典型高密人群建筑空间新风量需求特性分析

典型高密人群建筑空间新风量需求特性分析王军张旭同济大学暖通空调研究所，上海200092摘要基于建筑新风量确定基础理论，并结合国内外现行新风量确定方法和标准，对典型高密人群建筑的新风量需求随室内人员密度和通风时间的变化特性做出分析。结果表明，不同新风量确定方法所得高密人群建筑新风量需求值之间的差异程度受室内人员密度的影响较大，且与建筑类型密切相关；同时，使用过程中的新风量需求调节应依据通风起点时刻室内污染水平与允许污染水平之间的差异关系确定。关键词新风量人员密度通风时间高密人群建筑1前言前言前言前言一直以来，建筑节能和室内舒适健康要求对空调系统新风量的大小都具有双重要求，新风量的确定也相应地成为争论的焦点1。对高密人群建筑（如剧院、会堂等）而言，由于人员密度高，其新风需求比其他建筑要求更高。因此，该类建筑新风量的合理确定对平衡建筑节能和室内舒适健康要求之间的关系具有重要意义。本文基于新风量计算理论，对典型高密人群建筑的新风量需求特性做出分析，从而为该类建筑新风量的合理选择以及新风需求调节提供理论指导。2新风量确定基础新风量确定基础新风量确定基础新风量确定基础室内空气污染的影响集中体现在舒适（人的心理反应）和健康（人的生理反应）两个方面。从舒适角度看待室内污染，主要指可感知的污染，即气味污染。气味决定了所感受的室内空气新鲜度，也影响了室内空气品质的可接受性。早在1936年，YAGLOUCP的研究发现室内人体气味的强度与每个人所占有的空间体积和新风量密切相关；由于人体气味易变且随时间逐渐衰减，而每人所占有的空间体积越大，人体气味衰减的越多，相应地为实现室内环境控制目标所需要的新风量就越小。值得指出的是，非人体气味污染并不完全具有这些性质。另一方面，从健康角度看待室内污染，主要是指空气污染所产生的健康效应。具体而言，“恶化”的室内空气可以使人致病，也可以弱化人们对疾病的抵抗能力。19世纪PATTENKOFER的研究发现也证实了这一点1，并指出CO2本身并不重要，但却可以作为反映人体产生污染物数量水平的指示物。目前，室内长期低浓度多组分污染的健康影响在大多数情况下呈现为亚临床性表现，而寻找有效、敏感的反映该类污染作用下室内空气中有害污染物数量水平的合理指示物又是正确认识该类污染问题的重要前提之一。应当看到的是，尽管目前关于室内空气污染与新风量确定还有很多新的问题需要解决，然而YAGLOUCP和PATTENKOFER的研究结果对这一领域相关问题的深入认识已奠定了重要的基础。而且，在过去的100年里，通风空调标准也主要是以YAGLOUCP和PATTENKOFER的传统理论为基础，即人是民用建筑的主要污染物，并且这一思想在世界各国标准中都得到体现。图1给出了YAGLOUCP实验曲线与ASHRAE6212007给定的不同类型建筑人员最小新风量之间的对照关系，从图1可以看到，YAGLOUCP实验曲线基本构成了人员最小新风量的下限。0510152025303540012345678910每人占有空间体积M3/人人员最小新风量M3/（H人）图1YAGLOUCP实验曲线与ASHRAE6212007所给定不同类型建筑人员最小新风量之间的对照关系3新风量确定方法新风量确定方法新风量确定方法新风量确定方法建筑新风量的确定可以沿着稳态确定和非稳态确定两个角度入手，前者可以作为设计新风量的确定方法，后者为可以作为新风量需求调节的依据。（1）稳态确定法A人员指标法在我国通风空调设计标准中，民用建筑室内卫生要求的最小新风量是针对CO2浓度控制要求而确定的，并对每人所需的最小新风量做出规定2。因此，针对具体建筑空间而言，所需的新风量为APVAP（1）式中AP为每人所需的最小新风量，M3/人H，P为室内人员量。B规定设计法规定设计法由早期的“通风量法”（VENTILATIONRATEPROCEDURE）改进得到。这种方法的出发点是污染源。早期国内外的很多标准把人作为建筑空调房间内的唯一污染源，并由此规定新风需求仅随人员量的变化而变化。而现有标准大多数将建筑污染也考虑在内，并且假定相同类型的建筑物内的污染源种类及其强度基本相同。因此，相应地提出“每人所需的最小新风量”和“单位地板面积所需的最小新风量”的概念3。与此同时，研究发现室内污染物的化学组成虽不相同，但污染物共存时并非单独发生作用，在嗅觉反应（气味）和物质感觉（刺激）方面具有显效应45。所以，空调通风房间呼吸区所需最小新风量应为人员部分所需最小新风量与建筑部分所需最小新风量之和，即/OZPZAZZVRPRAE（2）式中RP为每人所需最小新风量，M3/（人H）；PZ为室内人员数，人；RA为单位地板面积所需最小新风量，M3/（M2H）；AZ为空调通风面积，M2；EZ为空气分布效率。C性能设计法性能设计法由早期的“室内空气品质法”（INDOORAIRQUALITYPROCEDURE）发展得来3。这种方法立足于维持一定的室内空气品质。ASHRAE标准有两个室内空气品质的定义，即可接受的室内空气品质（ACCEPTABLEINDOORAIRQUALITY）和可接受的可感室内空气品质（ACCEPTABLEPERCEIVEDINDOORAIRQUALITY）。性能设计法针对特定空间内影响健康和舒适的每种污染物，根据它预计存在的源强以及从健康和舒适方面考虑各自所允许的最大浓度，运用质量守恒方程计算新风量，取最大值作为该空间的最小新风量，即00SNVCC（3）式中N为污染物散发量，G/H；CS为从舒适健康角度所确定的污染物浓度限值，G/M3；C0为送入新风中污染物浓度，G/M3。（2）非稳态确定法由于建筑室内污染物浓度水平的形成受到污染源散发特性和通风稀释作用的综合影响，因此对于任意时刻，室内存在以下平衡关系IIADCGDTCCVDT（4）式中A为房间体积，M3；G为污染物散发量，G/H；VI为新风量，M3/H；CI为送入新风中污染物浓度，G/M3。由式（4）可以得到任意通风时刻新风量与室内浓度水平之间的耦合关系，即/0IVATIIIIIIGCVGCVCCEVV（5）式中C0为建筑空间通风初始时刻污染物浓度，G/M3。4新风量需求特性新风量需求特性新风量需求特性新风量需求特性基于对通风时间和人员停留时间的集中性考虑，本文选择3个典型高密人群案例建筑作为分析对象，包括剧院、会堂和教室，并以CO2污染指标作为该类建筑人员污染负荷变化的衡量指标。各自的几何参数和新风量指标参数如表1所示。表1几何参数和新风量指标参数参数建筑剧院会堂教室地板面积/M223705780113空间高度/M754AP/M3/人H201017RP/M3/人H9918RA/M3/M2H108108216建筑通风的基本目的之一是将室内污染物控制在允许的浓度水平。基于通风动态过程考虑，可以将通风初始时刻室内污染物浓度（C0）与室内污染物允许浓度（CN）之间的关系按照C005CN和C015CN两种情况考虑。首先，从设计新风量的角度看，在图24中对比由人员指标法、规定设计法和性能设计法得到的在不同人员密度下的新风量需求值可知，对剧院建筑而言，按照性能设计法得到的各人员密度下的新风量需求值以及新风需求变化率要高于规定设计法对应的结果，但与人员指标法得到的结果较为接近。而对于会堂建筑来说，性能设计法得到的各人员密度下的新风量需求值以及新风需求变化率均高于规定设计法和人员指标法得到的结果；并且存在临界人员密度，当室内人员密度低于临界值时，规定设计法得到的结果要高于人员指标法的对应结果，当室内人员密度高于临界值时，结果相反。对于教室在各人员密度下的新风量需求值以及新风需求变化率而言，规定设计法和性能设计法得到的结果均高于人员指标法的对应结果，而且也存在临界人员密度，当室内人员密度低于临界值时，规定设计法得到的结果要高于性能设计法的对应结果，当室内人员密度高于临界值时，结果相反。因此根据以上分析结果可以发现，对于高密人群建筑而言，人员密度越高，选用不同新风量确定方法所带来的差异越大；而且，针对不同类型的高密人群建筑，按照国内新风量标准得到的结果与按国外标准得到的对应结果之间的接近程度也不同。实际上，出现以上现象的主要原因在于不同新风量确定方法的出发点和建立基础是不同的。000E00200E04400E04600E04800E04100E05120E05020406081121416182人员密度人/M2新风量M3/H人员指标法规定设计法性能设计法图2剧院新风量的需求特征000E00500E04100E05150E05200E05250E05300E05020406081121416182人员密度人/M2新风量M3/H人员指标法规定设计法性能设计法图3会堂新风量的需求特征000E00100E03200E03300E03400E03500E03600E03020406081121416182人员密度人/M2新风量M3/H人员指标法规定设计法性能设计法图4教室新风量的需求特征另一方面，从新风量需求调节的角度看，在确定的人员密度条件下，当通风初始时刻室内污染物浓度低于室内污染物允许浓度时，根据室内污染物浓度水平与新风量之间的耦合关系可知，为了使室内污染物浓度达到允许的浓度水平，三个案例建筑的新风量应随通风时间而逐渐降低，如图57所示。02040608112141618201234024681012141618X104人员密度人/M2通风时间H新风量M3/H规定设计法人员指标法性能设计法CO05CNCO15CN图5剧院新风量需求的动态变化特征02040608112141618201234005115225335445X105人员密度人/M2通风时间H新风量M3/H人员指标法规定设计法性能设计法CO15CNCO05CN图6会堂新风量需求的动态变化特征020406081121416182012340100020003000400050006000700080009000人员密度人/M2通风时间H新风量M3/H人员指标法规定设计法性能设计法CO15CNCO05CN图7教室新风量需求的动态变化特征而当通风初始时刻室内污染物浓度高于室内污染物允许浓度时，为了达到允许的污染物浓度水平，三个案例建筑的新风量则应随通风时间而逐渐增加。实际上，在室内污染物浓度未达到允许的浓度水平之前，需要不断调节新风量来实现室内污染物浓度控制目标；而在这个非稳态过程中，根据耦合关系得到的新风量逐时值在所考查的时间段内始终偏离由性能设计法得到的稳态阶段的新风量需求值；当C005CN时，逐时值高于稳态需求值，当C015CN时，逐时值低于稳态需求值。出现这种情况的主要原因在于，当C005CN时，在室内污染物浓度未达到允许的浓度水平之前，任意时刻的通风效率要低于稳态阶段的通风效率，因此对于特定时刻的污染源散发强度，所得到新风量要高于稳态结果；与之相反的是，当C015CN时，在室内污染物浓度未达到允许的浓度水平之前，任意时刻的通风效率要高于稳态阶段的通风效率，相应地所得到新风量要低于稳态结果。根据以上分析结果表明，对于高密人群建筑而言，应根据通风初始时刻室内污染物浓度与室内污染物允许浓度之间的大小关系来确定合理的新风量调控策略。实际上，当通风初始时刻室内污染物浓度低于室内污染物允许浓度时，若延迟启动通风系统，则建筑空间内污染物浓度上升到允许浓度所需要的时间如图8所示。从图8中可以发现，室内人员密度越大，空间内污染物浓度上升到允许浓度所需要的时间越短。对于室内人员密度一定的情况下，人均占有空间体积越大，上升到允许浓度所需要的时间也越长。0002040608101214020406081121416182人员密度人/M2时间H剧院会堂教室图8污染物浓度上升到允许水平的时间5结论结论结论结论通过分析比较典型高密人群建筑新风量需求随室内人员密度和通风时间的变化关系可以得到以下结论（1）不同新风量确定方法的建立基础不同使得所得到的高密人群建筑新风量需求值之间存在差异，且人员密度越高差异程度越大；同时，根据国内外新风量标准所得结果之间的接近程度也因高密人群建筑的类型而异。（2）高密人群建筑在使用过程中的新风量需求调节应重