卧室新风口布置形式对室内空气品质的影响

王明昊 王飞飞

华中科技大学建筑环境与设备工程系

0 引言

近年来，我国大气污染形势严峻，严重威胁人体健康。人类约80%的时间生活在室内，因此室内空气质量对人体健康也尤为重要。目前，我国大多数既有建筑都依靠自然通风实现通风换气，但往往难以显著改善室内品质。

针对上述问题，现代住宅中多安装新风系统以改善空气质量。新风系统可在不开门窗的情况下，将室外新风经高效过滤器后持续输入室内，保证室内空气的清洁，从而提高人员学习工作效率、减少各类疾病的发病率，保障室内人员舒适性。

本文采用商业软件Airpak 对武汉地区某户型的住宅建筑在新风口安装位置不同时的室内气流组织，与CO2浓度等进行模拟。探讨新风机安装的必要性及新风机安装在何处时通风效果及对室内空气质量的改善程度最佳。本文将为优化住宅新风系统设计及改善室内空气品质提供参考。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文研究的物理模型为武汉市某小区三室一厅住宅。该住宅由主卧室、次卧室、书房、卫生间、客厅、餐厅、厨房、阳台等组成。各房间的尺寸如下，主卧室长4.5 m、宽3.6 m、高3 m，次卧室长4.2 m、宽3.6 m、高3 m，书房长4.2 m、宽2.6 m、高3 m。住宅平面见图1，内部房间的门窗尺寸见表1。

图1 住宅平面图

表1 房间门窗尺寸

1.2 门窗缝隙面积的设定

本文旨在模拟夜晚房间内CO2浓度的变化，故室内的门窗为关闭状态，室外空气主要通过门窗的缝隙进入室内。门窗的缝隙面积根据《建筑外门窗气密性能分级及检测方法》（GB/T7107-2008-T）[1]确定。门窗在标准状态下压差为10 Pa 时单位开启缝隙长度空气渗透量q1和单位面积空气渗透量q2，其等级划分具体情况见表2。根据可开启外窗的气密性等级对应的渗透风量和渗透速度，可计算出其渗透面积的大小。

表2 门窗气密性分级表

据文献[2]可知，当内外压差为10 Pa，平均缝宽为0.1 mm 时，每米窗缝的渗透风量为0.2 m3/(h·m)，渗透速度为0.56 m/s。

据《公共建筑节能设计标准》（GB 50189-2015）[3]，10 层以上建筑外窗的气密性不应低于7 级。民用居住建筑的外窗的气密性参照公共建筑的外窗气密性。单位面积空气渗透量q2=2 m3/(m2·h)，取渗透速度为0.56 m/s 计算，则单位面积玻璃窗的渗透面积为0.00099 m2/m2。随后，可根据窗户面积与单位面积玻璃窗的渗透面积，计算出房间各窗的缝隙面积。

根据调研，户内门的单位长度缝隙宽度为0.7 cm。户内门的缝隙面积可根据缝隙的宽度及门的周长进行计算。阳台设置栏杆。

1.3 CO2浓度及人员呼吸的设定

据文献[ 4]可知，人体呼入空气中CO2浓度为0.04%（400 ppm），呼出空气中的CO2浓度为3.6%（36000 ppm）。CO2的排出量主要取决于人体的代谢率，CO2的排出量与人体代谢率关系的实验式有：

式中：VCO2为单位时间内产生CO2的体积，ml/s；M 为代谢率，W/m2；AD为人体皮肤表面积，m2，与人的身高体重有关。

式中：m 为人的体重，kg；H 为人的身高，m。

根据文献[4]，一个身高为1.78 m、体重为65 kg 成年男子的皮肤表面积约为1.8 m2，人在睡眠状态下的代谢率为40 W/m2。因此，人体在睡眠状态下，CO2的排出量VCO2=0.04×40×1.8=2.88 ml/s=0.010368 m3/h。

《室内空气质量标准》（GB/T18883-2002）[5]中规定室内CO2浓度标准值为0.1%（1000 ppm）。在静坐条件下，当环境中CO2浓度为0.1%（1000 ppm）时，人员需新风量为20.6 m3/h。室内CO2浓度对人体的影响见表3。根据表3，室外新风的CO2浓度设置为0.03%（300ppm）。另一方面，地区标准《湖北省低能耗居住建筑设计标准》（DB42/559-2013）[6]直接建议房间的换气次数为1.0 次/h。因此，本文中，各个房间每小时供应的新风量即等于房间体积，并以此数值设置新风进口边界条件。

表3 CO2浓度对人体的影响

1.4 计算域的确定

本文旨在研究门窗为关闭状态下，室外新风在风压的作用下通过门窗缝隙进入房间时的室内CO2浓度分布，以及室内设置新风口时新风口位置对室内CO2分布的影响。模拟无组织自然通风时，需建立室外流场模型获取缝隙的风速，进而获得进入室内的新风量及渗出的风量。建筑室外流场建立依据以下原则：

1）外部流场的高度取建筑物高度的2～3 倍。

2）主导风向方向上的流场边界距建筑的距离取建筑特征长度的1 倍。

3）速度入口流场边界距建筑的距离取建筑高度的2～4 倍。

4）入口速度方向上的出口流场边界离建筑距离取高建筑高度的5～6 倍。

本建筑位于武汉，模拟仅针对夏季进行。夏季主导风风速为2.3 m/s。主卧室设置2 人，次卧室和书房各设置1 人，其余房间无人员。各房间新风量根据人数设置。为使模拟结果更接近实际情况，建立5 层建筑模型，研究位于第3 层的室内气流组织。

最终建立的模型如图2 所示：

图2 模型立体图

1.5 新风口位置

如图3 所示，房间在夜间采用五种不同的新风口位置布置方式，如图分别为：①新风口位于人体呼吸上方。②新风口位于房间中央。③新风口位于房间远离头部一侧。④新风口靠近窗户。⑤新风口靠近门。

图3 新风口布置平面图

2 模拟结果

为评判室内空气质量的优劣，本文对不同工况下的人体呼吸区域的平均CO2浓度和室内平均CO2浓度进行比较。其中，人体呼吸区域取为人体头部附近尺寸为0.5 m×0.5 m×0.5 m 的区域。

2.1 不同新风口位置对室内空气中CO2含量的影响

图4 展示了该户型在采用不同的新风口位置设计时，户内离地面高度为0.7 m 的水平面上CO2浓度分布。为定量分析，表4 列出了主卧、次卧、书房三个房间在采用不同的新风口位置时的室内CO2平均浓度以及人体呼吸区域的平均CO2浓度。

图4 不同工况下室内CO2浓度分布图

表4 不同工况下室内CO2浓度表

由图4 和表4 可知，无新风输送时，房间内各区域的CO2平均浓度都超过标准限制，其中主卧室超标严重，因此，须向室内引入新风。当房间内输入新风后，室内CO2浓度能够明显降低，室内空气品质得以改善。另一方面，不同新风口的布置位置对室内CO2浓度有一定影响，特别是对人体呼吸区域CO2浓度有较大影响。

对于主卧室，新风口位于人体呼吸上方时，房间CO2浓度及人体呼吸区域CO2浓度最低。新风口位于房间时，中央房间内CO2浓度达标，但人体呼吸区域CO2浓度较高。新风口位于房间远离头部一侧、新风口靠近窗户时及新风口靠近门时，房间CO2浓度超过标准值。

对于次卧室，新风口位于人体呼吸上方时，房间CO2浓度及人体呼吸区域CO2浓度最低。新风口位于房间中央及新风口靠近窗户时，房间CO2浓度达标，但人体呼吸区域CO2浓度较高。新风口位于房间远离头部一侧及新风口靠近门时，房间CO2浓度超过了标准值。

对于书房，五种新风口的布置工况下，房间CO2浓度均能达标。其中，新风口位于人体呼吸上方时，房间CO2浓度及人体呼吸区域CO2浓度最低，新风口靠近门时，房间的CO2浓度及人体呼吸区域CO2的浓度最高。

2.2 不同新风口位置对室内气流组织的影响

前述讨论表明，新风口位置对室内空气中的CO2含量有较大影响。如当新风口布置在床头顶部时，能使所有房间内的室内空气质量达标，当新风口位置靠近门时，则大部分区域空气质量不高。通过讨论采用不同新风口位置时的室内气流组织，本节将进一步说明新风口位置对室内空气中CO2浓度的影响。图5 表示后文所采用的气流组织速度矢量分布的截面位置。图6 和图7 分别表示了在不同截面采用不同新风口位置时，含有新风口的截面上的速度矢量分布。

图5 截面位置图

图6 截面(a)中不同新风口位置下主卧房间的气流组织

图7 截面(b)中不同新风口位置下主卧房间的气流组织

图6 比较了三种新风口位置，即新风口位于床头、房间中央位置、房间中间远离床头一侧，对室内气流组织的影响。由图知，当新风口位于床头上方时，新风气流能直接吹向床头，这就能使人头部附近的空气与新风直接交换更新，进而降低该位置的CO2浓度。然而，对于另两种风口布置，其新风气流显然无法顺利到达床头及人头部附近区域。因此，就此三种风口而言，新风口布置在床头上方相对更好。

图7 比较了三种新风口位置，即靠近门、靠近窗、房间中间远离床头一侧，对室内气流组织的影响。由图可知，当新风口位于门、窗边上时，新风气流进入室内后，部分新风将被直接吹向室外，而无法有效地改善室内空气质量。就此三种新风口而言，显然将风口布置在房间内部更好。

综合上述，新风口位置能极大的影响室内气流组织分布，进而影响室内空气质量。当新风口布置在床头上方时，其对室内空气质量的改善效果相对最好，此时户内各房间的CO2浓度以及人体呼吸区域的CO2浓度最低。当引入新风口改善室内空气质量时，新风口应避免布置在靠近门、窗的区域，以减少新风口的泄露，削弱新风的作用。

3 结论

本文通过数值模拟研究了五种新风口布置位置对改善室内空气品质的影响。文中采用人体呼吸区域的平均CO2浓度和室内平均CO2浓度作为评判室内空气品质优劣的指标。基于文中讨论，可得结论如下：

1）新风口位于人体呼吸上方时，室内及人体呼吸区域的CO2平均浓度最低。新风口位于房间中央时，室内CO2浓度低于标准值，但人体呼吸区域CO2浓度较高。新风口位于房间远离头部一侧、新风口靠近门时，主卧室、次卧室CO2浓度超标，书房CO2浓度满足标准要求。新风口靠近窗时，主卧室CO2浓度超标，次卧室、书房CO2浓度满足要求。

2）新风口布置在床头上方时，新风气流能与人员呼吸区域的空气直接交换。而当布置在其他位置时，新风气流或无法直接与人员呼吸区域的空气直接交换，或有部分新风泄露，室内空气质量改善效果不佳。

3）总体而言，当新风口布置在人体呼吸上方时，房间CO2浓度及人体呼吸区域CO2浓度最低，即室内空气质量最好。在新风系统设计时应给予考虑。