沈陽建筑大學 馮國會 蔡易霖 畢揚
重慶大學 張億先
摘 要:針對行駛狀態下的轎車艙內在車窗開啟條件下利用自然通風排除艙內的二氧化碳的能力和車內的熱舒適性進行實驗研究,得到了在不同車窗開度和行駛速度下的二氧化碳濃度衰減曲線,采用濃度衰減法計算了進入車艙內的新風量,比較了車窗開度和行駛速度對新風量的影響程度,結果表明增加車窗開度和行駛速度均會增加新風量和排風能力,車窗開度的影響程度更大。測量了車內乘客面部的氣流速度和噪聲,當開啟前排車窗時后排的風速明顯大于前排風速,車速對前排的影響不大;當車速>50km/h,車窗開度>5cm時,后排乘客吹風感強烈。
關鍵詞:自然通風;轎車艙內;新風量;熱舒適性
0 前言
根據2017年公安部交管局統計[1],截至2017年3月底,全國機動車保有量已突破3億,其中轎車達2億量;機動車駕駛人超3.64億人,其中轎車駕駛人3.2億人,并且轎車保有量保持高速生長的態勢。隨著社會的發展,轎車已經成為很多人出行的必要工具,一些特殊職業的人,比如司機,導游等更是有大量時間處在轎車內部的環境下。由于轎車艙內部有空間小,一般只有2~3m3,密閉性強,人員密度大等特點,車內空氣品質對人員的身心健康有巨大影響[2-3]。
在很多南方城市和一些北方城市,天氣適宜,由于經濟和環保的因素,很多人不愿意打開空調,這樣就容易在車內形成一個密閉的空間,極易造成二氧化碳,甲醛等氣體污染物的積累。研究表明[4-5],室內的CO2濃度超過1000ppm時,人體會感覺空氣渾濁,并開始覺得昏昏欲睡;當濃度超過2000ppm時,人會感覺頭痛、嗜睡、呆滯、注意力無法集中、心跳加速、輕度惡心。駕駛人在駕駛轎車時每行駛一段時間就應及時進行通風。自然通風是經濟又有效的通風方式,在行駛路上,開啟車窗的通風方式對熱舒適性,室內空氣品質均有影響[6],但對于開窗利用自然通風排除車內污染物的能力沒有一個準確的量化分析。本文考慮車內空氣品質和熱舒適性為出發點,對小轎車滿載時車不同行駛速度和開窗大小下的CO2濃度進行連續監測,同時以CO2為示蹤氣體,采用濃度衰減法計算不同狀態下的車內的新風量,同時監測該種通風狀態下的車內氣流速度和噪聲。
1 實驗方案
針對轎車在開窗行駛時的二氧化碳濃度監測,熱舒適性的實驗均在車內動態完成,整個實驗在2天內完成,采用車輛為2017年款雪佛蘭邁銳寶,該車為三廂轎車,座位數5個,車況良好,密閉性強,軸距2700mm。測試時天氣狀況良好,均為晴天,風力不大于3級,風速均小于1m/s。車內乘客均為20~25歲,共有2男2女參與了此次實驗,健康狀況良好。為了模擬轎車行駛的真實環境下的車速,本文根據《中華人民共和國道路交通安全法》[7]將車速總共分成了以下6個級別:①30km/h,為無道路中心線的路段限速,同時模擬室內慢車環境;②50km/h,為同方向一條車道的路段限速;③ 60km/h,為同方向兩條車道的路段限速;④80km/h,為同方向兩條車道的路段限速;⑤100km/h,為繞城高速公路及環路段限速;⑥120km/h,為高速公路段限速。此外,本文根據駕駛人的行為習慣,就車窗開啟大小分成3個級別:① 2cm,開啟面積為0.01928m2(圖1);②5cm,開啟面積為0.03594m2;③10cm,開啟面積為0.09491m2(圖2)。
圖1 窗戶開度2cm | 圖2 窗戶開度10cm |
1.1 二氧化碳的濃度變化
本文測試了在開窗寬度為5cm和10cm,行車速度為60/80/100/120km/h的狀態下下特定濃度的二氧化碳在車內的衰減曲線。每次實驗均開啟駕駛位和副駕駛位的兩側車窗,關閉后窗。實驗方法參照《公共場所空氣中二氧化碳測定方法》[8],采用TELAIRE7002二氧化碳測試儀分析儀(圖3)監測轎車艙內的CO2濃度和溫度,采樣高度為1m,采樣位置位于轎車中間位置,同時通過HOBOWARE溫濕度記錄儀(圖4)對信息進行記錄,每次記錄的時間間隔為10s。
圖3 CO2檢測儀 | 圖4 設備連接圖 |
1.2 新風量
本文測試了30/50/60/80/100/120(km/h)車速下的,開窗大小為2/5/10(cm)狀態下車內的新風量。以鋼瓶釋放出的CO2作為示蹤氣體,并考慮人體呼出的CO2濃度,采用衰減法測定車內的新風量,即在車窗緊閉的情況下,先將車輛行駛至限定速度,然后釋放CO2使之濃度上升至2500PPM并穩定時,將車窗開啟到限定的開度,達到穩定的通風狀態,此時監測CO2的濃度下降情況,當CO2濃度下降至一個定值,再次記錄時間,根據兩個時間間隔采用解析法計算出該車窗開度該速度下的新風量。測試結束后重復試驗,每個工況重復實驗3次。計算公式如下:
其中:V為車內空氣體積(m3);Cout為室外環境示蹤氣體濃度;Cτ為瞬時測量的示蹤氣體濃度 (mg/m3);C0為初始時刻的CO2濃度值(mg/m3);Q為通風量(m3/s);F為CO2的釋放速率,根據車上人員數量算出(mg/s)。
采用迭代法計算出新風量Q的值。溫度用溫度計量出,風速用熱求風速儀量出,CO2濃度用二氧化碳檢測儀量出,根據Qi[9]的計算方法估出人員的CO2發生量,車內尺寸用量尺量出,參數均在下表列出。
表1 計算參數
1.3 熱舒適性
在轎車行駛過程中開啟窗戶會引起車內和車外的氣體劇烈交換,影響車內的氣流環境,給人體帶來吹風感,同時會產生噪聲。為了探究開窗時行駛給乘客帶來的吹風感和噪聲,本文通過使用手持式熱球風速儀(圖5)和噪聲儀對不同開窗大小和車速下的人面部的氣流速度和噪聲進行了測試。測試點位為駕駛員面前,駕駛–副駕駛之間,副駕駛員面前,后排左乘客面前,后座中間,后排右乘客面前共6個測點。
圖5 熱球風速儀
2 實驗結果分析
2.1 CO2的濃度衰減
根據HOBO溫濕度記錄儀記錄的CO2的衰減曲線可以看出,行駛狀態下開窗后車內CO2的濃度衰減符合全面通風稀釋方程[10]。圖6比較了不同車速下開窗大小對車內二氧化碳的排除作用,可以看出,開窗大小對CO2的濃度衰減影響很大,這是因為車窗的增大增了流體的出流面積。當轎車行駛速度在60km/h,車內空氣中二氧化碳的濃度為2500ppm時,若將車窗搖下5cm,則需要90s才能讓二氧化碳的濃度降到1000ppm以下,但如果將車窗搖下10cm時僅需40s即可達到同樣的效果。當轎車行駛速度為80km/h時,若開窗5cm,則需60s使車內的CO2濃度降低到1000ppm以下;若開窗10cm,則需不到40s。車速為100km/h的行駛狀態下,想要使濃度為2500ppm的CO2降低到1000ppm需開窗5cm維持50s或開窗10cm維持30s。當車速在120km/h時,這兩個數值分別為40s和25s。
(a)60km/h的行車速度下的CO2的濃度衰減曲線 | (b)80km/h的行車速度下的CO2的濃度衰減曲線 |
(c)100km/h的行車速度下的CO2的濃度衰減曲線 | (d)120km/h的行車速度下的CO2的濃度衰減曲線 |
圖6 固定車速下的CO2濃度衰減曲線
圖7為車速對轎車內二氧化碳的排出量的影響。根據流體力學的基本原理可知,車速的增加會增加從車窗進入車內的通風量。這是因為更快的車速可以增加作用在轎車窗口兩邊的壓差[11],而通過孔口的空氣體積流量與孔口兩側壓力差的平方根成正比。根據圖7可以看出,車速的增加確實會加快二氧化碳的衰減,但是效果相對有限。若想把CO2濃度從2500下降到1000,當車速為120km/h時,在開窗5cm的情況下所需的時間比車速為80km/h時所需的時間少20s。在開啟窗戶10cm后的15s內,車速為120km/h和100km/h的二氧化碳濃度衰減幾乎相差無幾。
(a)車窗開啟5cm | (b)車窗開啟10cm |
圖7 固定開窗大小下的CO2濃度衰減曲線
2.2 新風量的計算
表2為根據實際情況算出的新風量的值,同時根據上述結果計算出污染物濃度達到穩定所需的時間[8]。由表2可以看出。
表2 車內新風量計算
圖8顯示了新風量和車速、車窗開度的關系。由圖可以看出,車速和車窗開度均影響著車內的新風量,車速越快,新風量越大;車窗開度越大,新風量越大;每當車速增加20km/h時,新風量相應增加0.015~0.02m3/s。而當車窗開度由5cm增大到10cm時,新風量會隨之增加到原來的二倍左右。
圖8 新風量與車窗開度關系圖
2.3 氣流速度和噪聲
表3給出了不同車速和開窗大小狀態下的前排和后排的乘客面部的平均風速,從表中可以看出,開啟前排車窗時,后排乘客面部的平均風速均大于前排,由于人體在感受到不舒適的最低風速約為0.25m/s[12],因此,當車速高于50km/h,開窗大小大于5cm時,后排的平均風速即超過0.25m/s;當車速大于60km/h,車窗開度大于10cm時,或車速大于100km/h,車窗大于5cm時,前排的平均風速大于0.25m/s,吹風感明顯。當車速在120km/h,開窗大小為10cm時,后排乘客的平均風速高達1.23m/s。
此外,表中還給出了噪聲和車速、車窗開度的關系。由表可以看出行駛速度是噪聲大小的最主要因素,而車窗開度對噪聲的影響相對較小。當車速由30km/h提高到120km/h時,噪聲也由59db提高到75db以上。
表3 氣流速度和噪聲表
3 結論與分析
(1)實驗結果顯示,針對行駛狀態下的轎車,利用自然通風是一種經濟有效的空氣更新手段,可以有效的防止污染物的積累,改善車艙內部的空氣質量。車窗開度的大小和行駛速度均對污染物的排除速度有影響。當轎車在市區內行駛速度保持在60km/h時,需開窗5cm維持90s車內的或開窗10cm維持40s使CO2濃度由2500ppm下降到1000ppm以下;當轎車行駛在高速公路,車速120km/h時則需開窗5cm維持40s或開窗10cm維持25s來達到同樣的效果。車速和車窗開度的增加會提高室內的新風量,當轎車低速行駛時,需增加車窗開度來提高新風量。
(2)當開啟前排車窗時,后排乘客面部的氣流速度要明顯大于前排乘客,當車速高于50km/h,車窗開度大于5cm時,后排乘客即有強烈的吹風感(>0.25m/s);當車速大于60km/h,車窗開度大于10cm時,前排乘客有吹風感。車速是影響車內噪聲的主要因素,當車速為120km/h,車窗開度為10cm時,最大噪聲可達77db。
(3)由于本實驗建立一個無外界風速影響的環境下,但即使外界風速不超過1m/s,對實驗結果仍有一定的干擾,且外界風速并不穩定,可能給本次實驗造成一定的誤差。同時,本次實驗并不完全等同于實際的路面情況,后者會有更復雜的行駛狀況,如行駛速度不穩定,外界風速大小不穩定等,都會對轎車的通風能力有一定影響。
參考文獻
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[12] 朱穎心.建筑環境學 第4版[M].北京:中國建筑工業出版社.2016.110–112.
備注:本文收錄于《建筑環境與能源》2019年8月刊總第24期。
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