臥室新風口布置形式對室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響

王明昊 王飛飛

華中科技大學建筑環(huán)境與設備工程系

0 引言

近年來，我國大氣污染形勢嚴峻，嚴重威脅人體健康。人類約80%的時間生活在室內(nèi)，因此室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體健康也尤為重要。目前，我國大多數(shù)既有建筑都依靠自然通風實現(xiàn)通風換氣，但往往難以顯著改善室內(nèi)品質(zhì)。

針對上述問題，現(xiàn)代住宅中多安裝新風系統(tǒng)以改善空氣質(zhì)量。新風系統(tǒng)可在不開門窗的情況下，將室外新風經(jīng)高效過濾器后持續(xù)輸入室內(nèi)，保證室內(nèi)空氣的清潔，從而提高人員學習工作效率、減少各類疾病的發(fā)病率，保障室內(nèi)人員舒適性。

本文采用商業(yè)軟件Airpak 對武漢地區(qū)某戶型的住宅建筑在新風口安裝位置不同時的室內(nèi)氣流組織，與CO2濃度等進行模擬。探討新風機安裝的必要性及新風機安裝在何處時通風效果及對室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善程度最佳。本文將為優(yōu)化住宅新風系統(tǒng)設計及改善室內(nèi)空氣品質(zhì)提供參考。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文研究的物理模型為武漢市某小區(qū)三室一廳住宅。該住宅由主臥室、次臥室、書房、衛(wèi)生間、客廳、餐廳、廚房、陽臺等組成。各房間的尺寸如下，主臥室長4.5 m、寬3.6 m、高3 m，次臥室長4.2 m、寬3.6 m、高3 m，書房長4.2 m、寬2.6 m、高3 m。住宅平面見圖1，內(nèi)部房間的門窗尺寸見表1。

圖1 住宅平面圖

表1 房間門窗尺寸

1.2 門窗縫隙面積的設定

本文旨在模擬夜晚房間內(nèi)CO2濃度的變化，故室內(nèi)的門窗為關閉狀態(tài)，室外空氣主要通過門窗的縫隙進入室內(nèi)。門窗的縫隙面積根據(jù)《建筑外門窗氣密性能分級及檢測方法》（GB/T7107-2008-T）[1]確定。門窗在標準狀態(tài)下壓差為10 Pa 時單位開啟縫隙長度空氣滲透量q1和單位面積空氣滲透量q2，其等級劃分具體情況見表2。根據(jù)可開啟外窗的氣密性等級對應的滲透風量和滲透速度，可計算出其滲透面積的大小。

表2 門窗氣密性分級表

據(jù)文獻[2]可知，當內(nèi)外壓差為10 Pa，平均縫寬為0.1 mm 時，每米窗縫的滲透風量為0.2 m3/(h·m)，滲透速度為0.56 m/s。

據(jù)《公共建筑節(jié)能設計標準》（GB 50189-2015）[3]，10 層以上建筑外窗的氣密性不應低于7 級。民用居住建筑的外窗的氣密性參照公共建筑的外窗氣密性。單位面積空氣滲透量q2=2 m3/(m2·h)，取滲透速度為0.56 m/s 計算，則單位面積玻璃窗的滲透面積為0.00099 m2/m2。隨后，可根據(jù)窗戶面積與單位面積玻璃窗的滲透面積，計算出房間各窗的縫隙面積。

根據(jù)調(diào)研，戶內(nèi)門的單位長度縫隙寬度為0.7 cm。戶內(nèi)門的縫隙面積可根據(jù)縫隙的寬度及門的周長進行計算。陽臺設置欄桿。

1.3 CO2濃度及人員呼吸的設定

據(jù)文獻[ 4]可知，人體呼入空氣中CO2濃度為0.04%（400 ppm），呼出空氣中的CO2濃度為3.6%（36000 ppm）。CO2的排出量主要取決于人體的代謝率，CO2的排出量與人體代謝率關系的實驗式有：

式中：VCO2為單位時間內(nèi)產(chǎn)生CO2的體積，ml/s；M 為代謝率，W/m2；AD為人體皮膚表面積，m2，與人的身高體重有關。

式中：m 為人的體重，kg；H 為人的身高，m。

根據(jù)文獻[4]，一個身高為1.78 m、體重為65 kg 成年男子的皮膚表面積約為1.8 m2，人在睡眠狀態(tài)下的代謝率為40 W/m2。因此，人體在睡眠狀態(tài)下，CO2的排出量VCO2=0.04×40×1.8=2.88 ml/s=0.010368 m3/h。

《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》（GB/T18883-2002）[5]中規(guī)定室內(nèi)CO2濃度標準值為0.1%（1000 ppm）。在靜坐條件下，當環(huán)境中CO2濃度為0.1%（1000 ppm）時，人員需新風量為20.6 m3/h。室內(nèi)CO2濃度對人體的影響見表3。根據(jù)表3，室外新風的CO2濃度設置為0.03%（300ppm）。另一方面，地區(qū)標準《湖北省低能耗居住建筑設計標準》（DB42/559-2013）[6]直接建議房間的換氣次數(shù)為1.0 次/h。因此，本文中，各個房間每小時供應的新風量即等于房間體積，并以此數(shù)值設置新風進口邊界條件。

表3 CO2濃度對人體的影響

1.4 計算域的確定

本文旨在研究門窗為關閉狀態(tài)下，室外新風在風壓的作用下通過門窗縫隙進入房間時的室內(nèi)CO2濃度分布，以及室內(nèi)設置新風口時新風口位置對室內(nèi)CO2分布的影響。模擬無組織自然通風時，需建立室外流場模型獲取縫隙的風速，進而獲得進入室內(nèi)的新風量及滲出的風量。建筑室外流場建立依據(jù)以下原則：

1）外部流場的高度取建筑物高度的2～3 倍。

2）主導風向方向上的流場邊界距建筑的距離取建筑特征長度的1 倍。

3）速度入口流場邊界距建筑的距離取建筑高度的2～4 倍。

4）入口速度方向上的出口流場邊界離建筑距離取高建筑高度的5～6 倍。

本建筑位于武漢，模擬僅針對夏季進行。夏季主導風風速為2.3 m/s。主臥室設置2 人，次臥室和書房各設置1 人，其余房間無人員。各房間新風量根據(jù)人數(shù)設置。為使模擬結果更接近實際情況，建立5 層建筑模型，研究位于第3 層的室內(nèi)氣流組織。

最終建立的模型如圖2 所示：

圖2 模型立體圖

1.5 新風口位置

如圖3 所示，房間在夜間采用五種不同的新風口位置布置方式，如圖分別為：①新風口位于人體呼吸上方。②新風口位于房間中央。③新風口位于房間遠離頭部一側(cè)。④新風口靠近窗戶。⑤新風口靠近門。

圖3 新風口布置平面圖

2 模擬結果

為評判室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，本文對不同工況下的人體呼吸區(qū)域的平均CO2濃度和室內(nèi)平均CO2濃度進行比較。其中，人體呼吸區(qū)域取為人體頭部附近尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m 的區(qū)域。

2.1 不同新風口位置對室內(nèi)空氣中CO2含量的影響

圖4 展示了該戶型在采用不同的新風口位置設計時，戶內(nèi)離地面高度為0.7 m 的水平面上CO2濃度分布。為定量分析，表4 列出了主臥、次臥、書房三個房間在采用不同的新風口位置時的室內(nèi)CO2平均濃度以及人體呼吸區(qū)域的平均CO2濃度。

圖4 不同工況下室內(nèi)CO2濃度分布圖

表4 不同工況下室內(nèi)CO2濃度表

由圖4 和表4 可知，無新風輸送時，房間內(nèi)各區(qū)域的CO2平均濃度都超過標準限制，其中主臥室超標嚴重，因此，須向室內(nèi)引入新風。當房間內(nèi)輸入新風后，室內(nèi)CO2濃度能夠明顯降低，室內(nèi)空氣品質(zhì)得以改善。另一方面，不同新風口的布置位置對室內(nèi)CO2濃度有一定影響，特別是對人體呼吸區(qū)域CO2濃度有較大影響。

對于主臥室，新風口位于人體呼吸上方時，房間CO2濃度及人體呼吸區(qū)域CO2濃度最低。新風口位于房間時，中央房間內(nèi)CO2濃度達標，但人體呼吸區(qū)域CO2濃度較高。新風口位于房間遠離頭部一側(cè)、新風口靠近窗戶時及新風口靠近門時，房間CO2濃度超過標準值。

對于次臥室，新風口位于人體呼吸上方時，房間CO2濃度及人體呼吸區(qū)域CO2濃度最低。新風口位于房間中央及新風口靠近窗戶時，房間CO2濃度達標，但人體呼吸區(qū)域CO2濃度較高。新風口位于房間遠離頭部一側(cè)及新風口靠近門時，房間CO2濃度超過了標準值。

對于書房，五種新風口的布置工況下，房間CO2濃度均能達標。其中，新風口位于人體呼吸上方時，房間CO2濃度及人體呼吸區(qū)域CO2濃度最低，新風口靠近門時，房間的CO2濃度及人體呼吸區(qū)域CO2的濃度最高。

2.2 不同新風口位置對室內(nèi)氣流組織的影響

前述討論表明，新風口位置對室內(nèi)空氣中的CO2含量有較大影響。如當新風口布置在床頭頂部時，能使所有房間內(nèi)的室內(nèi)空氣質(zhì)量達標，當新風口位置靠近門時，則大部分區(qū)域空氣質(zhì)量不高。通過討論采用不同新風口位置時的室內(nèi)氣流組織，本節(jié)將進一步說明新風口位置對室內(nèi)空氣中CO2濃度的影響。圖5 表示后文所采用的氣流組織速度矢量分布的截面位置。圖6 和圖7 分別表示了在不同截面采用不同新風口位置時，含有新風口的截面上的速度矢量分布。

圖5 截面位置圖

圖6 截面(a)中不同新風口位置下主臥房間的氣流組織

圖7 截面(b)中不同新風口位置下主臥房間的氣流組織

圖6 比較了三種新風口位置，即新風口位于床頭、房間中央位置、房間中間遠離床頭一側(cè)，對室內(nèi)氣流組織的影響。由圖知，當新風口位于床頭上方時，新風氣流能直接吹向床頭，這就能使人頭部附近的空氣與新風直接交換更新，進而降低該位置的CO2濃度。然而，對于另兩種風口布置，其新風氣流顯然無法順利到達床頭及人頭部附近區(qū)域。因此，就此三種風口而言，新風口布置在床頭上方相對更好。

圖7 比較了三種新風口位置，即靠近門、靠近窗、房間中間遠離床頭一側(cè)，對室內(nèi)氣流組織的影響。由圖可知，當新風口位于門、窗邊上時，新風氣流進入室內(nèi)后，部分新風將被直接吹向室外，而無法有效地改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。就此三種新風口而言，顯然將風口布置在房間內(nèi)部更好。

綜合上述，新風口位置能極大的影響室內(nèi)氣流組織分布，進而影響室內(nèi)空氣質(zhì)量。當新風口布置在床頭上方時，其對室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善效果相對最好，此時戶內(nèi)各房間的CO2濃度以及人體呼吸區(qū)域的CO2濃度最低。當引入新風口改善室內(nèi)空氣質(zhì)量時，新風口應避免布置在靠近門、窗的區(qū)域，以減少新風口的泄露，削弱新風的作用。

3 結論

本文通過數(shù)值模擬研究了五種新風口布置位置對改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的影響。文中采用人體呼吸區(qū)域的平均CO2濃度和室內(nèi)平均CO2濃度作為評判室內(nèi)空氣品質(zhì)優(yōu)劣的指標。基于文中討論，可得結論如下：

1）新風口位于人體呼吸上方時，室內(nèi)及人體呼吸區(qū)域的CO2平均濃度最低。新風口位于房間中央時，室內(nèi)CO2濃度低于標準值，但人體呼吸區(qū)域CO2濃度較高。新風口位于房間遠離頭部一側(cè)、新風口靠近門時，主臥室、次臥室CO2濃度超標，書房CO2濃度滿足標準要求。新風口靠近窗時，主臥室CO2濃度超標，次臥室、書房CO2濃度滿足要求。

2）新風口布置在床頭上方時，新風氣流能與人員呼吸區(qū)域的空氣直接交換。而當布置在其他位置時，新風氣流或無法直接與人員呼吸區(qū)域的空氣直接交換，或有部分新風泄露，室內(nèi)空氣質(zhì)量改善效果不佳。

3）總體而言，當新風口布置在人體呼吸上方時，房間CO2濃度及人體呼吸區(qū)域CO2濃度最低，即室內(nèi)空氣質(zhì)量最好。在新風系統(tǒng)設計時應給予考慮。