周烁钕 赵月琪 胡轩宇 王昊睿 黄立涵 张小松 刘聪

东南大学能源与环境学院

0 引言

随着中国城镇化的快速发展，建筑的能源需求增加，节能要求提高，使得建筑外围护结构（门窗）的气密性要求越来越高[1-2]，新风量不断减少，室内空气污染水平急剧上升[3]，导致亟需提高室内空气品质。

大量研究[4-8]表明，建筑通风是影响室内空气质量的关键因素，通风良好的建筑能有效降低室内各种污染物浓度的传播。冬夏两季，建筑内常开空调，窗户一般紧闭，因此这两个季节的通风状况往往不如过渡季节[9]，其通风方式主要是空气渗透。目前，国内住宅渗透风换气次数的实地测量数据并不全面，且国内外对住宅换气次数的24h 变化特征的研究仍然较少。

因此，本文实地调查并测量了中国四个气候区的住宅在2020 年冬夏两季24h 内的渗透风换气次数，以研究不同气候区不同季节换气次数的24h 变化特征。

1 方法

1.1 实地调查

我国幅员辽阔，地域广袤，纬度跨越大，地区间温度、湿度、风速及太阳辐射等气候条件差异较大，因此被划分为几个气候区。由于每个气候区的气候特点不同，住宅内通风状况一般也不相同。另外，人们在家中有75%的时间选择在卧室度过[10]。因此，本文为国内四个气候区（严寒地区（SC）、寒冷地区（C）、夏热冬冷地区（HSCW）、夏热冬暖地区（HSWW））的建筑卧室门窗状态（开或关）开展了一次线上调查，每个气候区收集了300 多份问卷，总共1536 份。

选取不同气候区（SC、C、HSCW、HSWW）的四个住宅作为研究对象，测量了2020 年1 月至3 月初（冬季）、6 月底至8 月初（夏季）的房间渗透风换气次数，具体测试地点及卧室参数如图1 所示（附在每个箭头上的文字表示城市、房间最后一次装饰的年份、房间面积和体积）。根据GB50325-2013《民用建筑工程室内环境污染控制规范》，因卧室面积均小于50 m2，故测点位于房间中央，与房门口和窗户的距离相等。

图1 测试房间相关信息

1.2 实验方法

已知国内外测量房间换气次数的四个基本方法是以二氧化碳为示踪气体的恒量浓度法（稳态法）、瞬态质量平衡法、浓度上升法（累积法）和二氧化碳下降法（衰减法）。由于二氧化碳衰减法操作简单，对测量仪器误差较为敏感，对精度要求较高，因此本研究使用这种方法来检测住宅的渗透风换气次数。已知CO2衰减法在测量时要先使房内CO2浓度提高至较高水平，然后将使室内CO2浓度上升的释放源移除或换成强度较低的释放源，使房间内CO2浓度呈整体稳定下降的趋势，最后根据室内CO2质量平衡方程分析计算房间内换气次数。测试期间要求无人员占用，否则将存在人体二氧化碳生成率的估算和影响。

根据调查结果，测量过程中关闭卧室门窗。在整个测试期间，房间内无人员活动。通过在房间内放置干冰来注入CO2，并使用多污染物监测仪(QD-M1,Green Built Environ.,Beijing,China)进行测量。初始时，房间内的CO2浓度约为4000ppm。随后，CO2浓度开始衰减。当浓度衰减到大约1500 ppm 时，再次投入干冰。如此往复，一个24 小时的测量周期大概需要在房间内注入干冰2 到3 次，且一次测量持续3 天。基于CO2质量守恒原理，建立测量室内二氧化碳浓度的平衡方程如下：

式中：Cin,t为测量开始后t 时刻二氧化碳浓度，ppm；Cext为室外二氧化碳浓度，ppm；ECO2为室内二氧化碳释放源释放速率，m3/h；Q 为新风量，m3/h；t 为测量时间，h；V 为房间体积，m3；Cin,0为测量初始时刻室内二氧化碳浓度，μg/m3。

因为二氧化碳下降法的测试条件要求测量时房间内无二氧化碳释放源或释放强度较低，即ECO2≈0。由此，式（1）可变为：

根据式（2）可得到换气次数为：

因为使用两点法计算时随机性强，结果可靠度低，为解决此问题，本文采用线性拟合法求解，故式（3）改变形式可得：

根据式（4），以450ppm 作为室外CO2的参考浓度，每测量一小时进行衰减拟合，以此获得渗透风换气次数[11]。本文中，乌鲁木齐、西安、宣城都测量了冬夏两季的日平均换气次数，但汕头只进行了冬季的测量。

2 结果

2.1 卧室门窗状态调查

根据调查结果，中国四个气候区住宅的卧室门窗最常见状态如表1 所示。由表可知，在冬季和夏季的夜晚，门窗主要呈关闭状态。在SC 地区和C 地区的冬季白天，一般也是关闭状态。但在HSCW 地区和HSWW地区的白天，人们倾向于打开门窗进行通风。这与彭海滢等人的调研结果类似[12]。因此，本文测试条件基本符合现实情况。

表1 四个气候区卧室门窗最常见的状态

2.2 每日平均换气次数

根据式（4）计算冬季和夏季四个城市每个测量日的换气次数（24h 每小时换气次数的平均值），再取3个连续测试日的换气次数平均值作为最终结果，具体见表2。数据显示，乌鲁木齐、西安和宣城的渗透风换气次数在0.1～0.22h-1之间，这显著低于中国的最低要求0.5h-1[13]。汕头市冬季卧室的换气次数为0.54h-1，满足最低要求。

表2 冬夏两季卧室平均换气次数

为了了解各个城市冬夏两季换气次数的差异，进行如下计算：

式中：σ 为换气次数标准差，N 为测试天数，μ 为换气次数算数平均值，RSD 为换气次数相对标准偏差。

根据式（5）、（6）计算得乌鲁木齐、西安和宣城冬季和夏季的相对标准偏差为5%～31%，表明这三个城市冬夏两季的平均每日换气次数有一定的差距。

在此之前，Shi 等人[14]研究了北京民用住宅的冬夏两季换气次数，中位值为0.17h-1，这与本研究中的西安冬夏两季换气次数平均值0.18h-1较为相似，已知西安与北京相邻，同属寒冷区，气候相同。Cheng 和Li[15]测量了全年广州卧室的夜间换气次数，算术平均值为0.41h-1，明显小于本研究中汕头冬季的换气次数0.54h-1，这可能是因为本文缺少该城市其他季节的换气次数。Hou 等人[16]对中国几个气候区的夜间换气次数进行了长期的调查研究，结果显示，SC、C、HSCW 和HSWW 四个气候区冬夏两季的换气次数（通风方式为渗透式和开窗式）较为相似，约0.3h-1。这与本研究的结果不一致，可能是因为通风方式不同导致。虽然上述研究的设计方法和测试地点不尽相同，很难对它们进行比较，但它们都体现了中国近阶段卧室换气次数的大致情况。

2.3 换气次数的24h 变化

根据测试结果，绘制了四个城市卧室渗透风换气次数的日变化曲线，如图2～5（向下的箭头表示干冰投药期，导致渗透速率急剧增加）所示。由图可知，卧室换气次数的日间变化规律并不一致。在24 小时周期内，其变化具有随机性。白天的平均值一般接近夜间的平均值。西安和汕头冬季的平均换气次数白天比夜晚高30%左右，这可能归因于第3 天白天的换气次数较高。此外，本文还记录了两个城市第三天室内和室外的温度，和前两天的温度相比，没有发现明显的差异。这可能是由于渗透风换气次数还受其他天气因素的影响，如风速。

图2 乌鲁木齐卧室渗透风换气次数的24h 变化

图3 西安卧室渗透风换气次数的24h 变化

图4 宣城卧室渗透风换气次数的24h 变化

图5 汕头冬季卧室渗透风换气次数的24h 变化

根据式（5）和（6）计算得到不同城市冬夏两季每日换气次数的相对标准偏差（RSD，RSD=标准差/平均值），取三日平均值作为当季结果列进表3。如表所示，乌鲁木齐、西安和宣城冬季的换气次数RSD 处在中等水平，范围为0.22-0.41。而位于中国南方的汕头，其冬季换气次数RSD 平均值为0.72，显著高于其他城市。北方城市（乌鲁木齐、西安）夏季日均换气次数RSD 分别达到了0.62 和0.65，均高于冬季日均RSD。相比之下，宣城夏季RSD 均值为0.38，与冬季RSD 均值相近。这些都表明了不同气候区住宅渗透风换气次数的波动情况。

表3 换气次数的相对标准偏差（RSD）

根据表3，分别比较不同城市白天和夜晚换气次数的变化。冬季，乌鲁木齐、西安和宣城昼夜换气次数RSD 与日平均值相似，处于中等水平（0.18～0.38）。而汕头市白天（RSD=0.58）和夜晚（RSD=0.63）的换气次数波动均较明显。夏季，除了汕头，其他三个城市的渗透风换气次数也有不同程度的变化，尤其是白天（RSD在0.44～0.78 之间）。此外，乌鲁木齐、西安和宣城这三个城市冬季和夏季的换气次数在白天的变化明显大于夜晚，这可能是由于白天天气条件如温度、风速、风向等的变化较为频繁所致[17]。

3 讨论

3.1 研究意义

在本研究中，初步测定了中国四个气候区住宅的24h 渗透风换气次数，并绘制成曲线图。跟以往的研究相比，本次研究在实地测量的时间尺度上更加得精细，且这些数据可以作为分析每小时建筑能耗和室内空气质量的初始输入量[18]。例如，可以通过将渗透风换气次数与其他参数相结合来研究室内污染物浓度随窗口关闭时长的变化过程[19]。这可能有助于建立一个室内空气质量预测或评价系统。

为了探究门窗关闭时长对室内污染物类型和水平的影响，在正常情况下测试室内空气质量时，门窗必须关闭12 小时[20]。在验收室内污染测试结果前，自然通风建筑的门窗应关闭1 小时[21]。因此，研究渗透风换气次数很有必要。

3.2 自然通风与监测

根据问卷调查结果（表1），人们通常在白天（尤其是夏季）打开门窗。当门窗打开时，室内环境通过自然通风与室外交换空气。自然通风换气次数比渗透通风换气次数更强，通常相差一个数量级[22-24]。这使得自然通风监测具有挑战性。如果使用衰减法，示踪气体浓度会迅速下降，那就需要经常补充药剂，测试过程将变得繁琐不方便。最近，有研究者提出了一种基于PM2.5的测试方法[11]。该方法使用PM2.5 作为示踪剂，通过安装空气净化器来避免给药。当有居住者存在时，这也许是一种能够监测自然通风和空气渗透换气次数的方法。

3.3 局限性

这项研究存在几个局限性。首先，没有对室外空气中存在的污染物组分进行初步监测[25-27]，样本量较小。因此，为了获得一个具有普遍适用性的24h 渗透风换气次数曲线，需要更多的实地测试。其次，本研究只测量了窗户关闭时的渗透风换气次数，但根据表1，窗户在夏季大多数时间是打开的，那种情况下的通风换气次数尚未测量。另外，如图2 中向下的箭头所示，发现干冰加量有时会干扰换气次数，由于一些加药活动，渗透速率急剧增加。如果可能的话，这种情况需要避免。

另外，在此研究中，没有根据室内和室外空气之间的压力梯度、温度和湿度对测量的换气次数进行必要的参数分析。

4 结论

在本次测试中，对中国四个气候区内住宅的24h渗透风换气次数进行了初步研究。除了位于中国南方的汕头（0.54h-1），其他地区的每日平均换气次数（0.11～0.22h-1）普遍低于标准要求0.5h-1。渗透风换气次数似乎每天都在随机变化，且其在24h 内呈中高波动性。在严寒（SC）地区的乌鲁木齐和寒冷（C）地区的西安，夏季24h 换气次数的波动程度大于冬季。冬季和夏季，除汕头市外，其他三个城市白天的换气次数变化均强于夜晚。

基于目前的数据，无法用一个具有一致变化规律性的曲线去描述24h 换气次数，因为它似乎是随机变化的。虽然这项研究只是初步尝试获得中国不同气候区住宅的每日渗透风换气次数，但是因为国内比较缺乏此类数据所以此研究具有一定的重要性。在未来一段时间，需要开展进一步的测量来提供能评估通风情况和分析随之能耗、空气质量的数据库。