李藝群¹， 范鈺杰²，職承強¹， 葉蔚^1,3, 張旭¹
1.同濟大學機械與能源工程學院暖通空調研究所；2. 清華大學建筑技術科學系；3.同濟大學工程結構性能演化與控制教育部重點實驗室

       【摘  要】 “室內循環凈化”是否可以在一定程度上替代傳統“通風稀釋”來保障室內空氣品質，是當前“雙碳”背景下發展健康建筑尚未解決的重要問題。本文以上海某100m²實際使用的開放式辦公室為對象，于2019和2020年冬季開展了兩期以空氣凈化器替代機械新風系統的隨機雙盲實驗。期間，一方面，共收集771份來自23位辦公人員對空氣品質主觀評價的有效問卷；另一方面，監測了約3400小時室內外溫濕度、CO₂和PM_2.5濃度、人員在室率等數據。分析表明：首先，兩種模式下室內人員的心率、室內空氣品質滿意度、困倦度的差異均不超過4%；其次，分別開啟機械新風或凈化器時，PM_2.5的I/O均能控制在0.65以下，且濃度滿足≤75μg/m³的小時時間占比（T）為97%，均高于無空氣改善措施時的空氣質量（T=82%）。但凈化器濾料一年后效率下降近50%；最后，新風和凈化器CADR折算的換氣次數分別為2.2h^-1和2.0h^-1，盡管室內99.5%的CO₂小時平均濃度<1000ppm，但凈化器工況可在稍高的CO₂濃度下實現和新風工況相似的室內空氣質量。綜上，驗證了在該開放式辦公場所中用空氣凈化器替代機械新風的可行性。

1 研究背景

       建筑室內新風量一直是室內空氣品質（IAQ）領域的焦點問題^[1-2]。以人員密集的辦公場所為例，該類場所中的主要空氣污染物包括顆粒物、揮發性有機物（VOCs）和CO₂（人體散發物的指示劑）等^[2-7]。研究表明，較差的空氣品質會降低辦公人員的工作效率、提升病假率^[8]；長期處于不良空氣品質環境中時人的閱讀等認知能力也可能受到一定程度的損傷^[9]。盡管提高機械新風量可以通過“稀釋”原理降低污染物濃度，但隨之增加的新風能耗與我國建筑領域“雙碳目標”的實現形成矛盾^[10]。 

       以“室內循環凈化過濾”為原理的空氣凈化器因其使用靈活逐漸在民用建筑中普及?，F有的空氣凈化器一般以去除顆粒污染物為主。近年來，改進和研發可以同步凈化顆粒物和甲醛等氣態VOCs的空氣凈化器成為新的熱點，由此也引發了以國際能源組織IEA Annex78項目組為代表的“用空氣凈化器替代（部分）機械新風系統”的討論，以期探索保證IAQ前提下降低建筑新風能耗的潛力。 

       基于此，本文以上海某開放式辦公室為研究目標，在近兩年內通過對室內空氣品質的主觀問卷調查和現場監測（選取PM_2.5和CO₂濃度），比較了機械新風系統和空氣凈化器在保證室內空氣品質上的差異，旨在就“用空氣凈化器替代（部分）機械新風系統”這一問題的可行性進行探討。

2 實驗方案設計、測點布點與問卷設計

       如圖2.1所示，選取了上海某約100m2開放式辦公室作為研究對象。房間凈高約4m，上部東西兩側各設有兩個新風送風口。實驗期間共（曾）有23人在此辦公（為調研對象）。根據房間內部通風情況，將兩臺凈化器放置在遠離外窗的兩個角落，并且在門窗附近分別放有傳感器監測開啟率，并統計人員進出。參照《室內空氣質量標準》(GB/T 18883-2002)，按梅花型布置了A、B、C、D四個室內測點和兩個室外測點測量PM_2.5和CO₂濃度（室內測點如圖2.2所示，傳感器高度為1.2m左右，接近人坐姿時的呼吸區高度）。

圖2.1 辦公室實景

圖2.2 辦公室測點示意圖

       其中，主觀評價的數據通過每天定時發放問卷收集，如圖2.3所示，客觀數據通過“伯虎空氣監測儀”記錄，如圖2.4所示，其傳感器相關參數如表2.1所示。

圖2.3 問卷

圖2.4 傳感器
表2.1 傳感器參數

       為記錄該辦公室內的人員行為，除實驗儀器外，在門窗處分別安裝了兩對傳感器以記錄其開啟狀態；在前后門上方安裝了客流統計器，以監測人員流動情況，如圖2.5所示。

圖2.5 室內檢測儀器

       在2019年末和2020年末，開展了兩期實驗，設置了空白對照工況(簡稱“空白工況”)、空氣凈化器工況(簡稱“凈化工況”)、機械新風系統工況(簡稱“新風工況”)，隨機開啟情況如圖2.6所示。

圖2.6 實驗工況設置(單位：天)

3 實驗結果分析

       實驗數據的處理涉及多儀器共同工作，故為減少時間延遲所帶來的差異，選取小時中位數來增加數據的魯棒性，二期實驗共收集有效小時數為3426。

       3.1 兩種工況下人員對室內空氣品質主觀評價的差異

       兩期實驗中，室內人員對室內空氣品質和熱舒適的反應、困倦程度以及心跳差異如圖3.1至圖3.2所示。

    
圖3.1 人員困倦程度                          圖3.2 人員心跳

       由圖 3.1 可知，首先，從均值來看，凈化工況下人員對室內空氣品質的滿意度稍低但對熱舒適的評價要高于新風工況。其次，對于困倦程度，中位數反應了人員在凈化工況下更為清醒，評分與新風工況相差為一分。最后，由于心率數據較易受到某一刻的偶然因素影響，取中位數作為比較對象，室內人員在凈化工況下的心跳稍高于新風工況，差異為2次/min，如圖3.2所示。

       從人員評分及生理數據的角度，室內人員的心率、室內空氣品質滿意度、困倦度的差異均不超過4%，熱舒適差異為7%，可認為機械新風系統和空氣凈化器沒有差異（p>0.05）。

       3.2 兩種工況下室內PM_2.5濃度的差異

       由于該開放辦公室內少有強顆粒物散發活動，室內PM_2.5主要來自于室外滲透。由于冬季灰霾污染頻發，空氣質量不佳，因此選取兩期實驗中冬季相同時間段為樣本進行分析，并選取35μg/m³和75μg/m³作為一級、二級限值標準，分析結果如圖3.3所示。該段時間內，滿足二級限值標準的小時時間占比（T）為97%，滿足一級限值標準的T=75%，室內濃度超標的情況僅發生在室外濃度大于135μg/m³時，可以看出室內濃度變化受室外濃度變化影響極大。此外，與空白工況下的T=82%相比，兩種工況都可以更好地控制室內顆粒物濃度水平。

圖3.3 兩期實驗中相同時間內PM_2.5的變化

       同時為得到一個歸一化參數，選取室內外PM_2.5濃度的比值（I/O）來評價兩種工況的凈化效果。圖3.4比較了兩期實驗中冬季一整月不同工況下的I/O，均小于0.65。

       圖3.5比較了兩期實驗中該段時間的I/O比，發現2020年凈化器工況下的I/O較新風量相對偏小，但一年后兩種工況的差異性則并不顯著，除環境不受控所帶來的滲透風量過大這一原因外，凈化器濾料過濾效果下降也將產生影響。

圖3.4 PM2.5的I/O變化

圖3.5 兩期實驗相同天數的I/O

       3.3 兩種工況下室內 CO₂濃度的差異

       CO₂主要來自室內人員的散發，與季節關聯性不大，選取二期實驗中冬季內一段時間進行分析，如圖3.6所示?？梢钥闯?，峰值出現在12：00-22：00之間，兩種工況均未能阻止CO₂濃度差升高至同一量級，但機械新風工況下峰值的出現稍微延緩。

圖3.6 CO₂濃度差異隨時間變化的熱力圖

       此外，對CO₂濃度和人員在室率（當前時刻人數與室內總承載量的比值）的關系進行分析，如圖3.7所示?？梢?9.5%的小時濃度<1000ppm，85%的小時＜800ppm，且其濃度變化與在室率的變化具有較好的一致性。

圖3.7 CO₂濃度和人員在室率的關系 
表3.1 CO₂濃度比和人員在室率

       假設可接受的極限情況為CO₂濃度達到1000ppm以及室內滿員，將室內小時濃度和人數積分，分別除以極限情況相應的積分，以“天”為單位，求得濃度限值比和人員24h在室率以衡量不同工況的平均控制水平，見表3.1。按新風機新風量和凈化器CADR（潔凈空氣量）值折算的換氣次數約為2.2h^-1和2.0h^-1。本例中，當在室率最高時，新風機仍可將CO₂濃度控制在限值內；采用凈化器時，凈化器在人數減少的情況下濃度還要高出前者近60ppm。但綜合主觀評價和PM_2.5濃度控制結果可知，即便采用凈化器使得室內有稍高的CO₂濃度，仍可實現與新風工況相似的室內空氣品質

4 結論

       本文通過近兩年在室人員的主觀評價調研和空氣質量的監測數據（室內外PM_2.5和CO₂濃度），對“是否可以用空氣凈化器替代（部分）機械新風系統”這一命題進行了探討，主要結論如下：

       (1) 從主觀評價來看，兩種工況下人員可感知的空氣品質、熱舒適的可接受程度、困倦程度以及心率均無顯著差異；

       (2) 比較兩年的PM_2.5濃度可知，凈化器過濾效率下降近50%，但二者均能將I/O控制在0.65以下且保證滿足二級限值標準的小時時間占比（T）為97%，均好于對照空白工況（T=82%）；99.5%的CO₂小時濃度低于1000ppm。采用新風機能更有效地降低室內CO₂濃度；但開啟凈化器時，即便有稍高的CO₂濃度下室內人員對空氣品質的主觀評價與采用機械新風時的結果無顯著差異。

       綜上，通過比較室內人員主觀評價和對室內PM_2.5濃度和CO₂濃度控制結果分析，在該開放式辦公室采用凈化器來替代（部分）機械新風量以降低建筑新風能耗具有可行性。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2021年10月刊 總第48期（第二十二屆全國通風技術學術年會論文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。