影响住宅通风效果的因素
2014-07-02 17:19:39
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    王宏恩 王智超 唐冬芬 胡小明

    摘要 结合中国的具体实际情况,寻求适合符合自己国情的住宅通风方式,重点研究国内采用自然进机械排通风方式的民用住宅,运用示踪气体浓度衰减法对住宅通风系统的通风换气量及通风气流组织进行测试,得出了目前国内住宅采用该通风方式的通风换气水平,分析了影响住宅通风效果的因素。

    关键词 民用住宅 通风方式 示踪气体浓度衰减法 通风效果

    1 研究背景

    住宅是人们每天生活起居的地方,集中体现了一个国家的经济发展水平,一直是各国政府十分重视并着重解决的问题。

    随着建筑节能的发展,住宅的密闭性越来越好,仅仅靠自然通风和开窗通风已经无法满足人们对于室内空气品质IAQ(Indoor Air Quality)的要求。室内污染物因得不到及时清除而导致严重的空气污染。病症的反应有人们头脑发昏、嗜睡、眼睛受到刺激、呼吸系统不适,严重的会导致疾病的传染,造成各种各样的健康问题。根据国外的建筑科学的发展规律,住宅机械通风将成为解决室内空气品质的主要手段。

    国内外许多学者对不同建筑的室内空气品质进行调查研究发现,大约53%的建筑中,室内空气品质问题是由于不合理的通风引起的。除去人的主观因素,造成室内空气品质恶劣的原因主要有两个[1]:一是暖通空调的系统设计或运行不当;二是污染物的产生和去除。从而,人们想到运用一些简单的措施来改变室内空气品质,如换气扇、负离子发生器等空气净化设备、空气清洁芳香剂等。但这些措施中有的效果不理想,有的根本没有效果,更有甚者还会造成二次污染。

    为了解决国内日益严重的室内污染问题,我们有必要对中国目前住宅通风方式进行研究,寻求适合自己国情且能满足通风、节能要求的住宅通风方式,从而加快走向健康住宅的步伐,追赶国外发达国家水平。

    2 研究对象的选择

    目前在我国由于住宅的分类标准不同[2],如安置型、温饱型、舒适性及豪华型等,针对不同的住宅应根据实际情况采用不同的通风方式。住宅通风从方式上划分主要有两种:自然通风和机械通风。

    住宅在没有机械通风设备的情况下,要消除室内的余热、余湿,会优先考虑自然通风[3]。自然通风包括开窗和闭窗两种,这也是我国普通民用住宅过去甚至现在都常用的通风方式。

    随着建筑节能对维护结构的要求越来越严格,门窗的密闭性越来越好,依靠热压风压的门窗渗透实现室内通风换气已经根本不可能。而开窗通风不能控制换气量大小,气流组织无法控制,室外污染也会对室内环境造成影响,并伴随着大量的能量损耗。因此自然通风不是一种科学的通风方式。

    根据国外建筑科学的发展规律,住宅机械通风,或自然与机械结合的通风将成为解决室内空气品质的主要手段。国际上应用较广的主要是机械进风机械排风,机械进风自然排风及自然进风机械排风这三种强制通风方式,而国内的情况略有不同,应具体分析。国内普通民用住宅的机械通风大多仅用在厨房、卫生间,只是简单地设置土建排风道和排油烟机、通风器,卧室、起居室等则很少考虑有组织通风,这样,对厨房、卫生间污染源进行局部排风时,住宅往往没有稳定的新风补给量。

    目前,只有一小部分高级住宅开始启用居室通风系统即户式独立机械通风系统。这种通风系统不承担室内的冷、热负荷,属非“空调”通风,在厨房、卫生间等高污染浓度区域设排风口,在卧室、起居室的窗户或墙上安置了进风口。室外新风先通过进风口进入客厅、卧室,混合并稀释室内的污染物,然后在排风口的抽力下,生活区已污染的空气流入厨房、卫生间,被直接排出室外,避免了已污染空气进入其他生活区进行二次污染,同时防止厨房、卫生间污染源扩散,又确保人员活动、休息区域必要的新风量。

    所以上述采用自然进机械排的独立机械通风方式既满足了机械通风的原则,又符合文献[4]的相关规定,很好地结合了我国目前住宅通风系统的国情,最终被确定为本文研究的重点。而目前国内某些公司如法国ALDES、AERECO等公司有相关的住宅通风设备正利用上述通风方式,对住宅进行独立机械通风,所以我们选用了以上两公司的通风设备安装在多栋民用住宅,并对住宅的通风换气效果进行现场测试。

    3 通风效果评价方法

    住宅机械通风在我国处于起步阶段,还没有完善的住宅机械通风的研究方法和标准。在实际的通风气流组织研究当中,人们通常用空气龄或有关效率参数来描述气流组织的合理与否。

    空气龄是指空气质点自进入房间至到达室内某点所经历的时间。局部平均空气龄定义为某一微小区域中各空气质点的空气龄的平均值。空气龄的概念比较抽象,实际测量很困难,目前都是用测量示踪气体的浓度变化来确定局部平均空气龄。

    气流组织是指对气流流向和均匀度按一定要求进行组织。在通风系统的性能中,室内气流组织对空气品质影响极大。根据美国明尼苏达大学和加州伯克利大学劳伦斯实验室的研究结果[5],室内气流组织不当所引起的空气品质恶劣问题大约占空气品质恶劣总数的45%~46%。实验结果表明示踪气体法是适用于强制通风的气流组织研究的,空气龄能比较正确的反映测试点空气的新鲜程度,从一个侧面也能反映空气流态。

    空气从送风口进入室内后的流动过程中,不断掺混污染物,空气的清洁程度和新鲜程度将不断下降。因此,空气龄短,预示着到达处的空气可能掺混的污染物少,排除污染物的能力愈强,所以空气龄可以用于评价空气流动状态的合理性。本课题中,我们通过示踪气体的浓度衰减法测量房间内某些点的空气龄τ,评价住宅机械通风气流组织的均匀性、合理性。

    本文主要研究住宅机械通风方式对室内通风效果的影响,其包括对住宅房间的通风换气量(换气次数)以及通风换气不均匀性(空气龄)的研究。房间换气次数主要有两种方法进行测试:一种是通过测量房间的通风量以及房间的有效体积,计算得出该房间的换气次数;另一种方法是应用浓度衰减法测房间换气次数。示踪气体浓度衰减法是最简单的一种示踪气体实验方法,其应用最主要的一个假设是测量空间内示踪气体浓度均匀一致,可以用一个浓度值表示。通风效率的研究主要采用测房间空气龄的方法来评价该房间的通风效果,其实验方法和应用浓度衰减法测房间换气次数的方法近似。为此,我们选择了一套民用住宅对其机械通风效果进行了现场测试,通过测试房间通风换气的空气龄确实能很好地评价通风换气的不均匀性,其分析的结果和运用空气动力学理论分析是基本一致的,验证了该实验方法的适用性,同时在满足示踪气体初始浓度混合均匀的条件下,经过对不同点的空气龄进行多次反复测试,测试结果也验证了其可重复性良好。所以,示踪气体浓度衰减法可以在民用住宅通风的现场条件下,对住宅的通风换气量、换气均匀行等进行测试。

    4 测试结果的分析

    通过对北京、上海等地机械通风住宅的通风效果进行大量测试可得知,采用自然进机械排通风方式的通风气流组织比较合理,换气均匀性较好,体现出全面稀释通风的特点,但是在测试中也发现一些照搬国外经验产生的实际问题。

    4.1 恒定风量系统

    通风机的风量和风压有着密切的联系,通风机承受的排风阻力越大,排风量越小;反之,承受的排风阻力越小,排风量越大。如果不在通风机箱体上安装恒流阀,那么通风机的系统阻力主要受是到整个住宅气密性的影响,如频繁开启或关闭门窗对系统阻力产生着很大变化,通风机的排风量很不易稳定,也影响了其使用寿命。若安装恒流阀,通风机的系统阻力主要受恒流阀的影响,当门窗开启后,通风机的排风量应增加,但由于恒流阀的自动调节作用可以使通风机的系统阻力很稳定,排风量也稳定,体现了“恒定”通风换气量的特点。住宅恒定机械通风系统通风换气量的测试结果见表1。

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    通过对国内多栋住宅起居室、卧室新风量的测试与分析可得知(见表1),运用独立机械通风系统可以使住宅获得比较稳定的换气次数及新风量。室内通风换气量完全可以控制CO2浓度≤1500 ppm,其实这些已达到欧洲、日本等发达国家的住宅通风换气水平。而且大部分住宅的换气量测试结果已超过理论设计值,只有小部分住宅由于气密性的原因无法有组织地通风换气。

    4.2 感湿系统

    由于人类活动会产生水蒸气等“污染物”,而厨房、卫生间或浴室在某些特定时间会产生大量水份,所以室内空气湿度可能随时都在变化,对于整个住宅通风系统而言,如果保持恒定的新风量来消除室内的余湿,就会造成一定能源的消耗。

    感湿进风口、排风口的湿度传感器时刻监测室内局部区域空气湿度的变化。当室内没有人时,室内空气湿度小而均匀,感湿风口内置叶片的开度就比较小,住宅全面通风,整个气流流场相对均匀,各房间通风量处于基本的卫生通风要求。随着局部区域人员的增加,室内空气湿度逐渐增大,感湿风口内置叶片的开度自动增大,通风量随着增加,以期满足局部区域因人员活动变化而需要的基本新风换气量。所以,该通风系统既体现出了全面通风的特点,又体现了局部通风的特点,而且很大程度上考虑了“通风、节能”的双重要素(在冬季尤为明显)。

    通过测试与理论分析可得知,住宅感湿机械通风系统通风量的确定既要考虑实际的通风效果,又要考虑通风带来的能源消耗问题。相对于利用消除室内空气的余湿和稀释有害气体挥发浓度的设计方法确定室内通风换气量而言,更需要明白各季节室外气候条件不同,室内空气设计参数不同,室内实际通风换气水平应有所不同。为此,我们不考虑过渡季节的通风换气状况,主要针对空调通风季节(夏、冬季节)住宅的通风换气量设计要求进行理论分析,结果详见表2。

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    上述两种通风系统均采用自然进机械排的通风方式,窗户及窗户上的自平衡式进风口和感湿进风口是整个房间的进风口,而门就是大排风口,整个房间就像气流流通的风道,室内空气流动呈“活塞风”流态,当通风达到稳定状态时,整个房间沿气流方向成为稳定的浓度梯度场,由于流速小而均匀,接近于层流,房间没有明显的通风死区,平均排污效率高。

    由于上述独立机械通风系统又为全新风系统,住宅采用该通风方式后,很大程度上改善了室内空气品质,但在空调季节会造成一定量冷、热负荷的损失,通风换气量越大,空气品质会越好,能耗也就越大。所以,在中国地域、气候差异大的背景条件下,住宅通风系统在中国的适用范围可能有一定的局限性,急需符合自己国情的住宅通风相关设计标准、设计方法以及机械通风设备,来满足人们日益对通风换气、节能的迫切要求。

    5 结论

    1. 随着建筑节能的发展,门窗的密闭性越来越好,依靠热压和风压的自然通风根本无法保证室内的通风和空气质量的要求,必须实现有组织的机械通风。有组织的机械通风需要的换气次数可以远远小于无组织自然通风的换气次数。

    2.通过调研得知,国外住宅大多采用自然进机械排的通风方式,和目前中国民用住宅内普遍采用的厨房和卫生间间歇机械排风相比较可得知,该通风系统既可以集中排出厨房、卫生间的污染物,又时刻保持室内一定的新风换气量,很符合目前中国国情的住宅通风方式。

    3.通过对示踪气体浓度衰减法测空气龄的适用性、可重复性进行现场测试可得知,空气龄是评价住宅室内通风气流组织的有效手段,可以充分的描述住宅通风的通风换气效果。

    4. 通过对采用自然进机械排通风方式的住宅恒定和变风量机械通风系统通风换气量及空气龄的测试得知,该通风方式的通风气流组织比较合理,换气均匀性较好,体现出全面稀释通风的特点。

    1)采用恒定住宅通风系统,住宅各功能性房间可根据人员活动的变化获得稳定的换气次数和新风量,达到控制室内CO2浓度≤1500 ppm的通风要求。

    2)采用感湿住宅通风系统,可以根据室内人员的变化自动调节室内新风量。在夏季,通风换气量偏大,通风换气效果好;而在冬季,通风换气量偏小,通风换气效果相对较差,这主要考虑冬季能耗大的问题。

    5. 通过实际测试我们可得知,影响住宅通风换气效果的主要因素就是通风换气量的确定,而影响通风换气量大小的主要因素包括以下几个方面:

    1)通风换气量设计不合理,各功能性房间的人均换气量分配不均匀;

    2) 针对于通风换气量的设计,设计人员普遍无法选择合适的进风口;

    3)通风设备各部件的功能如空气动力性能缺乏足够的认识;

    4)住宅气密性差,进入室内的有效通风量无法保证。

    参考文献

    [1]戴自祝.室内空气质量与通风空调.中国卫生学,2002,1(1)

    [2]W.K.Chan,Y.W.Wong and G.W.Fong.Experiment Studies of Air Distribution in A High-Ceilinged Space.ASHRAE Transactions,1993.

    [3]Quing San Cao and Xiaohua G.Crass-Ventilation and Room Patitious:Wind Tunnel Experiments on Indoor Airflow Distribution.ASHRAE Transaction,1994.

    [4]欧阳沁,朱颖心.北方地区住宅冬季通风换气方案研究.技术交流,2004.6:26—28.

    [5]李冬宁,李先庭,窦春鹏.实际空调系统中空气龄的计算方法.

    [6]P.Layus and A.K.Persily.A Review of Tracer-Gas Techniques on Measuring Airflow in Buildings.ASHRAE Transactions,1985.
  

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