刘 鸣， 任 静 薇， 连 超 丽， 张 宝 刚， 谷 红 磊， 陈 庆 周

( 大连理工大学 建筑与艺术学院, 辽宁 大连 116024 )

城市居住建筑室内CO2分布特性研究

刘 鸣*， 任 静 薇， 连 超 丽， 张 宝 刚， 谷 红 磊， 陈 庆 周

( 大连理工大学 建筑与艺术学院, 辽宁 大连 116024 )

CO2浓度是评价室内空气质量的重要指标之一，控制较低的室内CO2浓度对室内空气质量和人的身心健康起着重要作用．对大连市某小区室内CO2浓度的变化情况进行了连续监测．通过设置不同开窗状态，分别监测了该小区室内不同条件下的CO2浓度变化．结果表明，CO2浓度随时间和通风情况呈现出不同的变化趋势，室内不同位置的CO2分布特性也有所不同．密闭情况下，时间越长，室内CO2浓度越高．当进行自然通风时，即使较短的开窗时间也能使室内CO2浓度迅速降低．研究表明，保持良好的室内通风，选择性开窗对降低室内CO2浓度、保持较好的室内空气质量有着重要作用．

CO2浓度；空气质量监测；自然通风；居住建筑

0 引 言

研究表明，室内空气质量受室内通风、空气温湿度、空气污染物等多种因素影响．对于居住建筑来说，室内CO2浓度的高低直接影响居住品质以及身心健康[1-3]．CO2作为大气常规组分和人体呼吸排放气体，通常情况下对人体无毒无害，但在人群密集和通风不畅的室内条件下，人们会有各种不适反应．当室内CO2体积分数处于0.35×10-3～0.45×10-3时，人体生理反应与在一般室外环境相同；处于0.45×10-3～1.00×10-3时，感觉空气清新，呼吸顺畅；处于1.00×10-3～2.00×10-3时，感觉空气浑浊，开始昏昏欲睡；处于2.00×10-3～5.00×10-3时，感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心；大于5.00×10-3时，可能导致严重缺氧，造成永久性脑损伤、昏迷，甚至死亡。

本文通过对大连市某小区不同类型住宅室内CO2浓度进行全天候不同工况监测，研究室内CO2浓度的变化规律，旨在为改善居住区室内空气质量状况提供客观依据和建议．

1 测量仪器和方法

本次测量选取大连市某小区32号楼的住宅，户型图如图1所示．测量仪器选取TES温湿度非色散式CO2测试计．室内测量区域主要为人们活动时间较多的起居室和卧室，每个空间测量时间为24 h．遵照《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2002)，在测量户型的起居室和卧室中分别布置测点，测点的高度距地面1 m，每小时的平均浓度采样时间均大于45 min[3-6]．

2 测量结果统计与分析

2.1 户型1室内CO2体积分数测量结果统计与分析

(1)卧室CO2体积分数测量与分析

卧室调研测量条件及数据统计见表1，卧室24 h内CO2体积分数见图2，每个测量阶段卧室内CO2体积分数平均值见图3．

由图2、3可知，卧室测量时间内除了开窗通风所在时间段及开窗通风后的一小段时间内，CO2体积分数平均值低于1.00×10-3外，其余大部分时间段CO2体积分数平均值都高于1.00×10-3，并且在夜间睡眠时间段内，CO2体积分数平均值在2.50×10-3以上，已经明显影响到了室内空气质量和人体舒适性．其中CO2体积分数变化明显的几个阶段如下：20：30至第2 d的06：30，由于卧室内关门关窗，在人体正常呼出CO2情况下，卧室内CO2体积分数随时间逐渐升高，最高可达3.60×10-3以上．6：30至14：30，在卧室门打开的条件下，卧室内CO2体积分数在一段时间内迅速下降，随后进入一个相对平稳下降的阶段，但始终在1.00×10-3以上．14：30至15：15 这段关门开窗通风时间段内，卧室内CO2体积分数明显下降，尤其是在开窗后5 min内，下降速度非常快，随后平稳下降，最低值在0.30×10-3左右．15：15至20：00这一开门关窗时间段内，在前30 min，卧室内CO2体积分数快速上升，之后进入平稳上升阶段，最高值在1.00×10-3左右．

图1 测点布置图

表1 户型1卧室CO2体积分数测量统计表

图2 户型1卧室24 h内CO2体积分数

图3 户型1卧室各阶段CO2体积分数平均值

(2)起居室CO2体积分数测量与分析

起居室调研测量条件及数据统计见表2，起居室24 h内CO2体积分数见图4．

表2 户型1起居室CO2体积分数测量统计表

图4 户型1起居室24 h内CO2体积分数

由图4可知，在关窗条件下，起居室24 h内CO2体积分数最高值在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．从整体CO2体积分数变化曲线可以看出，1 d之内有10：00至13：00和16：00至20：00两个高峰期．总体来讲，起居室内CO2体积分数明显优于卧室内CO2体积分数．

24 h内CO2体积分数变化趋势可以分为以下几个阶段：在20：00至第2 d 6：00这一夜间休息阶段，CO2体积分数先平稳下降，之后逐渐稳定在0.50×10-3左右．在6：00至10：00，CO2体积分数在前1 h内迅速升高到1.00×10-3以上，随后进入一个相对平稳阶段．在10：00至13：00，CO2体积分数曲线进入第1个高峰期，先是迅速升高到1.50×10-3以上，最高值达到1.70×10-3，在1.50×10-3以上维持一段时间后又迅速下降到1.00×10-3左右．在13：00至16：00，CO2体积分数呈稳定状态，一直保持在1.00×10-3左右．在16：00至20：00，CO2体积分数曲线进入第2个高峰期，先是从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)卧室与起居室CO2体积分数对比分析

将24 h内卧室与起居室的测量数据进行对比，如图2、4所示．通过计算得到，卧室CO2体积分数平均值为1.86×10-3，起居室CO2体积分数平均值为1.00×10-3，卧室内大部分时间属于空气混浊状态．

2.2 户型2室内CO2体积分数测量结果统计与分析

户型2室内空间相对单一，卧室与起居室之间的门除晚上睡眠时间外，大部分时间处于开启状态．因此，除晚上睡眠时间外，可以将卧室与起居室作为一个空间来进行测量，扩大测量容积，将测量仪器放置在起居室内．户型2整个空间调研测量条件及数据统计见表3，各阶段CO2体积分数平均值见图5，起居室24 h内CO2体积分数见图6．

表3 户型2测量统计表

图5 户型2起居室各阶段CO2体积分数平均值

图6 户型2起居室24 h内CO2体积分数

由图6可以看出，在其中的3个开窗通风阶段，起居室内CO2体积分数都迅速下降到0.40×10-3左右．在夜间卧室门关闭的情况下，起居室内CO2体积分数保持在0.80×10-3～1.00×10-3这一相对稳定的状态．24 h内，起居室内CO2体积分数平均值在0.80×10-3左右，最高值在1.20×10-3左右，绝大多数时间段内起居室内CO2体积分数都在1.00×10-3以下．因此，在总计4次开窗通风换气的条件下，可以保证24 h内都有较好的室内空气质量．

2.3 户型3室内CO2体积分数测量结果统计与分析

户型3与户型1的空间布置相似，区别在于户型3是一个三居室住宅．表4是测量条件和测试数据的统计．

(1)卧室CO2体积分数测量与分析

由表4可知，卧室在开窗通风所在时间段及开窗通风后的一小段时间内，CO2体积分数平均值均低于1.00×10-3，在夜间关门关窗大部分时间段内CO2体积分数都高于1.00×10-3，已经明显影响到了室内空气质量和人体的舒适性．其中CO2体积分数变化明显的几个阶段分别为7：00至8：00，卧室开门开窗通风阶段，此阶段卧室内CO2体积分数由1.20×10-3迅速下降到0.65×10-3；9：00至12：00，卧室关门开窗进入到一个相对平稳下降阶段；13：00至14：00为午休阶段，此时卧室关门关窗，人在睡眠过程中释放大量CO2，CO2体积分数迅速升高到0.87×10-3，午休过后继续关门开窗至19：00；20：00至21：00为卧室开门关窗阶段，家庭成员开始准备洗漱，室内CO2体积分数有所升高；22：00以后卧室一直关门关窗至第2 d 7：00，此阶段在人体正常呼出CO2情况下，CO2体积分数持续升高，但到达一定高度后会逐渐趋于稳定，最高值为1.20×10-3左右．

表4 户型3测量统计表

(2)起居室CO2体积分数测量与分析

由表4可知，起居室的测量阶段相对卧室比较少，7：00至18：00起居室一直处于开窗状态，CO2体积分数由0.89×10-3逐渐降低，下降速度第1个小时最快，然后逐渐变缓．白天家庭成员大部分时间会在起居室活动，但由于起居室空间较大，且一直处于开窗状态，CO2体积分数上升并不明显．19：00至21：00起居室处于关窗状态，此时家庭成员聚集，活动强度大，CO2体积分数迅速上升，此后起居室一直处于关窗状态，但无人员活动，CO2体积分数趋于稳定．总体来看，在关窗条件下起居室内CO2体积分数会逐渐上升，最高值在0.90×10-3左右，最低值在0.46×10-3左右；在开窗条件下，CO2体积分数会迅速下降，最低值在0.38×10-3左右．起居室内CO2体积分数变化情况相对优于卧室．

2.4 不同户型住宅室内CO2体积分数对比分析

表5为不同户型住宅室内CO2体积分数平均值统计，从表中可以看出，随着室内测量容积的逐渐扩大，室内CO2体积分数呈现出逐渐衰减的趋势．室内测量容积由小到大的顺序为户型1<户型2<户型3，户型3的室内容积最大，其CO2体积分数最低．

表5 CO2体积分数平均值统计表

2.5 开窗状态下的新风量估算

在室内气态物种分布均匀、室外CO2浓度均匀的条件下，人体可以作为室内CO2释放源，室内新风量可以根据差分法方程来进行计算[7-10]：

式中：ρo为室外CO2浓度(mg/m3)；ρt为室内t时刻CO2浓度(mg/m3)；Q为CO2排放量(mg/h)；t为时间(min)；u为新风量(m3/h)；V为室内空间(m3)．室内CO2排放量：一个成人呼出CO2的量为18 L/h(549 mg/min)．室内空间：室内体积扣除家具等10%的体积和人的体积(每人按0.3 m3计)．借助以上室内新风量的计算方法，本文主要针对户型1和户型2在开窗状态下的通风量进行计算．

(1)户型1卧室开窗状态下的通风量

户型1测量过程中共有1次开窗通风过程，通风过程中的计算参数见表6．

由室内新风量差分法方程可得新风量u为68.6 m3/h．

(2)户型2起居室开窗状态下的通风量

户型2测量过程中共有4次开窗通风过程，每次通风过程中的计算参数见表7．

表6 户型1通风计算参数

表7 户型2通风计算参数

由室内新风量差分法方程可得4个过程中新风量u分别为160.6、204.6、169.5、76.9 m3/h．对比户型1和户型2通风过程中的新风量和每次通风时间可以看出，在开窗通风过程中，开窗前5～15 min，通风效率最高，因此每次开窗通风时间以5～15 min为宜．

3 结 论

(1)如果通风不当，住宅室内主要活动空间CO2体积分数大部分时间处于较高状态，很容易超过1.00×10-3，从而影响人体健康．

(2)由于人体夜间睡眠时会作为CO2释放源排出大量CO2，而卧室空间相对较小，夜间卧室内CO2往往会长期处于较高的状态，早晨起床时卧室内的CO2体积分数会升高到一个很高的状态，甚至高于2.00×10-3，因此，每天早晨对卧室进行有规律的开窗通风非常必要．

(3)由于起居室空间相对较大，同时大部分起居室较为宽敞，起居室内CO2体积分数普遍低于卧室，但是也会随着人们24 h的生活规律出现大的浮动状态，如果通风不当，也会出现超标现象．

(4)每次开窗通风15 min左右，室内CO2浓度接近室外水平．通过每天人为有规律地控制开窗时间，可以将室内CO2浓度全天控制在一个较为健康的水平，维持室内空气质量．

(5)室内CO2浓度的高低与室内容积的大小呈负相关，随着室内容积的逐渐扩大，室内CO2浓度呈现逐渐衰减的状态．

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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．

国家自然科学基金资助项目(51638003)； 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(DUT17RW118).

刘 鸣*(1979-)，女，博士，副教授，E-mail:liumingyitj@163.com；任静薇(1991-)，女，硕士生，E-mail:renjingwei@mail.dlut.edu.cn.