北京市供暖季住宅建筑新风系统使用行为分析

朱 宁 刘奕巧 崔 桐 王新如 吴金顺 潘 嵩

北京工业大学 北京 100124

现代居民每天有70%以上的时间在室内生活和工作[1],通风不良已成为一个严重问题。自然通风是住宅建筑传统的通风方式。然而,当室外空气质量较差时,自然通风无法有效稀释或去除室内污染物,无法为住宅提供充足的新鲜室外空气时,带过滤器的新风系统成为改善室内空气品质的良好补充方法[2]。

新风系统的开启时长会显著影响建筑能源消耗,常采用日均开启时长作为量化居民的新风系统使用行为的指标。Huang等人[3]监测了中国东北地区8户使用新风系统公寓的空气品质,结果表明新风系统可以有效降低室内甲醛、VOC和CO2浓度,年平均每日通风时间为9.91小时。然而,对居民行为的研究侧重于“平均行为”。新风系统使用行为复杂多样,人们对同一环境的感知和反应不同,这意味着“平均行为”将消除“个体化行为”的特征[4],即不同类别个体的行为特征。

1 新风系统使用行为特征分析

该研究选取北京地区的13户使用新风系统的家庭作为测试对象。根据《北京市供热管理办法》规定的供暖周期,确定测试时期为2018年11月15日至2019年3月15日,为期4个月。

日均开启时长作为新风系统使用行为的描述性指标。如图1所示,13户家庭的日均开启时长为17.5小时,即一天中有73%的时间开启新风系统。不同家庭的新风系统使用行为存在明显差异。新风系统并非全天开启,而是间歇性运行。根据图1,家庭C和L的日均开启时长远低于13个家庭的平均值(17.5小时)。此外,新风系统的使用时长会影响建筑能耗,而不同的开启时长会受到新风系统使用行为的影响。因此,根据日均开启时长,将样本家庭分为两个类型:经济型家庭(C、L)和传统型家庭(A、B、D、E、F、G、H、I、J、K、M)。

图1 13户家庭的日均开启时长

2 新风系统使用行为影响因素

2.1 一天中的不同时间

本节分析了两种不同类型的家庭在一天中不同时间的开启概率(图2),以阐明时间因素和人行为的关系。经济型家庭的开启概率点线图比传统型家庭波动趋势变化更大,因此,经济型家庭采取更多的行为来调整新风系统。经济型家庭的开启概率呈单峰趋势,峰值在20:00～21:00,这可能是因为居民在睡觉前使用新风系统来创造良好的室内空气质量;从6:00～10:00,居民起床后打开窗户或离开房间,从而关闭新风系统,因此,早上起床是居民关闭新风系统的主要驱动因素;新风系统在15:00～21:00开启概率逐渐增加,这可能是因为下班回家的居民打开新风系统。对于传统型家庭,7:00～11:00开启概率降低;此外,新风系统从11:00～17:00相对稳定,可能是因为住户不在房间内;随着居民回家,17:00～21:00的开启概率逐渐增加。因此,当居民进入房间时倾向于打开新风系统,起床后关闭新风系统。

图2 一天中不同时间的开启概率

2.2 室内CO2浓度

图3(a)展示了测试家庭在不同室内CO2浓度下的分布比例。在供暖季,经济型家庭的日均室内CO2浓度为636.3ppm,传统型家庭的日均室内CO2浓度为683.4ppm。Shen等人[5]在供暖季对北京一套自然通风住宅公寓的室内CO2浓度的监测结果表明CO2浓度日均为740ppm。因此,新风系统使用家庭的室内CO2浓度略低于非新风系统使用家庭。图3(b)显示当经济型家庭的室内CO2浓度在400～800ppm时新风系统开启概率增加。在室内CO2浓度大于800ppm时,开启概率逐渐降低。传统型家庭的室内CO2浓度在400～500ppm时,开启概率逐渐增加。此外,当室内CO2浓度在500～1000ppm之间时,开启概率保持稳定。然而,一旦它变得大于1000ppm,开启概率降低。总之,在不同的室内CO2浓度下,经济型和传统型家庭的开启概率呈现出不同的波动趋势。

(a)分布比例

(b)开启概率

2.3 室内PM2.5浓度

根据图4(a),经济型和常规型家庭的室内PM2.5浓度大多在0～35μg/m3之间,表明新风系统使用家庭室内空气质量良好。在经济型家庭中,平均室内PM2.5浓度为16.19μg/m3,传统型家庭的平均室内浓度为12.30μg/m3。Zuo等人[6]对北京自然通风住宅内PM2.5浓度的研究显示,供暖季室内PM2.5日均浓度为46.1μg/m3。与本研究相比,新风系统使用家庭的PM2.5浓度显著低于非新风系统使用家庭。图4(b)展示新风系统开启概率随着室内PM2.5的浓度的增加而下降。当经济型家庭的室内PM2.5浓度为0～35μg/m3时,新风系统的开启概率为36.25%;当浓度为75～115μg/m3时,开启概率降至10.53%。当传统型家庭的室内PM2.5浓度为0～35μg/m3时,开启概率为85.20%;当浓度为75～115μg/m3时,开启概率将降至65.41%。

(a)分布比例

(b)开启概率

2.4 室外PM2.5浓度

根据图5(a),供暖季节室外PM2.5浓度基本保持在0～75μg/m3之间;图5(b)表明,新风系统开启概率上升与室外PM2.5的浓度的增加相关。因此,室外PM2.5浓度是开启新风系统的驱动因素。由于经济型家庭的开启概率上升趋势较传统型家庭明显,因此,前者对室外PM2.5浓度的敏感性更为显著。

(a)分布比例

(b)开启概率

3 结论

(1)室外PM2.5浓度是影响居民开启新风系统最重要的因素。使用新风系统家庭的日均室内PM2.5浓度低于非新风系统使用家庭。

(2)不同家庭的新风系统使用行为存在明显差异。在供暖季,新风系统使用家庭的日均开启时长为17.5小时。根据日均开启时长确定典型新风系统使用行为:经济型家庭和传统型家庭。

(3)居民的生活习惯(时间)影响新风系统的使用。在经济型家庭中,一天中不同时刻开启概率的波动趋势比传统型家庭更明显。经济型家庭的开启概率呈单峰趋势,在20:00～21:00达到最大值。