中國住宅換氣次數的日間變化特征研究

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，使得建筑外圍護結構（門窗）的氣密性要求越來越高[1-2]，新風量不斷減少，室內空氣污染水平急劇上升[3]，導致亟需提高室內空氣品質。

大量研究[4-8]表明，建筑通風是影響室內空氣質量的關鍵因素，通風良好的建筑能有效降低室內各種污染物濃度的傳播。冬夏兩季，建筑內常開空調，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，國內住宅滲透風換氣次數的實地測量數據并不全面，且國內外對住宅換氣次數的24h 變化特征的研究仍然較少。

因此，本文實地調查并測量了中國四個氣候區(qū)的住宅在2020 年冬夏兩季24h 內的滲透風換氣次數，以研究不同氣候區(qū)不同季節(jié)換氣次數的24h 變化特征。

1 方法

1.1 實地調查

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）開展了一次線上調查，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，具體測試地點及臥室參數如圖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GB50325-2013《民用建筑工程室內環(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 測試房間相關信息

1.2 實驗方法

已知國內外測量房間換氣次數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。已知CO2衰減法在測量時要先使房內CO2濃度提高至較高水平，然后將使室內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CO2濃度呈整體穩(wěn)定下降的趨勢，最后根據室內CO2質量平衡方程分析計算房間內換氣次數。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。

根據調查結果，測量過程中關閉臥室門窗。在整個測試期間，房間內無人員活動。通過在房間內放置干冰來注入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注入干冰2 到3 次，且一次測量持續(xù)3 天?；贑O2質量守恒原理，建立測量室內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>

根據式（2）可得到換氣次數為：

因為使用兩點法計算時隨機性強，結果可靠度低，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[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，但汕頭只進行了冬季的測量。

2 結果

2.1 臥室門窗狀態(tài)調查

根據調查結果，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，門窗主要呈關閉狀態(tài)。在SC 地區(qū)和C 地區(qū)的冬季白天，一般也是關閉狀態(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研結果類似[12]。因此，本文測試條件基本符合現實情況。

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

根據式（4）計算冬季和夏季四個城市每個測量日的換氣次數（24h 每小時換氣次數的平均值），再取3個連續(xù)測試日的換氣次數平均值作為最終結果，具體見表2。數據顯示，烏魯木齊、西安和宣城的滲透風換氣次數在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為0.54h-1，滿足最低要求。

表2 冬夏兩季臥室平均換氣次數

為了了解各個城市冬夏兩季換氣次數的差異，進行如下計算：

式中：σ 為換氣次數標準差，N 為測試天數，μ 為換氣次數算數平均值，RSD 為換氣次數相對標準偏差。

根據式（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，中位值為0.17h-1，這與本研究中的西安冬夏兩季換氣次數平均值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，算術平均值為0.41h-1，明顯小于本研究中汕頭冬季的換氣次數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。Hou 等人[16]對中國幾個氣候區(qū)的夜間換氣次數進行了長期的調查研究，結果顯示，SC、C、HSCW 和HSWW 四個氣候區(qū)冬夏兩季的換氣次數（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，但它們都體現了中國近階段臥室換氣次數的大致情況。

2.3 換氣次數的24h 變化

根據測試結果，繪制了四個城市臥室滲透風換氣次數的日變化曲線，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，臥室換氣次數的日間變化規(guī)律并不一致。在24 小時周期內，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 天白天的換氣次數較高。此外，本文還記錄了兩個城市第三天室內和室外的溫度，和前兩天的溫度相比，沒有發(fā)現明顯的差異。這可能是由于滲透風換氣次數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的24h 變化

圖3 西安臥室滲透風換氣次數的24h 變化

圖4 宣城臥室滲透風換氣次數的24h 變化

圖5 汕頭冬季臥室滲透風換氣次數的24h 變化

根據式（5）和（6）計算得到不同城市冬夏兩季每日換氣次數的相對標準偏差（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的波動情況。

表3 換氣次數的相對標準偏差（RSD）

根據表3，分別比較不同城市白天和夜晚換氣次數的變化。冬季，烏魯木齊、西安和宣城晝夜換氣次數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，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，且這些數據可以作為分析每小時建筑能耗和室內空氣質量的初始輸入量[18]。例如，可以通過將滲透風換氣次數與其他參數相結合來研究室內污染物濃度隨窗口關閉時長的變化過程[19]。這可能有助于建立一個室內空氣質量預測或評價系統(tǒng)。

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

3.2 自然通風與監(jiān)測

根據問卷調查結果（表1），人們通常在白天（尤其是夏季）打開門窗。當門窗打開時，室內環(huán)境通過自然通風與室外交換空氣。自然通風換氣次數比滲透通風換氣次數更強，通常相差一個數量級[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 滲透風換氣次數曲線，需要更多的實地測試。其次，本研究只測量了窗戶關閉時的滲透風換氣次數，但根據表1，窗戶在夏季大多數時間是打開的，那種情況下的通風換氣次數尚未測量。另外，如圖2 中向下的箭頭所示，發(fā)現干冰加量有時會干擾換氣次數，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，沒有根據室內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進行必要的參數分析。

4 結論

在本次測試中，對中國四個氣候區(qū)內住宅的24h滲透風換氣次數進行了初步研究。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（0.11～0.22h-1）普遍低于標準要求0.5h-1。滲透風換氣次數似乎每天都在隨機變化，且其在24h 內呈中高波動性。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變化均強于夜晚。

基于目前的數據，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，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，但是因為國內比較缺乏此類數據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、空氣質量的數據庫。