人员活动对室内空气品质影响的实验研究
邹志军，梁云，王昕
(上海理工大学 环境与建筑学院，上海，200093)
摘要：研究人员活动对室内CO2浓度变化的影响。通过测试不同工况下室内的CO2浓度，分析人员活动的CO2发生量以及在无新风的情况下人员吸烟引起的CO2浓度的变化，为确定新风量提供依据；提出在不同的新风量下CO2浓度随时间变化的计算方法。实验研究表明：在无新风的房间中，由人员产生的CO2浓度呈线性增长，人员的CO2发生量与性别和体质有关；在可接受的水平下，CO2浓度对人体心率和血压的影响不大；1支香烟释放的CO2量达0.221 L；理论推导的室内CO2浓度和新风量的关系与实测结果一致。
关键词：CO2浓度；人员活动；吸烟；新风量
中图分类号：TU834 文献标志码：A 文章编号：1672-7207(2012)S1-0062-06
Experimental investigation on CO2 concentration by human activities
ZOU Zhi-jun, LIANG Yun, WANG Xin
(School of Environment and Architecture, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)
Abstract: The CO2 concentration by human and human activities was investigated. Measurements of the CO2 concentration were carried out under different test conditions. The CO2 generating rates by human and human activities were described, and the CO2 concentration change caused by smoking in the chamber without fresh air. The CO2 concentration change with time by different fresh air volumes can also be calculated. The results shows that in the chamber without fresh air, the CO2 concentration shows a linear growth trend, and CO2 generating rate of human is relevant to gender and physique; At an acceptable level, CO2 concentration has little effect on human heart rate and blood pressure; CO2 generating volume that a cigarette emits is up to 0.221 L; relationships between fresh air volume and CO2 concentration are deduced and tested, and they are correspondent with each other.
Key words: CO2 concentration; human and human activities; smoking; fresh air volume
室内空气品质和热舒适是室内环境最重要的两个方面。人们的大部分时间生活在室内，因此，能提供高质量的室内空气和舒适热环境的供热空调通风系统显得越来越重要[1-3]。通过向居留区提供足够量的新风，同时有效地排出污染空气，空调系统可以提供高质量的室内空气。居留区内人员活动产生的CO2是影响室内空气品质的主要空气污染物之一。CO2浓度对室内空气品质的影响是复杂而具有挑战性的课题，也是许多研究的主题[4-7]。以现有的文献看，室内空气污染物对人类健康的影响还不完全清楚[8-10]。文献[11]指出在具有自然通风条件的公寓建筑内，室内空气品质变化很大。在不同公寓的卧室内，早晨CO2浓度水平的变化范围为1.0×10-3到4.2×10-3。高浓度CO2的现象首先出现在带有翻修窗户的卧室内。居住建筑的室内环境主要受室内的通风换气量影响，其次是所在区域的气候。
文献[12]认为有某些重要的问题与基于CO2浓度的定向控制阀(DCV)有关。最关键的问题就是单单依靠低CO2浓度的条件并不能保证具有可接受的室内空气品质。并建立了一个模拟模型来研究新风在线控制策略来满足办公建筑内对室内空气品质的要求。该控制策略可以提供合理的指导来确定稀释室内污染物所需的新风量。
文献[13]通过模拟分析了某办公室的空气流动情况。通过CFD模拟程序模拟分析人员呼吸产生的CO2在室内的扩散。模拟考虑了2种不同的通风系统和不同的新风量，湍流模型为 k-ε模型。模拟结果表明，新风量和空气分布对坐着的人员呼吸区的空气品质影响较大。
根据会议室内CO2浓度的动态变化特征，文献[14]建立模型分析了对房间新风量的定风量控制、PID控制和模糊PID控制方法。研究发现，定风量空调系统在室内人员较少的情况下浪费大量能量。PID控制可以消除稳态偏差，但是反应较迟钝且过渡期长。模糊PID控制方法可以随时根据CO2浓度合理地控制新风量。空调系统应用模糊PID控制可以达到最优的控制性能。
本文作者主要关注人员活动引起的CO2浓度变化以及新风量对室内CO2浓度的影响。目的是利用研究结果简化和改善实际的工程设计。从这方面来看，确定不同性别人员CO2发生量以及研究吸烟对CO2浓度的影响具有重要意义。同时对新风量的确定也很重要。在有新风通入的房间内，气流运动影响CO2的浓度。因此，通过对气流运动的描述可以详细地了解室内CO2浓度的变化。
1 实验测试系统
该实验在上海理工大学的建筑环境与设备系统综合实验室中进行，其中包括2个环境实验室，小环境实验室(小室)长3.5 m，宽2.1 m，高2.5 m；大环境实验室(大室)长4.9 m，宽3.5 m，高2.5 m。选取2个测试点，测试点在房间均匀分布, 且距地面高度1.6 m，如图1所示。
图1 实验室平面图
Fig.1 Environmental laboratories plan
为了比较全面地反映人员活动对室内的CO2浓度变化，以及新风引入时室内CO2浓度的变化，本文分别针对4个方面的实验研究，实验项目见表1。本实验选取11名志愿者作为测试对象，随机排序并编号，测试对象基本情况见表2。
2 实验结果与讨论
2.1 无新风房间中单个人员活动引起的CO2浓度变化
将新风、回风和送风阀完全关闭，布置好实验所需的设备，让实验对象先静坐15 min，使身体状态达到稳定，并记录其身高和体重。实验对象进入实验室开始实验，每10 min记录室内的温湿度，及自身血压和脉搏的变化，每3 min记录一次室内外的CO2浓度。当室内的CO2浓度达到1.2×10-3左右时，停止测试。
图2所示为无新风房间中单个在静坐的条件下室内CO2浓度的变化规律。由图2可知：在没有通入新风的房间中，由人员呼吸产生的CO2在室内聚集，CO2浓度呈现线性增长的趋势。实测数据表明人员的CO2发生量与人员的性别和体质有关，男性的CO2发生量比女性高14.5%，尤其是体重偏重的男性(c4) CO2甚至达到93.7%。
表1 实验项目表
Table 1 Experiment items list
表2 测试对象基本情况表及单个人员在静坐条件下CO2发生量
Table 2 Basic condition of test objects and CO2 generating rate of single person when sitting quietly
图2 无新风房间中单个人员在静坐条件下室内CO2浓度的变化
Fig.2 CO2 concentration change caused by single human activity in a room without fresh air
根据ASHRAE标准中提供的数据，新陈代谢率为1.2 met的人体CO2发生量为0.31 L/min，新陈代谢率为1.0 met的人体CO2发生量为0.24 L/min。静坐条件下，人体的新陈代谢率为1.0 met，人体CO2发生量为14.4 L/h。实验通过测量单个人员静坐条件下的室内的CO2浓度的变化，计算分析可得每个人员的CO2发生量，如表2所示。同时发现：体重过重的实验对象CO2代谢率比较高，说明CO2呼出率同时和体形有一定的关系，如图3所示。
图3 人员体重和CO2发生量的关系
Fig.3 Relationship between CO2 generating rate and body weight
根据实验数据，本文得到了二氧化碳的呼出率与体重的关系式：
其中：m为体重，kg；L为CO2呼出量，mL/h。
实验结果与ASHRAE标准中提供的数据相差较大，说明由于体质有差别，国外标准提供的数据不可简单套用，需根据我国国民的体质，建立新的数据资料。
2.2 CO2浓度的变化对人体生理活动的影响
CO2虽然是无毒的气体，但是CO2浓度过高会对人体生理活动产生很大的影响。
在CASE1实验的同时，测试每个对象的心率和血压。心率是指单位时间内心脏搏动的次数，一般指每分钟的心跳次数。正常成年人安静时的心率有显著的个体差异，平均在75次/min(60~100次/min)。在可接受的水平下，CO2浓度对人体心率的变化影响不大，除了特殊体质人员(N4)以外，其他人员心率均在正常范围内。人员血压测试的结果也基本保持稳定，除特殊体质人员(N4)以外，其他处在正常的范围(收缩压140~90 mmHg ，舒张压90~60 mmHg)之内。
2.3 无新风房间中人员吸烟时CO2浓度的变化
人员的吸烟活动是影响室内空气品质的重要因素，香烟燃烧会产生大量对人体有害的气体，其中CO2是香烟烟气中发生量最大的气体污染物，CO2浓度可作为衡量吸烟对室内空气品质影响的一项重要指标。
实验人员进入低温实验室，并请他们在实验室内吸烟，通过对CO2浓度的测量，以及和之前实验中没有吸烟情况下的CO2呼出量进行比较，得出吸烟对室内空气品质的影响。通过实验对比分析发现：人员吸烟时室内CO2浓度显著增加，如图4所示。实验研究表明，在香烟燃烧初期CO2发生量急剧上升，进而达到充分燃烧阶段。随后，香烟逐渐燃尽，CO2发生量也随之降低，如图5所示。
利用下式计算吸烟过程中1支香烟逐时的CO2释放量：
(1)
其中：L为香烟燃烧释放的CO2量，L；Li为吸烟时的CO2发生率，L/min；ci为未吸烟时室内的CO2浓度，10-6；
为吸烟时室内的CO2浓度，10-6；V为房间体积，m3；τ为时间，min。
图4 人员吸烟与无吸烟情况下CO2浓度变化的比较
Fig.4 Comparison on CO2 concentration change between two conditions: smoking and non-smoking
图5 吸烟时CO2的发生过程
Fig.5 CO2 generating procedure of smoking
通过计算可得出吸烟过程中1支香烟的CO2释放量高达0.221 L。通过分析香烟燃烧并释放CO2的过程，可以发现1支香烟产生有害气体的时间长达15 min。在通风不良或没有新风的房间中，这些有害气体将长时间停留在室内，对人体造成危害。
为保证室内空气质量，室内应禁止吸烟。公共场所应考虑设立吸烟区，家庭居室内吸烟，应在厨房或卫生间通风设备处。
2.4 一定新风量下室内CO2浓度随时间的变化
与没有新风供应的情况相比，在向室内通入新风的情况下，室内CO2的浓度变化情况差别很大。如图6所示，在新风量作用下，室内CO2浓度变化率相差明显，在30 min内，CO2浓度即可保持平衡，维持在800×10-6以下。
请一组实验对象(4名)同时进入环境室，并且根据ASHRAE的标准通入标准新风量，通过对CO2浓度的测量，观察室内空气品质的变化情况。
图6 有无新风两种条件下室内CO2浓度随时间的变化
Fig.6 Comparison on CO2 concentration change between two conditions: with and without fresh air
根据ASHRAE Standard 62.1—2007[15]，用以确定新风量的污染物是由来自人员和室内空气污染源两个方面组成。故房间最小新风量由每个人最小新风量指标Rp与每平方米地面所需最小新风量指标Ra之和确定。最小新风量可由下式确定：
(2)
其中：Vbz为呼吸区所需的新风量，L/h；Rp为单位人员新风量，m3/(h
人)；Ra为单位面积新风量，m3/(hm2)；Az为地板面积，m2；Pz为人员数量，人。
在本实验中，Rp为18 m3/h人，Ra为3.24 m3/(hm2)，Vbz为127.57 m3/h。试验中控制送风量127.57 m3/h。
本文进行了3种人员组合的实验，实验组合如表3所示。实验结果如图7所示。通过分析发现，经过一段时间，女生组的CO2浓度会维持在700×10-6左右。在和女生组合相同的新风量下，男生组的CO2浓度通常会在800×10-6左右的时候达到平衡，比女生组高大约100×10-6，这说明了男生和女生在体质上的差别，同样也证明了第一项实验的结论。混合组的CO2浓度变化情况位于两者之间。
图7 不同组合下室内CO2浓度的变化
Fig.7 CO2 concentration change of difference groups
表3 各实验组合人员情况
Table 3 Basic condition of test objects in each group
2.5 新风量对室内CO2浓度变化率的影响
就测试实验室而言，室内CO2的来源主要有3个途径：(1) 室内测试人员呼出的CO2；(2) 室外新风引人的CO2；(3) 室内空气中固有的CO2。根据质量守恒定律可建立室内CO2进出平衡方程。
在任意一个微小的时间间隔dt内，室内得到的CO2(即测试人员散发的CO2和新风空气带入的CO2)与排风中带走的CO2的差值应等于整个室内增加的CO2，如式(3)所示：
(3)
(4)
(5)
其中：V为房间体积，m3；C为任意时刻室内的CO2浓度，10-6；S为人员的CO2呼出率，m3/min；τ为时间，min；Q为新风量，m3/h；C0为新风中的CO2浓度，10-6。
由式(3)可以看出：CO2浓度随时间变化的计算值与实测值基本吻合。室内CO2浓度按指数规律增加，其增加的速度取决于Q。
假设测试实验室的新风量依次为200%，100%，50%，依据式(3)可以得到CO2浓度随时间的变化曲线，如图8中曲线4，1和3所示。从图8可以看出：测试实验室内CO2浓度不断升高，经过一段时间室内CO2浓度达到稳定值。而且室内新风量越大时，达到稳定状态所需时间越短，室内的CO2浓度较低。从图8的计算结果可见：在这3种新风量的情况下，室内CO2浓度均在750×10-6左右，因此，空调机组提供的新风量能够满足室内人员的舒适性要求。
图8 不同新风量下室内CO2浓度的变化
Fig.8 CO2 concentration change with different fresh air volumes
3 结论
(1) 在没有通入新风的房间中，由人员呼吸产生的CO2在室内聚集，CO2浓度呈线性增长的趋势。人员的CO2发生量与人员的性别和体质有关，男性的CO2发生量要高于女性的CO2发生量，体重较重的人员CO2发生量较大。
(2) 在可接受的水平下，CO2浓度对人体心率的变化影响不大，心率基本保持稳定。人员血压基本保持稳定，且处在正常的范围之内。
(3) 人员吸烟时室内CO2浓度显著增加，1支香烟产生有害气体的时间长达15 min，在1支香烟燃烧的整个过程中，释放的CO2量达0.221 L。在无新风的条件下，有害气体将长时间停留在室内。
(4) 推导了室内CO2浓度和新风量的关系，CO2浓度随时间变化的计算值与实测值基本吻合。室内CO2浓度按指数规律增加，其增加的速度取决于新风量Q。室内新风量越大时，达到稳定状态所需时间越短，室内的CO2浓度较低。
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(编辑 杨幼平)
收稿日期：2012-01-15；修回日期：2012-02-15
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51108263)；上海市教育委员会重点项目(J50502)；上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金资助项目(slg09011)
通信作者：邹志军(1976-)，男，江苏宜兴人，讲师，从事建筑环境测试技术，净化空调技术研究；电话：021-55272446；E-mail: usstzou@163.com
