北京市供暖季住宅建筑新風系統使用行為分析

朱 寧 劉奕巧 崔 桐 王新如 吳金順 潘 嵩

北京工業大學 北京 100124

現代居民每天有70%以上的時間在室內生活和工作[1],通風不良已成為一個嚴重問題。自然通風是住宅建筑傳統的通風方式。然而,當室外空氣質量較差時,自然通風無法有效稀釋或去除室內污染物,無法為住宅提供充足的新鮮室外空氣時,帶過濾器的新風系統成為改善室內空氣品質的良好補充方法[2]。

新風系統的開啟時長會顯著影響建筑能源消耗,常采用日均開啟時長作為量化居民的新風系統使用行為的指標。Huang等人[3]監測了中國東北地區8戶使用新風系統公寓的空氣品質,結果表明新風系統可以有效降低室內甲醛、VOC和CO2濃度,年平均每日通風時間為9.91小時。然而,對居民行為的研究側重于“平均行為”。新風系統使用行為復雜多樣,人們對同一環境的感知和反應不同,這意味著“平均行為”將消除“個體化行為”的特征[4],即不同類別個體的行為特征。

1 新風系統使用行為特征分析

該研究選取北京地區的13戶使用新風系統的家庭作為測試對象。根據《北京市供熱管理辦法》規定的供暖周期,確定測試時期為2018年11月15日至2019年3月15日,為期4個月。

日均開啟時長作為新風系統使用行為的描述性指標。如圖1所示,13戶家庭的日均開啟時長為17.5小時,即一天中有73%的時間開啟新風系統。不同家庭的新風系統使用行為存在明顯差異。新風系統并非全天開啟,而是間歇性運行。根據圖1,家庭C和L的日均開啟時長遠低于13個家庭的平均值(17.5小時)。此外,新風系統的使用時長會影響建筑能耗,而不同的開啟時長會受到新風系統使用行為的影響。因此,根據日均開啟時長,將樣本家庭分為兩個類型:經濟型家庭(C、L)和傳統型家庭(A、B、D、E、F、G、H、I、J、K、M)。

圖1 13戶家庭的日均開啟時長

2 新風系統使用行為影響因素

2.1 一天中的不同時間

本節分析了兩種不同類型的家庭在一天中不同時間的開啟概率(圖2),以闡明時間因素和人行為的關系。經濟型家庭的開啟概率點線圖比傳統型家庭波動趨勢變化更大,因此,經濟型家庭采取更多的行為來調整新風系統。經濟型家庭的開啟概率呈單峰趨勢,峰值在20:00～21:00,這可能是因為居民在睡覺前使用新風系統來創造良好的室內空氣質量;從6:00～10:00,居民起床后打開窗戶或離開房間,從而關閉新風系統,因此,早上起床是居民關閉新風系統的主要驅動因素;新風系統在15:00～21:00開啟概率逐漸增加,這可能是因為下班回家的居民打開新風系統。對于傳統型家庭,7:00～11:00開啟概率降低;此外,新風系統從11:00～17:00相對穩定,可能是因為住戶不在房間內;隨著居民回家,17:00～21:00的開啟概率逐漸增加。因此,當居民進入房間時傾向于打開新風系統,起床后關閉新風系統。

圖2 一天中不同時間的開啟概率

2.2 室內CO2濃度

圖3(a)展示了測試家庭在不同室內CO2濃度下的分布比例。在供暖季,經濟型家庭的日均室內CO2濃度為636.3ppm,傳統型家庭的日均室內CO2濃度為683.4ppm。Shen等人[5]在供暖季對北京一套自然通風住宅公寓的室內CO2濃度的監測結果表明CO2濃度日均為740ppm。因此,新風系統使用家庭的室內CO2濃度略低于非新風系統使用家庭。圖3(b)顯示當經濟型家庭的室內CO2濃度在400～800ppm時新風系統開啟概率增加。在室內CO2濃度大于800ppm時,開啟概率逐漸降低。傳統型家庭的室內CO2濃度在400～500ppm時,開啟概率逐漸增加。此外,當室內CO2濃度在500～1000ppm之間時,開啟概率保持穩定。然而,一旦它變得大于1000ppm,開啟概率降低。總之,在不同的室內CO2濃度下,經濟型和傳統型家庭的開啟概率呈現出不同的波動趨勢。

(a)分布比例

(b)開啟概率

2.3 室內PM2.5濃度

根據圖4(a),經濟型和常規型家庭的室內PM2.5濃度大多在0～35μg/m3之間,表明新風系統使用家庭室內空氣質量良好。在經濟型家庭中,平均室內PM2.5濃度為16.19μg/m3,傳統型家庭的平均室內濃度為12.30μg/m3。Zuo等人[6]對北京自然通風住宅內PM2.5濃度的研究顯示,供暖季室內PM2.5日均濃度為46.1μg/m3。與本研究相比,新風系統使用家庭的PM2.5濃度顯著低于非新風系統使用家庭。圖4(b)展示新風系統開啟概率隨著室內PM2.5的濃度的增加而下降。當經濟型家庭的室內PM2.5濃度為0～35μg/m3時,新風系統的開啟概率為36.25%;當濃度為75～115μg/m3時,開啟概率降至10.53%。當傳統型家庭的室內PM2.5濃度為0～35μg/m3時,開啟概率為85.20%;當濃度為75～115μg/m3時,開啟概率將降至65.41%。

(a)分布比例

(b)開啟概率

2.4 室外PM2.5濃度

根據圖5(a),供暖季節室外PM2.5濃度基本保持在0～75μg/m3之間;圖5(b)表明,新風系統開啟概率上升與室外PM2.5的濃度的增加相關。因此,室外PM2.5濃度是開啟新風系統的驅動因素。由于經濟型家庭的開啟概率上升趨勢較傳統型家庭明顯,因此,前者對室外PM2.5濃度的敏感性更為顯著。

(a)分布比例

(b)開啟概率

3 結論

(1)室外PM2.5濃度是影響居民開啟新風系統最重要的因素。使用新風系統家庭的日均室內PM2.5濃度低于非新風系統使用家庭。

(2)不同家庭的新風系統使用行為存在明顯差異。在供暖季,新風系統使用家庭的日均開啟時長為17.5小時。根據日均開啟時長確定典型新風系統使用行為:經濟型家庭和傳統型家庭。

(3)居民的生活習慣(時間)影響新風系統的使用。在經濟型家庭中,一天中不同時刻開啟概率的波動趨勢比傳統型家庭更明顯。經濟型家庭的開啟概率呈單峰趨勢,在20:00～21:00達到最大值。