121典型高密人群建筑空间新风量需求特性分析(精)

1、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

2、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193

3、6年，Yaglou C.P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

4、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Yaglou C.P.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Yaglou C.P.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Yaglou C.P.实验曲线与ASH

5、RAE62.1-2007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，Yaglou C.P.实验曲线基本构成了人员最 小新风量的下限。3 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：Va二ApP(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

6、定设计法规定设计法由早期的通风量法” (ven tilation rateprocedure)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4-5。所以，空调通风房间呼吸区所

7、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：Voz=(RpPzRaAz)/ Ez(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”(in door air quality procedure)发展得来 。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(acceptable in door air quality) 和可接 受的

8、可感室内空气品质(acceptable perceived in door air quality)。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：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：AdC二Gdt-(C -CJVidt(4

9、)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;G为送入新风中污染物 浓度，g/m。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：40NCs -C0(3)12345678910每人占有空间体积 m3/人图 1 Yaglou C.P.实验曲线与 ASHRAE62.1-2007 所给定不同类型建筑人员最小新风量之间的对照关系520 5 0 5量风新小最员人。=一归皿小（5）VVi式中：Co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

10、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（Co）与室内污染物允许浓度（Cn）之间的关系按照C=0.5 Cn和C0=1.5 Cn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

11、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

12、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。1.20E+05图 3 会堂新风量的需求特征6.00E+035.00E+034.00E+033.00E+032.00E+031.00E+03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参数建筑剧院会堂教室地板面积/m2237057801

13、13空间高度/m7543Ap/ m / （人 h）201017Rp/ m3/ （人 h）991832Ra/ m3/（m2h）1.081.082.16量风新P3m量风新0.20.40.60.811.21.41.61.82人员密度人/m2人员指标法 _v_规定设计法性能设计法1.00E+058.00E+046.00E+044.00E+042.00E+040.00E+000.20.40.60.811.21.41.61.82人员密度人/m2_人员指标法亠 规定设计法性能设计法图 2 剧院新风量的需求特征3.00E+052.50E+052.00E+051.50E+051.00E+055.00E+040.

14、00E+00人员密度人/m2人员指标法 规定设计法性能设计法图 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5 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

15、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。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。风量需求值；当Co=O 5 Cn时，逐时值咼于稳态需求值，当Co=1.5 Cn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Co=O.5 Cn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

16、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Co=1.5 Cn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。1.4图 8 污染物浓度上升到允许水平的时间18161412108642通风时间 h人员密度人/m2图 5 剧院新风量需求的动态变化特征043m量风新hhjm量风新m量风新图 6 会堂新风量需求的动态变化特征1.21.0h0.8间时 0.60.40.20.00.20.40.60.811.21.41.61.82人员密度人/m2_剧院七会堂*-教室（2）高密人群建筑在使用过程中的新风量需 求调节应重视起点时刻室内污染水平与允许水平 之间的差异大小，并据此选择对应的调节