城市居住建筑室內CO2分布特性研究

劉 鳴， 任 靜 薇， 連 超 麗， 張 寶 剛， 谷 紅 磊， 陳 慶 周

( 大連理工大學 建筑與藝術學院, 遼寧 大連 116024 )

城市居住建筑室內CO2分布特性研究

劉 鳴*， 任 靜 薇， 連 超 麗， 張 寶 剛， 谷 紅 磊， 陳 慶 周

( 大連理工大學 建筑與藝術學院, 遼寧 大連 116024 )

CO2濃度是評價室內空氣質量的重要指標之一，控制較低的室內CO2濃度對室內空氣質量和人的身心健康起著重要作用．對大連市某小區(qū)室內CO2濃度的變化情況進行了連續(xù)監(jiān)測．通過設置不同開窗狀態(tài)，分別監(jiān)測了該小區(qū)室內不同條件下的CO2濃度變化．結果表明，CO2濃度隨時間和通風情況呈現(xiàn)出不同的變化趨勢，室內不同位置的CO2分布特性也有所不同．密閉情況下，時間越長，室內CO2濃度越高．當進行自然通風時，即使較短的開窗時間也能使室內CO2濃度迅速降低．研究表明，保持良好的室內通風，選擇性開窗對降低室內CO2濃度、保持較好的室內空氣質量有著重要作用．

CO2濃度；空氣質量監(jiān)測；自然通風；居住建筑

0 引 言

研究表明，室內空氣質量受室內通風、空氣溫濕度、空氣污染物等多種因素影響．對于居住建筑來說，室內CO2濃度的高低直接影響居住品質以及身心健康[1-3]．CO2作為大氣常規(guī)組分和人體呼吸排放氣體，通常情況下對人體無毒無害，但在人群密集和通風不暢的室內條件下，人們會有各種不適反應．當室內CO2體積分數(shù)處于0.35×10-3～0.45×10-3時，人體生理反應與在一般室外環(huán)境相同；處于0.45×10-3～1.00×10-3時，感覺空氣清新，呼吸順暢；處于1.00×10-3～2.00×10-3時，感覺空氣渾濁，開始昏昏欲睡；處于2.00×10-3～5.00×10-3時，感覺頭痛、嗜睡、呆滯、注意力無法集中、心跳加速、輕度惡心；大于5.00×10-3時，可能導致嚴重缺氧，造成永久性腦損傷、昏迷，甚至死亡。

本文通過對大連市某小區(qū)不同類型住宅室內CO2濃度進行全天候不同工況監(jiān)測，研究室內CO2濃度的變化規(guī)律，旨在為改善居住區(qū)室內空氣質量狀況提供客觀依據(jù)和建議．

1 測量儀器和方法

本次測量選取大連市某小區(qū)32號樓的住宅，戶型圖如圖1所示．測量儀器選取TES溫濕度非色散式CO2測試計．室內測量區(qū)域主要為人們活動時間較多的起居室和臥室，每個空間測量時間為24 h．遵照《室內空氣質量標準》(GB/T 18883—2002)，在測量戶型的起居室和臥室中分別布置測點，測點的高度距地面1 m，每小時的平均濃度采樣時間均大于45 min[3-6]．

2 測量結果統(tǒng)計與分析

2.1 戶型1室內CO2體積分數(shù)測量結果統(tǒng)計與分析

(1)臥室CO2體積分數(shù)測量與分析

臥室調研測量條件及數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表1，臥室24 h內CO2體積分數(shù)見圖2，每個測量階段臥室內CO2體積分數(shù)平均值見圖3．

由圖2、3可知，臥室測量時間內除了開窗通風所在時間段及開窗通風后的一小段時間內，CO2體積分數(shù)平均值低于1.00×10-3外，其余大部分時間段CO2體積分數(shù)平均值都高于1.00×10-3，并且在夜間睡眠時間段內，CO2體積分數(shù)平均值在2.50×10-3以上，已經(jīng)明顯影響到了室內空氣質量和人體舒適性．其中CO2體積分數(shù)變化明顯的幾個階段如下：20：30至第2 d的06：30，由于臥室內關門關窗，在人體正常呼出CO2情況下，臥室內CO2體積分數(shù)隨時間逐漸升高，最高可達3.60×10-3以上．6：30至14：30，在臥室門打開的條件下，臥室內CO2體積分數(shù)在一段時間內迅速下降，隨后進入一個相對平穩(wěn)下降的階段，但始終在1.00×10-3以上．14：30至15：15 這段關門開窗通風時間段內，臥室內CO2體積分數(shù)明顯下降，尤其是在開窗后5 min內，下降速度非常快，隨后平穩(wěn)下降，最低值在0.30×10-3左右．15：15至20：00這一開門關窗時間段內，在前30 min，臥室內CO2體積分數(shù)快速上升，之后進入平穩(wěn)上升階段，最高值在1.00×10-3左右．

圖1 測點布置圖

表1 戶型1臥室CO2體積分數(shù)測量統(tǒng)計表

圖2 戶型1臥室24 h內CO2體積分數(shù)

圖3 戶型1臥室各階段CO2體積分數(shù)平均值

(2)起居室CO2體積分數(shù)測量與分析

起居室調研測量條件及數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2，起居室24 h內CO2體積分數(shù)見圖4．

表2 戶型1起居室CO2體積分數(shù)測量統(tǒng)計表

圖4 戶型1起居室24 h內CO2體積分數(shù)

由圖4可知，在關窗條件下，起居室24 h內CO2體積分數(shù)最高值在2.30×10-3左右，最低值在0.40×10-3左右，平均值在1.00×10-3左右．從整體CO2體積分數(shù)變化曲線可以看出，1 d之內有10：00至13：00和16：00至20：00兩個高峰期．總體來講，起居室內CO2體積分數(shù)明顯優(yōu)于臥室內CO2體積分數(shù)．

24 h內CO2體積分數(shù)變化趨勢可以分為以下幾個階段：在20：00至第2 d 6：00這一夜間休息階段，CO2體積分數(shù)先平穩(wěn)下降，之后逐漸穩(wěn)定在0.50×10-3左右．在6：00至10：00，CO2體積分數(shù)在前1 h內迅速升高到1.00×10-3以上，隨后進入一個相對平穩(wěn)階段．在10：00至13：00，CO2體積分數(shù)曲線進入第1個高峰期，先是迅速升高到1.50×10-3以上，最高值達到1.70×10-3，在1.50×10-3以上維持一段時間后又迅速下降到1.00×10-3左右．在13：00至16：00，CO2體積分數(shù)呈穩(wěn)定狀態(tài)，一直保持在1.00×10-3左右．在16：00至20：00，CO2體積分數(shù)曲線進入第2個高峰期，先是從1.00×10-3迅速升高到2.00×10-3以上，之后又很快下降到1.00×10-3左右．

(3)臥室與起居室CO2體積分數(shù)對比分析

將24 h內臥室與起居室的測量數(shù)據(jù)進行對比，如圖2、4所示．通過計算得到，臥室CO2體積分數(shù)平均值為1.86×10-3，起居室CO2體積分數(shù)平均值為1.00×10-3，臥室內大部分時間屬于空氣混濁狀態(tài)．

2.2 戶型2室內CO2體積分數(shù)測量結果統(tǒng)計與分析

戶型2室內空間相對單一，臥室與起居室之間的門除晚上睡眠時間外，大部分時間處于開啟狀態(tài)．因此，除晚上睡眠時間外，可以將臥室與起居室作為一個空間來進行測量，擴大測量容積，將測量儀器放置在起居室內．戶型2整個空間調研測量條件及數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表3，各階段CO2體積分數(shù)平均值見圖5，起居室24 h內CO2體積分數(shù)見圖6．

表3 戶型2測量統(tǒng)計表

圖5 戶型2起居室各階段CO2體積分數(shù)平均值

圖6 戶型2起居室24 h內CO2體積分數(shù)

由圖6可以看出，在其中的3個開窗通風階段，起居室內CO2體積分數(shù)都迅速下降到0.40×10-3左右．在夜間臥室門關閉的情況下，起居室內CO2體積分數(shù)保持在0.80×10-3～1.00×10-3這一相對穩(wěn)定的狀態(tài)．24 h內，起居室內CO2體積分數(shù)平均值在0.80×10-3左右，最高值在1.20×10-3左右，絕大多數(shù)時間段內起居室內CO2體積分數(shù)都在1.00×10-3以下．因此，在總計4次開窗通風換氣的條件下，可以保證24 h內都有較好的室內空氣質量．

2.3 戶型3室內CO2體積分數(shù)測量結果統(tǒng)計與分析

戶型3與戶型1的空間布置相似，區(qū)別在于戶型3是一個三居室住宅．表4是測量條件和測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計．

(1)臥室CO2體積分數(shù)測量與分析

由表4可知，臥室在開窗通風所在時間段及開窗通風后的一小段時間內，CO2體積分數(shù)平均值均低于1.00×10-3，在夜間關門關窗大部分時間段內CO2體積分數(shù)都高于1.00×10-3，已經(jīng)明顯影響到了室內空氣質量和人體的舒適性．其中CO2體積分數(shù)變化明顯的幾個階段分別為7：00至8：00，臥室開門開窗通風階段，此階段臥室內CO2體積分數(shù)由1.20×10-3迅速下降到0.65×10-3；9：00至12：00，臥室關門開窗進入到一個相對平穩(wěn)下降階段；13：00至14：00為午休階段，此時臥室關門關窗，人在睡眠過程中釋放大量CO2，CO2體積分數(shù)迅速升高到0.87×10-3，午休過后繼續(xù)關門開窗至19：00；20：00至21：00為臥室開門關窗階段，家庭成員開始準備洗漱，室內CO2體積分數(shù)有所升高；22：00以后臥室一直關門關窗至第2 d 7：00，此階段在人體正常呼出CO2情況下，CO2體積分數(shù)持續(xù)升高，但到達一定高度后會逐漸趨于穩(wěn)定，最高值為1.20×10-3左右．

表4 戶型3測量統(tǒng)計表

(2)起居室CO2體積分數(shù)測量與分析

由表4可知，起居室的測量階段相對臥室比較少，7：00至18：00起居室一直處于開窗狀態(tài)，CO2體積分數(shù)由0.89×10-3逐漸降低，下降速度第1個小時最快，然后逐漸變緩．白天家庭成員大部分時間會在起居室活動，但由于起居室空間較大，且一直處于開窗狀態(tài)，CO2體積分數(shù)上升并不明顯．19：00至21：00起居室處于關窗狀態(tài)，此時家庭成員聚集，活動強度大，CO2體積分數(shù)迅速上升，此后起居室一直處于關窗狀態(tài)，但無人員活動，CO2體積分數(shù)趨于穩(wěn)定．總體來看，在關窗條件下起居室內CO2體積分數(shù)會逐漸上升，最高值在0.90×10-3左右，最低值在0.46×10-3左右；在開窗條件下，CO2體積分數(shù)會迅速下降，最低值在0.38×10-3左右．起居室內CO2體積分數(shù)變化情況相對優(yōu)于臥室．

2.4 不同戶型住宅室內CO2體積分數(shù)對比分析

表5為不同戶型住宅室內CO2體積分數(shù)平均值統(tǒng)計，從表中可以看出，隨著室內測量容積的逐漸擴大，室內CO2體積分數(shù)呈現(xiàn)出逐漸衰減的趨勢．室內測量容積由小到大的順序為戶型1<戶型2<戶型3，戶型3的室內容積最大，其CO2體積分數(shù)最低．

表5 CO2體積分數(shù)平均值統(tǒng)計表

2.5 開窗狀態(tài)下的新風量估算

在室內氣態(tài)物種分布均勻、室外CO2濃度均勻的條件下，人體可以作為室內CO2釋放源，室內新風量可以根據(jù)差分法方程來進行計算[7-10]：

式中：ρo為室外CO2濃度(mg/m3)；ρt為室內t時刻CO2濃度(mg/m3)；Q為CO2排放量(mg/h)；t為時間(min)；u為新風量(m3/h)；V為室內空間(m3)．室內CO2排放量：一個成人呼出CO2的量為18 L/h(549 mg/min)．室內空間：室內體積扣除家具等10%的體積和人的體積(每人按0.3 m3計)．借助以上室內新風量的計算方法，本文主要針對戶型1和戶型2在開窗狀態(tài)下的通風量進行計算．

(1)戶型1臥室開窗狀態(tài)下的通風量

戶型1測量過程中共有1次開窗通風過程，通風過程中的計算參數(shù)見表6．

由室內新風量差分法方程可得新風量u為68.6 m3/h．

(2)戶型2起居室開窗狀態(tài)下的通風量

戶型2測量過程中共有4次開窗通風過程，每次通風過程中的計算參數(shù)見表7．

表6 戶型1通風計算參數(shù)

表7 戶型2通風計算參數(shù)

由室內新風量差分法方程可得4個過程中新風量u分別為160.6、204.6、169.5、76.9 m3/h．對比戶型1和戶型2通風過程中的新風量和每次通風時間可以看出，在開窗通風過程中，開窗前5～15 min，通風效率最高，因此每次開窗通風時間以5～15 min為宜．

3 結 論

(1)如果通風不當，住宅室內主要活動空間CO2體積分數(shù)大部分時間處于較高狀態(tài)，很容易超過1.00×10-3，從而影響人體健康．

(2)由于人體夜間睡眠時會作為CO2釋放源排出大量CO2，而臥室空間相對較小，夜間臥室內CO2往往會長期處于較高的狀態(tài)，早晨起床時臥室內的CO2體積分數(shù)會升高到一個很高的狀態(tài)，甚至高于2.00×10-3，因此，每天早晨對臥室進行有規(guī)律的開窗通風非常必要．

(3)由于起居室空間相對較大，同時大部分起居室較為寬敞，起居室內CO2體積分數(shù)普遍低于臥室，但是也會隨著人們24 h的生活規(guī)律出現(xiàn)大的浮動狀態(tài)，如果通風不當，也會出現(xiàn)超標現(xiàn)象．

(4)每次開窗通風15 min左右，室內CO2濃度接近室外水平．通過每天人為有規(guī)律地控制開窗時間，可以將室內CO2濃度全天控制在一個較為健康的水平，維持室內空氣質量．

(5)室內CO2濃度的高低與室內容積的大小呈負相關，隨著室內容積的逐漸擴大，室內CO2濃度呈現(xiàn)逐漸衰減的狀態(tài)．

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StudyofdistributioncharacteristicsofCO2inurbanresidentialbuildings

LIUMing*,RENJingwei,LIANChaoli,ZHANGBaogang,GUHonglei,CHENQingzhou

(SchoolofArchitecture&FineArt,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,China)

CO2concentration is one of the important indexes to evaluate indoor air quality, and keeping a low indoor CO2concentration is very important to improve indoor air quality and maintain physical and mental health. The change of CO2concentration in the residential building of Dalian city is monitored continuously. By setting different window conditions, the change of CO2concentration is monitored in different locations in the building. The result shows that the CO2concentration has different change trends with time and indoor ventilation, and the distribution characteristics of CO2are also different at different locations. When the windows are closed, the longer the time is, the higher the indoor CO2concentration is.But even a short opening time can make the indoor CO2concentration decrease rapidly. Keeping good indoor ventilation and windows opening for fixed time have a significant effect on reducing the indoor CO2concentration and keeping good indoor air quality.

CO2concentration; air quality monitoring; natural ventilation; residential buildings

1000-8608(2017)06-0571-06

TU11

A

10.7511/dllgxb201706004

2016-09-20；

2017-09-23．

國家自然科學基金資助項目(51638003)； 中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(DUT17RW118).

劉 鳴*(1979-)，女，博士，副教授，E-mail:liumingyitj@163.com；任靜薇(1991-)，女，碩士生，E-mail:renjingwei@mail.dlut.edu.cn.