臥室新風口布置形式對室內空氣品質的影響

王明昊 王飛飛

華中科技大學建筑環境與設備工程系

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，因此室內空氣質量對人體健康也尤為重要。目前，我國大多數既有建筑都依靠自然通風實現通風換氣，但往往難以顯著改善室內品質。

針對上述問題，現代住宅中多安裝新風系統以改善空氣質量。新風系統可在不開門窗的情況下，將室外新風經高效過濾器后持續輸入室內，保證室內空氣的清潔，從而提高人員學習工作效率、減少各類疾病的發病率，保障室內人員舒適性。

本文采用商業軟件Airpak 對武漢地區某戶型的住宅建筑在新風口安裝位置不同時的室內氣流組織，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空氣質量的改善程度最佳。本文將為優化住宅新風系統設計及改善室內空氣品質提供參考。

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三室一廳住宅。該住宅由主臥室、次臥室、書房、衛生間、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CO2濃度的變化，故室內的門窗為關閉狀態，室外空氣主要通過門窗的縫隙進入室內。門窗的縫隙面積根據《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

據文獻[2]可知，當內外壓差為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《公共建筑節能設計標準》（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。

根據調研，戶內門的單位長度縫隙寬度為0.7 cm。戶內門的縫隙面積可根據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為單位時間內產生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，人在睡眠狀態下的代謝率為40 W/m2。因此，人體在睡眠狀態下，CO2的排出量VCO2=0.04×40×1.8=2.88 ml/s=0.010368 m3/h。

《室內空氣質量標準》（GB/T18883-2002）[5]中規定室內CO2濃度標準值為0.1%（1000 ppm）。在靜坐條件下，當環境中CO2濃度為0.1%（1000 ppm）時，人員需新風量為20.6 m3/h。室內CO2濃度對人體的影響見表3。根據表3，室外新風的CO2濃度設置為0.03%（300ppm）。另一方面，地區標準《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CO2濃度分布，以及室內設置新風口時新風口位置對室內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，進而獲得進入室內的新風量及滲出的風量。建筑室外流場建立依據以下原則：

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。各房間新風量根據人數設置。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。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

為評判室內空氣質量的優劣，本文對不同工況下的人體呼吸區域的平均CO2濃度和室內平均CO2濃度進行比較。其中，人體呼吸區域取為人體頭部附近尺寸為0.5 m×0.5 m×0.5 m 的區域。

2.1 不同新風口位置對室內空氣中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CO2平均濃度以及人體呼吸區域的平均CO2濃度。

圖4 不同工況下室內CO2濃度分布圖

表4 不同工況下室內CO2濃度表

由圖4 和表4 可知，無新風輸送時，房間內各區域的CO2平均濃度都超過標準限制，其中主臥室超標嚴重，因此，須向室內引入新風。當房間內輸入新風后，室內CO2濃度能夠明顯降低，室內空氣品質得以改善。另一方面，不同新風口的布置位置對室內CO2濃度有一定影響，特別是對人體呼吸區域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濃度及人體呼吸區域CO2濃度最低。新風口位于房間時，中央房間內CO2濃度達標，但人體呼吸區域CO2濃度較高。新風口位于房間遠離頭部一側、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，但人體呼吸區域CO2濃度較高。新風口位于房間遠離頭部一側及新風口靠近門時，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濃度及人體呼吸區域CO2的濃度最高。

2.2 不同新風口位置對室內氣流組織的影響

前述討論表明，新風口位置對室內空氣中的CO2含量有較大影響。如當新風口布置在床頭頂部時，能使所有房間內的室內空氣質量達標，當新風口位置靠近門時，則大部分區域空氣質量不高。通過討論采用不同新風口位置時的室內氣流組織，本節將進一步說明新風口位置對室內空氣中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，對室內氣流組織的影響。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，對室內氣流組織的影響。由圖可知，當新風口位于門、窗邊上時，新風氣流進入室內后，部分新風將被直接吹向室外，而無法有效地改善室內空氣質量。就此三種新風口而言，顯然將風口布置在房間內部更好。

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

3 結論

本文通過數值模擬研究了五種新風口布置位置對改善室內空氣品質的影響。文中采用人體呼吸區域的平均CO2濃度和室內平均CO2濃度作為評判室內空氣品質優劣的指標。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，室內及人體呼吸區域的CO2平均濃度最低。新風口位于房間中央時，室內CO2濃度低于標準值，但人體呼吸區域CO2濃度較高。新風口位于房間遠離頭部一側、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域的空氣直接交換，或有部分新風泄露，室內空氣質量改善效果不佳。

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