺激的阈值特征；Z、k是与环境参数z和时间无关的常数；是时间步长。

    2)时间相关的动作仅与时间相关，发生在某些特定时刻，比如进办公室开窗，这些动作的发生也是不确定的，可以用时间性条件概率来描述这类动作发生的概率，体形式见式(5)所示：

式中：丁是时间变量；丁。是某一特殊时刻，比如到达／离开办公室。

    通过之前的问卷调研发现，开／关窗动作受到多因素共同作用，需要考虑各因素的耦合关系和联合作用。我们假设开窗或关窗动作受到n个因素z．，X2，…，z。的影响，这n个影响因素是独立的，得到式(6)的函数形式：

    在实际使用过程中，可以根据问卷获得用户开窗／关窗行为模式，选择对应的函数形式，再通过实测数据分析得到该模式下的开窗曲线和关窗曲线，作为模拟计算的基础。

3.3室内C02浓度计算模块

根据质量守恒方程，房间i内C02的变化量为：

式中：C。为房间；内CO：浓度，10“；Cj为邻室J的 CO2年浓度，10“；Cou,为室外CO：浓度，10“；Gi,o。。为房间i与室外的通风量，IT13/s;G．，，为房间；与房间j之间的通风量，II13lS；r为时间，s；y：为房间i的体积，m3；赢．为房间i内CO：产生量，IIl3/S。

    对上式采用差分法进行简化，房间i内下时刻的CO2浓度的计算公式如下：

    需要输入时间步长AT，房间体积，当前时刻自然通风和房间互通风量，室外CO2浓度，其他房间上一时刻CO2浓度和CO2产生量，即可得到当前时刻房间i的CO2浓度。式(8)中参数的选取见下文。

    1)时间步长、房间体积和室外CO：浓度的选择

    时间步长和房间体积可以根据模型得到，室外CO2浓度直接读取。根据测试结果，室外CO2浓度一般处于350×10-6~450×10“的范围内，在CO2计算模块中，认为室外CO2浓度为400×10-6，用户可以根据当地情况自行修改。

    2)通风量和各房间C02浓度的选择

    通风量可以根据人行为开窗模块计算得到，根据3.2节中对换气次数的测试结果，在本文中选取关窗时换气次数为0.3次/h，5次/h作为开窗通风时换气次数。各房间CO2浓度可以根据CO2计算模块得到。

    3) C02产生量的选择

    认为室内CO2释放源为人体，中国人的CO：释放量的计算公式见式(9) ：

式中：RQ为呼吸商，代表着人体呼吸产生的CO：与消耗的O2的比例，一般轻体力劳动下RQ取值为0. 83;M为单位人体表面积新陈代谢率，W／m 2，静坐时M取值58 W／m 2;日为人的身高，m，形是人的体重，kg，选取2009 ASHRAE Handbook-Fundamentals给出的典型人的身高体重作为参数，日= 1.75 m，形=65 kg;p是中国人的CO2释放量修正系数，对于男性口取值0.9，对于女性卢取值0.8，本文选择男性作为研究对象，B=0.9。

    计算得到人体CO2释放量赢=14 L/h，本文采用14 L/h怍为人体C02释放量。

4典型案例的模拟计算

4.1  案例设置与建模

4.1.1  建筑信息

    本文主要对北京地区一栋中小型办公建筑5月1日~ 10月31日期间进行模拟计算，得到这段时间的开窗开空调情况，室内温湿度、CO2浓度，及空调耗冷量。应用搭建的通风室内环境模拟平台，对北京夏季中小型办公建筑的通风问题进行对比分析。

案例建筑是一栋位于北京的3层中小型办公建筑，每层有3个房间和1个走廊，我们选取房间A为研究对象，房间A位于该建筑的2层中间位置，仅有一面外墙，如图10所示。建筑的主要信息如表5所示。表中列出案例建筑的所在地、楼层数、层高、建筑围护结构参数、空调方式、空调设定温度、典型房间空调面积等基本信息。房间A常驻人员2人，工作时间为7:00~ 22:00。

4.1.2  人员作息及照明、空调作息

建筑内人员作息情况根据DeST人员作息模块计算得到，我们需要进行房间设定和人员设定，计算夏季和过渡季即5月1日~ 10月31日之间的人员作息，计算得到5月1日~ 10月31日的人员分布概率如图11所示。值得说明的是，计算得到的人员频次中包括夜间和周末的人数。

    照明为与工作时间一致的固定作息，即7:00~22:00开启。

    办公建筑A采用机械通风的方式，空调系统工作时间7:00~ 22：00开启，空调设定温度为18~26℃。

    办公建筑B采用自然通风方式，可以采用更为灵活的空调开启模型，而且自然通风可以带来室内人员对舒适温度的范围增大，因此设定超过29℃时开启空调，当室外温度适宜时或者人员离开房间关闭空调。

4.1.3  通风作息

    办公建筑A采用机械送风的方式，通风固定作息，上班时间8:00~ 22：00换气次数为0.7次/h，其余时间换气次数为0.3次/h；办公建筑B采用开窗通风的方式，开窗时换气次数为5次/h，关窗时换气次数为0.3次/h。

本文选择一种比较节能的通风模式，开窗／关窗模式均根据室外温度、C02浓度以及人员在室情况判断是否开窗／关窗，由于本文并没有对开窗概率曲线进行实际测试，仅依据经验给出各种模式下概率曲线。

4.2分析计算

4.2.1CO2浓度对比

计算得到5月1日~ 10月31日室内环境参数，在这期间机械通风和自然通风室内CO：浓度分布图如图12所示。由于室内人数是逐时变化的，所以室内C02浓度也是在400 x10-6—1 200 x10“的范围内波动，机械通风和自然通风室内CO2浓度水平相近，都可以维持良好的室内空气品质，但是自然通风的室内C02浓度更低，基本上聚集在400×10-6~500 x10“的范围内。

选择室内人数变化较大的一天，开窗通风和机械通风室内C02浓度如图13所示。开窗通风可以保持较低浓度的CO，浓度水平，尤其是在室内人数增加时可以满足室内空气品质的需求，机械通风的CO，要明显高于开窗通风，且在室内人数超过设计值时室内空气品质较差。

    对于机械通风方式，在通风量足够大，且室内人数固定的情况下，室内空气品质可以得到满足。然而，如果室内人数是变化的情况下，当室内人数增加时会造成室内空气品质下降的情况，同时也会出现室内无人、过量通风的情况。

    对于自然通风方式，当窗户面积足够大时可以维持良好的室内空气品质，而且自然通风对室内的人数变化具有良好适应能力。

4.2.2  室内温度和冷量对比

通风直接影响着室内冷负荷，影响到空调供冷能耗。在这里我们主要考虑通风对过渡季和夏季空调供冷能耗的影响。自然通风是1种间歇的通风方式，可以选择适宜的时间开窗，比如在过渡季或者夏季夜间，开窗通风对于维持室内良好的空气品质及降低空调能耗都是有利的。如果为了满足室内良好的空气品质不得不在室外环境过热的情况下开窗通风，由于空调容量的限制，此时空调冷负荷的增长并不是和通风量成正比的，虽然此刻通风量很大，室内空调能耗不至于增长过多，但是此时室内温度可能会超出设定值．但是不至于超出过多。

图15中典型日的室外温度范围是20~ 35 0C之间，早晨开窗可以维持适宜的室内温度和空气品质，当室外温度升高到一定值时，窗户关闭，然后在下午时为了维持室内良好的空气品质，需要打开窗户引入新风，此时室外温度较高，开窗会来带空调能耗的增加，但是由于耗冷量并不与通风量成正比，所以不会导致耗冷量的巨大增加。

5月1日~ 10月31日的累积耗冷量如图16所示，可以看出，开窗通风的累积冷负荷与机械通风相比较低。

5通风方式的对比

    机械通风方式和自然通风方式是2种不同的室内环境营造的方式，机械通风是一种定量的、恒定的、连续的通风方式，而自然通风是不定量、间歇、反馈式的通风方式，通过模拟手段加深对这2种通风方式差异性的理解，探究北京夏季中小型办公建筑中这两种通风方式在室温、CO2浓度和冷负荷方面的差异，主要结论如下：

    1)在本案例中，开窗通风时室内CO，浓度与机械通风系统的水平相同，而且可以很好的适应人员数量变化带来的新风量需求，而机械通风在室内人员数量突然增加时出现C02浓度超标的现象；

    2)在室内温度基本满足要求的情况下，开窗通风的冷负荷普遍低于机械通风系统。开窗通风依靠使用者直接参与调节控制，当室外出现极端高温或空气品质差的天气，用户可以通过调整开窗时间实现空气品质和温度的需求平衡，这可以使极端天气下能耗降低，同时室内空气质量基本满足需求。同时当室内无人时，开窗通风的案例中空调不开启，降低空调能耗，而机械通风需要在工作时间维持定量连续的通风。如果考虑到机械通风的风机能耗，开窗通风的能耗将大幅低于机械通风的案例；

  3)在本案例中，自然通风方式的室内空气品质与机械通风的水平相近，而且能耗低于机械通风系统。因而，对于具有室内人员密度低、人员活动随机性大、房间进深小等特点的中小型办公建筑而言，自然通风方式要优于机械通风方式。

6[摘要]

通风换气对营造室内环境有着重要作用，同时对室内热湿环境与供暖空调能耗也有很大影响。通风对室内空气质量具有两重性，可以排除室内污染，又在室外出现严重污染时引入室外污染；对供暖空调能耗也具有两重性，室外环境好时可以节能，室外环境差时增加能耗。现有的通风方式主要有自然通风和机械通风两种，机械通风是一种定量持续恒定的通风方式，而自然通风是一种不定量间歇反馈的方式，这两种通风方式在营造室内环境上存在很多差异。本文以北京夏季的中小型办公建筑为典型案例进行模拟计算，通过对比分析两种通风方式的C07浓度、温度及冷负荷，探讨两种通风方式的差异及适宜性。