关于实际居住条件下的室内通风环境的研究

    作者：张毅

    目前我国的居住建筑中较少采用机械通风设备，主要依靠打开门窗时的自然通风或关闭门窗时的自然渗风来满足室内空气品质要求。随着我国居住建筑中围护结构气密性的不断提高和家装业的普及，室内通风环境相关问题逐渐增多，在门窗关闭情况下仅仅依靠门窗自然渗风在不少情况下已无法满足要求，从节能角度所提倡的冬夏季开空调时关门窗的建议可能不再适用。

    通风是通过以室外空气置换室内空气，达到降低室内污染源产生的污染物浓度水平的目的。室内污染物种类繁多，通常认为在C02控制在容许范围时（我国为不大于1 000 x10-6），可以认为其他污染物浓度也得到控制。因此国内外研究一般采用室内C02浓度水平来表征室内通风换气效果，同时反映其他有害污染物的聚集水平，美国ASHRAE标准60.1和我国的暖通设计标准GB 50736均基于室内C02浓度规定最小新风量。虽然居住建筑中的C02浓度水平可认为无毒，但长期处于较高浓度C02的环境下，人会感觉不舒适，根据美国劳伦斯伯克利实验室最新实验研究表明，室内CO2浓度从600×10-6时升高至1 000×10-6后，9名受试人员中有6人的决策能力有明显下降。因此确保室内CO2浓度水平至关重要。

    对居住类型建筑而言室内CO，的主要来源是由人体呼吸所产生的，国内外已有学者采用人体产生的C02作为示踪气体，通过测试CO2浓度水平来分析室内通风环境。文献[34]通过实测研究了大学宿舍学生在稳定睡眠状态下室内的C02浓度和通风量的关系，验证了采用人体作为C02释放源测量换气次数的可靠性，指出目前学生宿舍在夏季新风量普遍不足的现象。文献[5]同样采用C02作为示踪气体，测试了教室上课时间的新风量和CO2浓度水平，结果表明冬季上课时教室门窗关闭会导致新风量不足，室内CO2严重超标。但上述研究均侧重于稳定状态下的室内通风环境，不涉及人的室内活动对通风环境的影响，并且学生宿舍与居住建筑的真实使用情况存在较大差别。文献[6]以北京地区的居住建筑作为研究对象，通过C02浓度等室内环境参数的连续测试，研究了人的居住、开窗、炊事等行为对室内空气环境的影响情况，指出人的行为对室内空气影响是一个动态、变化的过程，室内CO2浓度对人的行为最为敏感，特别提到了内门的开关状态对室内空气品质的影响。但该研究主要针对过渡季的室内通风环境状况，未涉及空调运行对室内通风环境的影响。

    本文以上海地区一户典型居民为研究对象，对真实使用状态下的室内C02浓度、温湿度、空调运行和门窗开关状态等参数，进行了一个较为完整的夏季、过渡季和冬季的连续监测。通过监测数据的分析，旨在掌握不同季节下室内通风环境的真实状况以及变化规律，并且分析空调运行、开门窗等居住者行为对室内环境的影响。

1  测试对象及测试内容

1.1  测试对象

    测试对象为上海地区一户典型两口之家，气候区为夏热冬冷地区，建筑设外保温，门窗均为双玻窗。户型为两室两厅，本文仅测试分析其中一间北向房间，该房间面积约12 m2，功能为书房，使用频率较高。该房间在北向外墙中间设一扇推拉窗，朝南的内墙有一扇内门与客厅相连接，另外房间内有l台使用了9年的分体式冷暖型壁挂空调器，定频运行，额定制冷功率827 W，额定制热功率850 W，该空调本身还包含1 450 W的辅助电加热功能模块。

1.2  测试内容

    本文分季节对测试房间的C02浓度、室内外的空气温度和相对湿度、空调用电功率以及门窗开关状态进行了长时间连续监测，测试时间从2013年7月持续到2014年3月，监测数据基本涵盖了较为完整的夏季、过渡季和冬季工况。研究室内环境应测试有人时的室内环境参数，而在室者的活动对室内气流起到扰动作用，因此无论是自然通风还是自然渗风，室内环境参数的均匀性较好，文献[7]的测试结果也证明了室内环境参数的均匀性。因此本文C02和温湿度的监测均选取一点，且与外窗和人体保持充分距离。对于人员的在室信息，本文主要通过问卷调查的形式来获取，同时通过监测房间中的电脑插座用电量从侧面了解人员在室情况。

1.3  测试仪器

    温湿度的测试采用WSZY -1型温湿度自记仪，仪器温湿度的量程分别为- 40~100℃和0%~100%，分辨率分别为0.1℃和0.1%，不确定度分别为0.5℃和3 %，温湿度测试时间间隔为10 min。C02测试采用EZY -1型二氧化碳自记仪，量程0—5 000 x10-6，精度±75×10-6，分辨率1x10-6，C02测试时间间隔基本为10 min，部分采用了5 min的时间间隔。空调用电功率采用插座式智能型电量监测仪，通过电流互感原理，测量通过设备的有功功率，仪器精度±0. 5%，分辨率0.1 W，测试时间间隔为1 min。门窗的开关状态采用智能化磁感应开关状态自记仪，能够自动定时对环境中的磁场状态进行测量，最大磁场感应距离30 mm，测试时间间隔为10 min，在内门、推拉窗左边和推拉窗右边分别布置了1个测点，由于磁感应开关状态自记仪的正常感应距离为30 mm，对推拉窗的感应精度尚可，但对沿轴向旋转的内门感应精度不够，即当内门仅开启一条缝隙时与全开状态时都可能判断为开启，只有当内门完全关闭时才判断为关闭。

2  监测记录结果统计分析

    本文根据房间空调器制冷结束和制热开始作为时间节点将本次测试时间划分为夏季、过渡季和冬季3个时间段，分别对应2013年7月1日~ 2013年9月15日、2013年9月16日~ 2013年12月1 1日以及2013年12月12日~ 2014年3月3日。其中，过渡季较长的原因是由于测试居民的书房空调开始制热时间较晚。

2.1  室内C02浓度监测结果

图1为测试房间C02浓度的监测结果。书房C02浓度最高值和最低值分别为2 695×10-6和368×10-6，浓度最高值发生在冬季1月15日22:23，室内有人，空调开启且门窗关闭；最低值发生在9月3日10：47，室内无人，空调关闭且门窗打开。对CO2的监测数据进行统计分析可知，夏季、过渡季和冬季的房间CO2平均浓度分别为617×10-6、613×10-6和732×10-6，其中在各自季节内超过1 000×10-6的发生比例分别为8. 2%、6.3%和16. 6%，这说明冬季工况下的室内C02浓度水平最高，超过1 000×10-6的时间比例也最大。而过渡季和夏季差别不大是由于在此以空调开始制热作为过渡季和冬季的时间分界点，这种情况下过渡季可延续至12月上旬，而如图1所示，过渡季后期C02浓度明显高于其他过渡季时间，如以11月15日作为过渡季截止时间节点，则过渡季的房间C02平均浓度降低至550×10-6，此时超过1 000 x 10-6的发生比例仅为0.3%，这说明在9月中旬至11月中旬这段时间内，室内CO2浓度基本都处于较低水平，通风环境良好。而11月中旬至12月上旬，室内CO2浓度水平与冬季相当，由后续对室温和开窗情况的分析可知，虽然这段时间内，尚未开启空调制热，但是由于室外平均气温偏低，外窗基本处于常闭状态，导致室内CO2浓度偏高。

2.2室内温湿度监测结果

图2为室内外空气温度和相对湿度监测结果。对比室内外空气温度可以看出，室外温度变化幅度明显大于室内温度变化幅度，过渡季室内温度变化不明显，冬夏空调制冷制热时，室内温度变化随空调启停而升高或降低。空气相对湿度的监测结果显示出类似趋势。

2.3  空调耗电功率监测结果

图3为测试房间空调耗电功率的监测结果。其中，过渡季空调不运行，夏季和冬季空调为间歇运行模式，由于测试空调器非变频空调，因此空调运行时间内启停较为频繁。对比图1中冬、夏空调运行时间和电功率，可看出空调器在夏季使用最为频繁；冬季制热时由于辅以电加热，运行平均功率达848 W，高于夏季制冷时的662 W；空调制冷和制热的年耗电量分别为249 kW-h和320 kW-h。

2.4  门窗开关状态记录结果

图4为测试房间的一扇内门和外窗的左右两个窗扇开关状态记录结果，纵轴表示累计关闭次数，开关记录仪的每次记录用“0”或“1”表示开或关，因此图中曲线斜率越低表示开的次数越多，反之则关闭次数多。从图4可以发现，外窗的右窗扇测试期间几乎全部处于关闭状态，关闭率高达98. 6%；外窗的左窗扇测试期间关闭率为69. 6%，在冬季工况下基本全关，其他季节左窗扇的开启频率较高；内门作为连接书房和客厅的通道，开启次数最为频繁，总关闭率仅为7. 7%。

3行为对室内环境的影响

    本文测试房间内的C02浓度水平主要取决与室内人员的数量、停留时间、活动产生的扰动、室外环境、通过外窗的自然通风或渗风（主要通过左窗扇）以及通过内门与客厅之间的空气流通。下面通过分别选取夏季典型周（2013年7月29日~ 2013年8月5日）和过渡季典型周（2013年10月7日~2013年10月14日），研究分析室内C02浓度和居住者行为参数的变化关系。

3.1  夏季居住者行为对室内环境的影响

图5为夏季典型周从周一至周日的室内环境和行为因素监测记录结果，其中周一至周五为工作日，周六和周日为休息日。从图5a的C02浓度监测结果中可以看出，CO2浓度变化可以直观地反映室内人员的停留情况，室内有人停留时C02浓度快速上升，但会随室内人员随机活动如出入房间等而出现明显的波动，24:00以后当书房内无人后，C02快速下降，当人在房间停留时间较长如周六和周日，室内CO2浓度高于工作日的室内C02浓度。周一C02浓度相对偏低，分析原因是由于当天晚上外窗一直处于开启状态（见图5e）。另外从图5e中还可看出，夏季典型周内，内门的开启时间较长（包括缝隙状态），但对CO2浓度的影响不显著。经调研，周四中午左右室内只有一人，而傍晚后室内有两人，造成了C02浓度水平的明显差异。

    如图5b~图5d所示，在夏季典型周测试期间的前半阶段，室外空气温度较高，居住者进行房间后会立即打开空调，降温和除湿效果均非常明显。另外，周三和周四分别在部分时间内室外湿度快速上升，同时室外空气温度快速下降，说明室外为雷雨天气，经查证与历史天气信息完全吻合。

3.2  过渡季居住者行为对室内环境的影响

图6为过渡季典型周的室内环境和行为因素监测记录结果，同样周一至周五为工作日，周六和周日为休息日，由于过渡季不开空调，这里的行为因素指门窗开关状况。从图6a的CO2浓度监测结果中可以再次看出，CO2浓度水平及波动幅度均明显小于夏季工况，基本都在1  000×10“的标准值之下。对照图6a和图6d便可发现，过渡季门窗开启时间明显多于夏季工况，开窗行为也反映了被测试居民在过渡季的通风习惯，当晚上人员离开书房时关窗，上午有人时则基本开窗。与夏季工况相比房间有人时常开窗是室内CO2浓度维持在较低水平的主要原因。图6b和图6c反映了室内温湿度在过渡季的变化，可以看出过渡季室内温湿度波动幅度不大，开窗行为对室内温度影响不大，围护结构保温效果起到一定作用。另外，分别对照图6a和图6b、图6c，在过渡季测试期间，室内CO2浓度与空气温度、相对湿度之间无明显相关性，这一点与文献[6]的研究发现有所不同，分析原因是研究对象和门窗状态存在差异。

4   自然通风量的估算

    文献[1，3，4，7]均证实了利用人体产生的C02作为示踪气体计算室内自然通风量的可行性，上升法和下降法是常用的两种测量方法，其中上升法需事先确定人体CO：释放量，且要求CO2释放率稳定，更适用于分析具有稳定CO：释放源的空间，例如卧室中的自然通风量。由于本文测试对象为书房，居住者在房间时人体CO2释放率非常不稳定，因此采用下降法估算居住者离开书房后的室内通风量。具体可根据质量守恒定律建立基于示踪气体下降法的计算公式如式(1)所示：

式中：CT为r时刻室内CO2浓度，10-6；C。为室外CO2浓度，下降时间较短可近似认为C。不变，本文按430×10-6计算；C，为初始时刻的CO2浓度，110-6；n为房间换气次数，次/h。

居住者离开书房后，外窗实际多处于关闭状态，且与季节的关系不大，通过门窗的渗风起到主要换气作用，因此无人时计算得到的自然通风量无明显季节性差异。图7为冬季某典型日室内C02的衰减变化曲线，从图7b的室内外浓度差的对数坐标曲线上可以看出，测试时间段内，换气次数且波动较小，平均值为0. 66次/h。

5  结论

本文对实际居住条件下的室内CO2浓度、温湿度等环境参数以及空调运行状态、门开关状态等行为参数进行了各个季节的长期监测，分析了不同季节的室内通风环境实际状况及其特征。CO2的监测统计结果表明，冬季室内C02浓度水平最高，超过1 000×10-6的时间比例占16. 6%，其次是夏季占8. 2%，过渡季室内CO2浓度最低。基于不同季节典型周的测试结果，对照分析了空调、门窗等使用习惯与室内环境的关系，研究发现开窗行为和人员的在室内数量和停留时间均对室内环境有显著影响，在过渡季房间有人时经常开窗是使室内CO2维持在较低浓度水平的主要原因，而空调季房间有人时由于空调运行时外窗多为关闭状态，造成了室内CO2浓度偏高，需要在合理控制室内环境的前提下，深入分析合理的通风策略。另外，以典型日为例利用人员离开房间后CO2的自然衰减过程，估计了自然渗风条件下的测试房间自然通风量为0. 66 h-1。本文的室内通风环境及行为参数的监测、记录和分析方法对今后继续开展深入广泛的实测研究提供了一定的借鉴意义。

6[摘要]

本文选取上海地区一户典型居民，以实际使用状态下的室内通风环境作为研究分析对象，对室内CO2浓度、空气温湿度、空调运行状态和门窗开关状态进行了一个较为完整的夏季、过渡季和冬季的连续监测和记录。通过数据分析，总结对比出不同季节的室内通风环境实际状况及特征，并深入分析了空调使用和开窗习惯等人的主动行为对室内环境测试的影响。结果表明，不同季节空调运行和门窗状态对室内通风环境影响显著。本文测试结果和测试分析方法为深入掌握夏热冬冷地区的真实居住环境状况提供了参考，为合理控制居住环境、制定节能通风策略提供了基础。