王明昊 王飛飛

華中科技大學(xué)建筑環(huán)境與設(shè)備工程系

0 引言

近年來，我國(guó)大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，嚴(yán)重威脅人體健康。人類約80%的時(shí)間生活在室內(nèi)，因此室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)人體健康也尤為重要。目前，我國(guó)大多數(shù)既有建筑都依靠自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)通風(fēng)換氣，但往往難以顯著改善室內(nèi)品質(zhì)。

針對(duì)上述問題，現(xiàn)代住宅中多安裝新風(fēng)系統(tǒng)以改善空氣質(zhì)量。新風(fēng)系統(tǒng)可在不開門窗的情況下，將室外新風(fēng)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(xué)習(xí)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(duì)武漢地區(qū)某戶型的住宅建筑在新風(fēng)口安裝位置不同時(shí)的室內(nèi)氣流組織，與CO2濃度等進(jìn)行模擬。探討新風(fēng)機(jī)安裝的必要性及新風(fēng)機(jī)安裝在何處時(shí)通風(fēng)效果及對(duì)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(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yáng)臺(tái)等組成。各房間的尺寸如下，主臥室長(zhǎng)4.5 m、寬3.6 m、高3 m，次臥室長(zhǎng)4.2 m、寬3.6 m、高3 m，書房長(zhǎng)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(shè)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(guān)閉狀態(tài)，室外空氣主要通過門窗的縫隙進(jìn)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(jí)及檢測(cè)方法》（GB/T7107-2008-T）[1]確定。門窗在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下壓差為10 Pa 時(shí)單位開啟縫隙長(zhǎng)度空氣滲透量q1和單位面積空氣滲透量q2，其等級(jí)劃分具體情況見表2。根據(jù)可開啟外窗的氣密性等級(jí)對(duì)應(yīng)的滲透風(fēng)量和滲透速度，可計(jì)算出其滲透面積的大小。

表2 門窗氣密性分級(jí)表

據(jù)文獻(xiàn)[2]可知，當(dāng)內(nèi)外壓差為10 Pa，平均縫寬為0.1 mm 時(shí)，每米窗縫的滲透風(fēng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50189-2015）[3]，10 層以上建筑外窗的氣密性不應(yīng)低于7 級(jí)。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(jì)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(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算。陽(yáng)臺(tái)設(shè)置欄桿。

1.3 CO2濃度及人員呼吸的設(shè)定

據(jù)文獻(xiàn)[ 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(guān)系的實(shí)驗(yàn)式有：

式中：VCO2為單位時(shí)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(guān)。

式中：m 為人的體重，kg；H 為人的身高，m。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)》（GB/T18883-2002）[5]中規(guī)定室內(nèi)CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)值為0.1%（1000 ppm）。在靜坐條件下，當(dāng)環(huán)境中CO2濃度為0.1%（1000 ppm）時(shí)，人員需新風(fēng)量為20.6 m3/h。室內(nèi)CO2濃度對(duì)人體的影響見表3。根據(jù)表3，室外新風(fēng)的CO2濃度設(shè)置為0.03%（300ppm）。另一方面，地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)《湖北省低能耗居住建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（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(gè)房間每小時(shí)供應(yīng)的新風(fēng)量即等于房間體積，并以此數(shù)值設(shè)置新風(fēng)進(jìn)口邊界條件。

表3 CO2濃度對(duì)人體的影響

1.4 計(jì)算域的確定

本文旨在研究門窗為關(guān)閉狀態(tài)下，室外新風(fēng)在風(fēng)壓的作用下通過門窗縫隙進(jìn)入房間時(shí)的室內(nèi)CO2濃度分布，以及室內(nèi)設(shè)置新風(fēng)口時(shí)新風(fēng)口位置對(duì)室內(nèi)CO2分布的影響。模擬無組織自然通風(fēng)時(shí)，需建立室外流場(chǎng)模型獲取縫隙的風(fēng)速，進(jìn)而獲得進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)量及滲出的風(fēng)量。建筑室外流場(chǎng)建立依據(jù)以下原則：

1）外部流場(chǎng)的高度取建筑物高度的2～3 倍。

2）主導(dǎo)風(fēng)向方向上的流場(chǎng)邊界距建筑的距離取建筑特征長(zhǎng)度的1 倍。

3）速度入口流場(chǎng)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(chǎng)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(duì)夏季進(jìn)行。夏季主導(dǎo)風(fēng)風(fēng)速為2.3 m/s。主臥室設(shè)置2 人，次臥室和書房各設(shè)置1 人，其余房間無人員。各房間新風(fēng)量根據(jù)人數(shù)設(shè)置。為使模擬結(jié)果更接近實(shí)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(fēng)口位置

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

圖3 新風(fēng)口布置平面圖

2 模擬結(jié)果

為評(píng)判室內(nèi)空氣質(zhì)量的優(yōu)劣，本文對(duì)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(jìn)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(fēng)口位置對(duì)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(fēng)口位置設(shè)計(jì)時(shí)，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(gè)房間在采用不同的新風(fēng)口位置時(shí)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(fēng)輸送時(shí)，房間內(nèi)各區(qū)域的CO2平均濃度都超過標(biāo)準(zhǔn)限制，其中主臥室超標(biāo)嚴(yán)重，因此，須向室內(nèi)引入新風(fēng)。當(dāng)房間內(nèi)輸入新風(fēng)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(fēng)口的布置位置對(duì)室內(nèi)CO2濃度有一定影響，特別是對(duì)人體呼吸區(qū)域CO2濃度有較大影響。

對(duì)于主臥室，新風(fēng)口位于人體呼吸上方時(shí)，房間CO2濃度及人體呼吸區(qū)域CO2濃度最低。新風(fēng)口位于房間時(shí)，中央房間內(nèi)CO2濃度達(dá)標(biāo)，但人體呼吸區(qū)域CO2濃度較高。新風(fēng)口位于房間遠(yuǎn)離頭部一側(cè)、新風(fēng)口靠近窗戶時(shí)及新風(fēng)口靠近門時(shí)，房間CO2濃度超過標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)于次臥室，新風(fēng)口位于人體呼吸上方時(shí)，房間CO2濃度及人體呼吸區(qū)域CO2濃度最低。新風(fēng)口位于房間中央及新風(fēng)口靠近窗戶時(shí)，房間CO2濃度達(dá)標(biāo)，但人體呼吸區(qū)域CO2濃度較高。新風(fēng)口位于房間遠(yuǎn)離頭部一側(cè)及新風(fēng)口靠近門時(shí)，房間CO2濃度超過了標(biāo)準(zhǔn)值。

對(duì)于書房，五種新風(fēng)口的布置工況下，房間CO2濃度均能達(dá)標(biāo)。其中，新風(fēng)口位于人體呼吸上方時(shí)，房間CO2濃度及人體呼吸區(qū)域CO2濃度最低，新風(fēng)口靠近門時(shí)，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(fēng)口位置對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響

前述討論表明，新風(fēng)口位置對(duì)室內(nèi)空氣中的CO2含量有較大影響。如當(dāng)新風(fēng)口布置在床頭頂部時(shí)，能使所有房間內(nèi)的室內(nèi)空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)，當(dāng)新風(fēng)口位置靠近門時(shí)，則大部分區(qū)域空氣質(zhì)量不高。通過討論采用不同新風(fēng)口位置時(shí)的室內(nèi)氣流組織，本節(jié)將進(jìn)一步說明新風(fēng)口位置對(duì)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(fēng)口位置時(shí)，含有新風(fēng)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(fēng)口位置下主臥房間的氣流組織

圖7 截面(b)中不同新風(fēng)口位置下主臥房間的氣流組織

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

圖7 比較了三種新風(fēng)口位置，即靠近門、靠近窗、房間中間遠(yuǎn)離床頭一側(cè)，對(duì)室內(nèi)氣流組織的影響。由圖可知，當(dāng)新風(fēng)口位于門、窗邊上時(shí)，新風(fēng)氣流進(jìn)入室內(nèi)后，部分新風(fēng)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(fēng)口而言，顯然將風(fēng)口布置在房間內(nèi)部更好。

綜合上述，新風(fēng)口位置能極大的影響室內(nèi)氣流組織分布，進(jìn)而影響室內(nèi)空氣質(zhì)量。當(dāng)新風(fēng)口布置在床頭上方時(shí)，其對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量的改善效果相對(duì)最好，此時(shí)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(dāng)引入新風(fēng)口改善室內(nèi)空氣質(zhì)量時(shí)，新風(fēng)口應(yīng)避免布置在靠近門、窗的區(qū)域，以減少新風(fēng)口的泄露，削弱新風(fēng)的作用。

3 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬研究了五種新風(fēng)口布置位置對(duì)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(píng)判室內(nèi)空氣品質(zhì)優(yōu)劣的指標(biāo)。基于文中討論，可得結(jié)論如下：

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

2）新風(fēng)口布置在床頭上方時(shí)，新風(fēng)氣流能與人員呼吸區(qū)域的空氣直接交換。而當(dāng)布置在其他位置時(shí)，新風(fēng)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(fēng)泄露，室內(nèi)空氣質(zhì)量改善效果不佳。

3）總體而言，當(dāng)新風(fēng)口布置在人體呼吸上方時(shí)，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(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)給予考慮。