公共建筑设计新风量及空气品质现状研究
重庆海润节能研究院 魏嘉
中国医药集团重庆医药设计院 唐杰
摘 要：倡导通过新鲜空气改善室内空气品质的今天，新风量的计算方法及限值规定显得尤为重要，基于此，本文对比国内现行新风量标准，指出由于不同标准关注点的不同，造成同一类建筑的设计新风量有所区别。对办公楼、教学楼及商场建筑的通风现状进行研究综述，普遍存在室内二氧化碳浓度超标，空气品质较为恶劣的现象。在关注新风量来满足人体热舒适的同时，需要兼顾气流组织、通风方式及运行调控策略。
关键词：公共建筑；新风需求；空气品质；二氧化碳浓度；标准限值
0 引言
开窗通风是人在建筑活动中，为满足室内空气新鲜寻求到的简单、便捷且节能的行为方式。但在室外环境污染日益加剧的今天，直接开窗通风已经不能满足人们的健康需求。若建筑内无新风系统，室内人员呼吸产生的二氧化碳、系统设备运行产生的污染气体、装饰材料及家具家电散发的挥发性有机物等，将严重影响室内人员的身体健康。病态建筑综合征、建筑相关疾病及化学物质过敏症等问题的出现使人们认识到保证房间新风量是构建健康建筑的基本要求之一[1]。
建筑新风的主要用途可以概括为以下6点：
（1）提供室内人员呼吸代谢所需要的空气；
（2）稀释室内污染物，减少各种室内疾病的发生和传播；
（3）控制室内异味，提高室内空气品质的可接受度；
（4）创造优异的空气环境，提高人员的工作效率；
（5）调节室内温湿度；
（6）营造室内气流环境等[2]。
本文挑选几类典型公共建筑不同房间类型的状态进行研究综述，新风标准限值主要对比办公室、医院及高密度人群建筑；通风研究现状主要综述对象为办公室、教室、商场等。
1 标准中新风限值对比
设计新风量的主要参数为新风量、换气次数，根据国家现行卫生标准中的容许浓度，各标准中对于不同公共建筑的新风量的限值不尽相同。以《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736–2012）为参考，将本文选取研究的房间类型划分为三种类型。第一种类型为公共建筑主要房间，包括办公室、客房、大堂及四季厅，取值标准为每人所需最小新风量；第二种类型为医院建筑，包括门诊室、病房及手术室，由于现有人员新风量指标所确定的新风量没有考虑到建筑污染部分，无法保证始终完全满足室内卫生要求，故医院建筑中房间新风量按照换气次数进行确定；第三种类型为高密人群建筑，按照不同人员密度规定每人所需最小新风量。
本文按照以上三种类型的划分，对比国内公共建筑主要标准及规范，以期得到完善的新风需求指标。
第一种类型新风取值标准对比：
表1 公共建筑典型房间最小新风量限值
以上表格可以看出，《室内空气质量标准》（GB 18883–2002）中对室内最小新风量的取值不区分房间类型，统一为30m3/(人·h)，而对于大堂、四季厅等房间类型，GB 50736–2012中规定的最小新风量为10m3/(人·h)，有所区别。
第二种类型新风取值标准对比：
表2 医院典型房间最小换气次数限值
以上表格中，手术室的换气次数在两个标准中数值不统一，《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736–2012》中换气次数规定为5次，《综合医院设计规范GB 51039–2014》中规定为6次，有所区别。
第三种类型新风取值标准对比：
表3 高密度人群建筑最小新风量限值
以上表格中，教学楼建筑的新风取值规定有较大不同，《中小学校设计规范GB 50099–2011》对新风的计算是依据于最小换气次数，且小学、初中及高中教室的换气次数各不相同，而《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736–2012》中依据于人员密度下的最小新风量进行计算，《室内空气质量标准GB 18883–2002》统一给出最小新风量，说明《中小学校设计规范GB 50099–2011》在对新风的需求中关注于不同学龄阶段，而《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736–2012》中关注于人群的密度，《室内空气质量标准GB 18883–2002》中关注于室内空气品质。
由于各个标准中关注的方向不同，导致不同标准中对新风需求的规定限值也不同。在设计中如何在众多标准规范中选取适宜于房间类型的新风量，在有地方标准的情况下，应以更加严格细分的地方标准为主；在既有通用设计标准及某类建筑专门区别的设计标准时，应选取专业性更强的设计标准。
2 各类公共建筑通风研究现状
按照不同建筑类型分别进行研究现状的分析总结，以期从中得到不同建筑通风需求的共性和个性。
2.1 办公楼
在《办公建筑设计规范》JGJ 67–2006中规定，一类、二类及三类办公室内的新风量均要求每人每小时不应低于30m3。办公楼建筑的主要特点在于人流量稳定，故其新风量的计算方法主要以人均最小新风量进行规定。
2.1.1 空气品质状况
林波荣[3]结合用户主观问卷调研和现场实测，比较了不同气候区不同绿色办公建筑室内环境品质的情况，并与相同气候区普通办公建筑的室内环境品质情况进行了对比，分析了不同建筑典型周围二氧化碳浓度。发现除了持续性开启新风机组的建筑之外，绿色办公建筑与常规建筑的二氧化碳浓度基本上无显著性差别，但是人们对于绿色办公建筑的空气品质的满意程度却明显高于常规建筑，说明办公建筑的室内空气品质除了受到二氧化碳浓度影响之外，还受到更多其他因素的影响。
兰丽[4]等人调查了上海市两办公建筑建筑内人员对室内环境的总体感觉，并对室内的空气温度、湿度、风速、噪声、甲醛和二氧化碳浓度等物理参数进行了测量，对当前办公室的室内空气品质做一个研究，同时确定对室内人员工作效率的影响因素。结果显示，尽管建筑室内各项物理参数都在标准范围内，接近50%的人员抱怨有病态建筑综合症，且大多数人希望增加室内新风量。
辛晶晶[5]等人对上海市大型办公楼室内CO2浓度进行了测试，并提出了根据室内CO2浓度确定新风模式的想法。在过渡季节室内CO2浓度均未出现超标现象，而主要超标的时段集中在夏季的7、8、9月，造成该现象的原因是该办公建筑夏季室外自然渗风量明显比过渡季和冬季小，导致夏季室内CO2浓度累积效应相对强于自然渗风的消散作用，从而易出现夏季室内CO2浓度超标的现象。由此可以看出，就办公建筑的室内品质中的CO2浓度而言，在不同的季节也是会出现浓度超标现象的。建筑内的通风需求量并不是一成不变的，会受到季节和通风模式等的影响。
以上研究说明，通过调研、实测数据，办公建筑室内的空气品质并不理想，主要存在CO2浓度超标的问题，即使CO2浓度及其他室内污染物的浓度在标准范围内，室内人员依然表示希望增加室内新风量来缓解病态建筑综合征。
2.1.2 通风方式
赵永等人[6]利用Climate Consultant软件分析了毕节、贵阳、遵义三个地区办公建筑应用通风降温措施的适宜性，结果表明，三个地区办公建筑采用通风代替空调均能减少至少47.1%的空调使用率，同时利用实测得到，办公建筑应用通风降温技术每年可节省冷量 21~31.5kW·h/m2。办公建筑利用通风降温，不仅能减少空调系统能耗，同时大量引入的新风还能有效稀释室内的CO2浓度、PM2.5等污染物，有效地提高室内空气品质。
利用CFD模拟软件，许健[7]对采用层式通风方式下的典型办公建筑在不同室内气流组织下的空气品质和房间的排污效率进行了模拟，得到不同的送风高度和回风方式对办公室的室内人员呼吸区空气品质和房间的排污效率均有影响，送风口设置在Δh=20cm 处能使呼吸区获得更好的空气品质，且采用上部回风比下部回风形式能使呼吸区获得更优的空气质量，在对建筑的通风量进行设计的时候，需要充分考虑室内气流组织形式的影响。
安晶晶[8]等人对采用自然通风和机械通风的办公建筑的CO2浓度、温度及冷负荷等进行模拟，以分析两种通风方式对室内空气品质的差别，开窗通风可以保持较低浓度的CO2浓度水平，尤其是在室内人数增加时可以满足室内空气品质的需求，机械通风的CO2浓度要明显高于开窗通风，且在室内人数超过设计值时室内空气品质较差。
对于办公建筑而言，通风量、气流组织及通风方式均需进行综合考量，以最小新风量最节能的方式保证室内空气品质达到标准要求。
2.1.3 小结
通过文献调研，人流量较为稳定的办公室内的空气品质大多处于并不满意的状态；通过测试，尽管办公室内温度、湿度、二氧化碳浓度、甲醛等物理参数均在标准范围内，但依然有超过半数的人抱怨有病态建筑综合征。对办公建筑的通风模拟显示，机械通风的二氧化碳浓度明显高于自然通风；且送风口设置在某一位置处能使呼吸区获得更好的空气品质，且采用上部回风比下部回风形式能使呼吸区获得更优的空气质量。
以上研究说明对于办公建筑而言，通风的效果，不仅与房间通风量的大小、气流组织形式有关，还与适宜的通风方式有关。采用适宜的通风降温方式代替空调制冷，不仅可以达到节能的效果，而且可以优化室内的空气品质。
2.2 教学楼
教室的受众根据年龄阶段分为幼儿园、小学、初中、高中、大学等，不同类型的教室对空气品质的需求也不尽相同。
2.2.1 教室通风的重要性
教室内空气环境品质与学生和教师的健康、舒适等都息息相关。当人长时间处于CO2体积分数较高的环境中时，人的呼吸系统、循环系统、大脑器官的机能将受到影响，引起较为强烈的不舒适感。美国LEED认证标准中认为室内空气品质会直接影响学生的学习效率，诸多学者也对学生的学习效率与通风量的关系进行了研究，高校上课期间教室内CO2体积分数维持在(1200~1800)×10-6之间，在这样的环境中，学生的学习效率明显偏低[9]。目前，向室内引入新风从而稀释室内污染物，是当前改善室内空气品质的主要途径之一。
2.2.2 研究现状
申晓宇[10]针对南京某高校教学楼内不同教室在不同季节中二氧化碳浓度进行连续监测，分析出教室位置朝向、廊窗方式、上座率、门窗开启等因素对空气品质的影响，提出改善教室空气品质的对策与建议，对估算出自然通风教室获得的新风量值。
廖梅等[11]连续监测某教室CO2浓度，通过浓度衰减法计算不同教室、不同通风形式下室内新风量的大小。通过问卷调查和数值模拟的方法对夏热冬冷地区高校教室内空气品质进行研究，得出高校教室内空气品质存在较大的问题，11月、12月及3月室内二氧化碳浓度超标最为严重，增加教室门窗的开启数量有利于室内二氧化碳浓度的扩散，但相应的会影响室内热舒适性。
黄衍等[12]提出间歇式开窗为主的自然通风不能完全解决教室内新风量不足导致的二氧化碳浓度超标问题，并通过工程案例分析了中学教室内CO2浓度和新风量的关系，并得出按照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736–2012）规定的最小新风量计算得到的教室内二氧化碳浓度值最低。
王洪光[13]针对某高校教室进行测试室内热环境，并对比分析得到高校教室室内热环境存在的问题，夏季自然通风状态下室内热环境质量较差，冬季室内温度偏高，且冬夏季室内空气都比较干燥。在教室内无主动换气设施，导致全年室内空气品质都比较差。提出了自然通风结合采光的遮阳设施改善室内空气品质的措施。
邓大跃[14]提出教室二氧化碳浓度超标，新风量不足，会严重影响学生学习，降低课堂教学效果。并对人呼出二氧化碳作为示踪气体，测试研究教室有人和无人情况下教室内CO2浓度的变化，并对教室新风量进行计算。
胡佳林等[9]通过环境参数测量与问卷调查结合的方式探索夏季教室室内环境与学生学习效率间的关系。主要分析同济大学两种典型教室正常上课期间室内热环境、空气品质和光环境状况，结果表明教室室内环境存在的主要问题是新风量不足，二氧化碳浓度长期维持在较高的水平，从而导致室内人员学习效率不高。
徐菁[15]针对关中地区农村小学教室的室内热环境进行测试，得出冬季室内由于换气量不足导致学生感到不舒适。其中换气量不足是由于冬季缺少合适的通风设施的缘故，得出在该地区的农村小学采用太阳能新风系统是改善教室冬季室内空气品质的有效措施，并通过建模计算得出，在第一节课下课时打开排风扇，并以4.8m3/min的速率排气最为理想。
2.2.3 小结
通过查询相关研究文献，发现针对教室空气品质的研究内容主要为室内二氧化碳浓度，研究方法主要为实地测试、问卷调查及数值模拟，研究结论主要为如何通过建筑外形结构提高教室自然通风。
对教室内空气品质的研究均表现出室内二氧化碳浓度过高，空气品质较差，学生的学习效率及精神状态都处于较低水平。由于开窗进行自然通风是教室的主要通风手段，尤其在北方的冬天，采暖季节没有独立的通风系统，门窗关闭导致室内空气品质更加恶劣。
鉴于教室空气品质的重要性，对于不同类型教室的通风设计需要有明确的标准规定，通风的需求需要进行进一步的明确，且建议进行独立新风系统进行空气置换，在不适宜开窗通风的气候条件下保证教室内的空气品质质量。
2.3 商场
商场属于高密度人群建筑，且大多数商场在工作日、周末及节假日的人流量有明显的区别。商场新风量的计算方法为根据人流量密度确定最小新风量。
2.3.1 商场建筑的特点
商场是向社会供应生产和生活所需的各类商品的交易场所，它的功能性质，决定了其位置往往处于城市繁华热闹、建筑拥挤、用地紧张的中心地带。在紧张的用地条件和建筑内部无严格日照要求的情况下[16]，建筑面积大、用能设备多、人流密度大、使用时间长是商场的主要特点。
2.3.2 通风现状
作为周末、节假日人流量的主要聚集区，商场内空气的品质直接影响着商场内人员，特别是商场工作人员的身体健康。商场中的人员相对集中，呼出的CO2不易排到室外。因此，针对商场类建筑而言，CO2浓度是评价室内空气品质的一个重要指标。《室内空气质量标准》中规定，室内CO2浓度不能超过日均值的0.10%。据统计[17]，CO2浓度超过700×10-6会使少数比较敏感的人有不舒适的感觉；CO2浓度超过1000×10-6会使人有不舒适的感觉,并易引起人员产生嗜睡。除了CO2之外，温湿度、TVOCS和其他空气污染物也会对空气品质产生一定的影响。
王涛等人[18]以主观问卷和现场测试的方式对天津地区 5家建筑面积均在1万m2以上的大型商场的室内空气品质状况进行调查研究，发现有将近50%的人认为商场内温湿度适中，60%的人认为商场内通风情况一般，并且大多数人认为商场内空气不流通、窒息，且有轻微的污浊；同时，实测的数据显示在一些区域里出现的CO2浓度最高可以达到 1650×10-6，超过国家标准1000×10-6。得出以天津为代表的北方地区冬季大型商场普遍存在着室内通风情况不良、室内空气流通情况较差、室内CO2无法得到有效的稀释等问题。
黎洪等人[19]对深圳市不同片区的五家大型商场的室内空气品质进行了现场检测，发现不同楼层的温度分布明显呈现出底部和顶部温度较高而中部较低的特点，其中一层温度最高；对商场来说，平日的室内空气品质等级都属于清洁或未污染等级，但周末的综合指数明显比平日要高，原因主要是周末的客流量比平日大，导致空气中CO2含量升高。同时通过分析不同售货区、不同时段的客流量，得出CO2含量乃至空气品质的优劣与客流量有相当的一致性。因此，在设计商场类建筑通风时，可以将建筑内部的人流量、楼层考虑在内。
刘冬华等人[20]对武汉市区两个大型商场室内甲醛、CO2、TVOC、风速等参数进行了测试，测试结果表明：在周末，商场内空气中的甲醛、CO2、TVOC等明显高于工作日，特别是CO2浓度，同时不同楼层的空气参数含量不同，同一楼层的不同区域空气参数的含量也有差异。
2.3.3 小结
通过对以上研究，在工作日期间，商场的空气品质较好；而在周末和节假日等人流量较大的情况下，空气品质较差，空气中CO2浓度、甲醛、PM2.5等都超过标准的规定值，特别是CO2浓度；且存在不同楼层、不同售货区、不同时段的空气参数含量差别较大的现象，同一楼层的不同区域空气参数也有差异。因此，针对商场建筑独有的周期特点，提出一种改善室内空气品质的通风方案，显得尤为重要。
3 结论
对现行通风标准进行梳理，得出针对办公楼、医院及学校建筑的新风量计算方法及取值规定有较大出入，主要体现在：
（1）《室内空气质量标准GB 18883–2002》对所有室内的新风量规定均为30（m3/(人·h)）；但《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736–2012》中对不同功能的室内新风量限值从30（m3/(人·h)）~10（m3/(人·h)）有所区别。
（2）手术室的换气次数在《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736–2012》中规定为5次，在《综合医院设计规范GB 51039–2014》中规定为6次，有所区别。
（3）《中小学校设计规范GB 50099–2011》对新风的计算是依据于最小换气次数，且小学、初中及高中教室的换气次数各不相同；而《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范GB 50736–2012》中依据于人员密度下的最小新风量进行计算。
本文对国内现有的通风研究进行文献综述，以办公楼、教学楼及商场为主要研究对象，得出这三类建筑中普遍存在空气质量问题，主要体现在：CO2浓度普遍超标，室内空气环境处于较差水平。对不同类型的公共建筑，其通风需求也不尽相同，主要体现在：
（1）在对不同类型建筑进行通风设计时，需要综合考虑通风量、气流组织及通风方式，以最小新风量最节能的方式保证室内空气品质达到标准要求。
（2）对于不同学龄的教室进行新风量计算时，应综合考虑不同年级的最小换气次数及人员密度。
（3）对于商场建筑这类人流量大且存在明显周期性运行的建筑，通风设计需兼顾工作日及节假日两种情况，避免出现工作日过冷、节假日过热的情况；运行调控中需根据人流量大数据及时反馈控制风量，满足人体热舒适的同时兼顾节能运行。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2017年5月刊总第5期。
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