沈阳建筑大学 冯国会 蔡易霖 毕扬
重庆大学 张亿先
摘 要：针对行驶状态下的轿车舱内在车窗开启条件下利用自然通风排除舱内的二氧化碳的能力和车内的热舒适性进行实验研究，得到了在不同车窗开度和行驶速度下的二氧化碳浓度衰减曲线，采用浓度衰减法计算了进入车舱内的新风量，比较了车窗开度和行驶速度对新风量的影响程度，结果表明增加车窗开度和行驶速度均会增加新风量和排风能力，车窗开度的影响程度更大。测量了车内乘客面部的气流速度和噪声，当开启前排车窗时后排的风速明显大于前排风速，车速对前排的影响不大；当车速＞50km/h，车窗开度＞5cm时，后排乘客吹风感强烈。
关键词：自然通风；轿车舱内；新风量；热舒适性
0 前言
根据2017年公安部交管局统计[1]，截至2017年3月底，全国机动车保有量已突破3亿，其中轿车达2亿量；机动车驾驶人超3.64亿人，其中轿车驾驶人3.2亿人，并且轿车保有量保持高速生长的态势。随着社会的发展，轿车已经成为很多人出行的必要工具，一些特殊职业的人，比如司机，导游等更是有大量时间处在轿车内部的环境下。由于轿车舱内部有空间小，一般只有2~3m3，密闭性强，人员密度大等特点，车内空气品质对人员的身心健康有巨大影响[2-3]。
在很多南方城市和一些北方城市，天气适宜，由于经济和环保的因素，很多人不愿意打开空调，这样就容易在车内形成一个密闭的空间，极易造成二氧化碳，甲醛等气体污染物的积累。研究表明[4-5]，室内的CO2浓度超过1000ppm时，人体会感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡；当浓度超过2000ppm时，人会感觉头痛、嗜睡、呆滞、注意力无法集中、心跳加速、轻度恶心。驾驶人在驾驶轿车时每行驶一段时间就应及时进行通风。自然通风是经济又有效的通风方式，在行驶路上，开启车窗的通风方式对热舒适性，室内空气品质均有影响[6]，但对于开窗利用自然通风排除车内污染物的能力没有一个准确的量化分析。本文考虑车内空气品质和热舒适性为出发点，对小轿车满载时车不同行驶速度和开窗大小下的CO2浓度进行连续监测，同时以CO2为示踪气体，采用浓度衰减法计算不同状态下的车内的新风量，同时监测该种通风状态下的车内气流速度和噪声。
1 实验方案
针对轿车在开窗行驶时的二氧化碳浓度监测，热舒适性的实验均在车内动态完成，整个实验在2天内完成，采用车辆为2017年款雪佛兰迈锐宝，该车为三厢轿车，座位数5个，车况良好，密闭性强，轴距2700mm。测试时天气状况良好，均为晴天，风力不大于3级，风速均小于1m/s。车内乘客均为20~25岁，共有2男2女参与了此次实验，健康状况良好。为了模拟轿车行驶的真实环境下的车速，本文根据《中华人民共和国道路交通安全法》[7]将车速总共分成了以下6个级别：①30km/h，为无道路中心线的路段限速，同时模拟室内慢车环境；②50km/h，为同方向一条车道的路段限速；③ 60km/h，为同方向两条车道的路段限速；④80km/h，为同方向两条车道的路段限速；⑤100km/h，为绕城高速公路及环路段限速；⑥120km/h，为高速公路段限速。此外，本文根据驾驶人的行为习惯，就车窗开启大小分成3个级别：① 2cm，开启面积为0.01928m2（图1）；②5cm，开启面积为0.03594m2；③10cm，开启面积为0.09491m2（图2）。
 |
 |
| 图1 窗户开度2cm | 图2 窗户开度10cm |
1.1 二氧化碳的浓度变化
本文测试了在开窗宽度为5cm和10cm，行车速度为60/80/100/120km/h的状态下下特定浓度的二氧化碳在车内的衰减曲线。每次实验均开启驾驶位和副驾驶位的两侧车窗，关闭后窗。实验方法参照《公共场所空气中二氧化碳测定方法》[8]，采用TELAIRE7002二氧化碳测试仪分析仪（图3）监测轿车舱内的CO2浓度和温度，采样高度为1m，采样位置位于轿车中间位置，同时通过HOBOWARE温湿度记录仪（图4）对信息进行记录，每次记录的时间间隔为10s。
 |
 |
| 图3 CO2检测仪 | 图4 设备连接图 |
1.2 新风量
本文测试了30/50/60/80/100/120(km/h)车速下的，开窗大小为2/5/10(cm)状态下车内的新风量。以钢瓶释放出的CO2作为示踪气体，并考虑人体呼出的CO2浓度，采用衰减法测定车内的新风量，即在车窗紧闭的情况下，先将车辆行驶至限定速度，然后释放CO2使之浓度上升至2500PPM并稳定时，将车窗开启到限定的开度，达到稳定的通风状态，此时监测CO2的浓度下降情况，当CO2浓度下降至一个定值，再次记录时间，根据两个时间间隔采用解析法计算出该车窗开度该速度下的新风量。测试结束后重复试验，每个工况重复实验3次。计算公式如下：
其中：V为车内空气体积（m3）；Cout为室外环境示踪气体浓度；Cτ为瞬时测量的示踪气体浓度 （mg/m3）；C0为初始时刻的CO2浓度值（mg/m3）；Q为通风量（m3/s）；F为CO2的释放速率，根据车上人员数量算出（mg/s）。
采用迭代法计算出新风量Q的值。温度用温度计量出，风速用热求风速仪量出，CO2浓度用二氧化碳检测仪量出，根据Qi[9]的计算方法估出人员的CO2发生量，车内尺寸用量尺量出，参数均在下表列出。
表1 计算参数
1.3 热舒适性
在轿车行驶过程中开启窗户会引起车内和车外的气体剧烈交换，影响车内的气流环境，给人体带来吹风感，同时会产生噪声。为了探究开窗时行驶给乘客带来的吹风感和噪声，本文通过使用手持式热球风速仪（图5）和噪声仪对不同开窗大小和车速下的人面部的气流速度和噪声进行了测试。测试点位为驾驶员面前，驾驶–副驾驶之间，副驾驶员面前，后排左乘客面前，后座中间，后排右乘客面前共6个测点。
图5 热球风速仪
2 实验结果分析
2.1 CO2的浓度衰减
根据HOBO温湿度记录仪记录的CO2的衰减曲线可以看出，行驶状态下开窗后车内CO2的浓度衰减符合全面通风稀释方程[10]。图6比较了不同车速下开窗大小对车内二氧化碳的排除作用，可以看出，开窗大小对CO2的浓度衰减影响很大，这是因为车窗的增大增了流体的出流面积。当轿车行驶速度在60km/h，车内空气中二氧化碳的浓度为2500ppm时，若将车窗摇下5cm，则需要90s才能让二氧化碳的浓度降到1000ppm以下，但如果将车窗摇下10cm时仅需40s即可达到同样的效果。当轿车行驶速度为80km/h时，若开窗5cm，则需60s使车内的CO2浓度降低到1000ppm以下；若开窗10cm，则需不到40s。车速为100km/h的行驶状态下，想要使浓度为2500ppm的CO2降低到1000ppm需开窗5cm维持50s或开窗10cm维持30s。当车速在120km/h时，这两个数值分别为40s和25s。
 |
 |
| （a）60km/h的行车速度下的CO2的浓度衰减曲线 | （b）80km/h的行车速度下的CO2的浓度衰减曲线 |
|
|
| （c）100km/h的行车速度下的CO2的浓度衰减曲线 | （d）120km/h的行车速度下的CO2的浓度衰减曲线 |
图6 固定车速下的CO2浓度衰减曲线
图7为车速对轿车内二氧化碳的排出量的影响。根据流体力学的基本原理可知，车速的增加会增加从车窗进入车内的通风量。这是因为更快的车速可以增加作用在轿车窗口两边的压差[11]，而通过孔口的空气体积流量与孔口两侧压力差的平方根成正比。根据图7可以看出，车速的增加确实会加快二氧化碳的衰减，但是效果相对有限。若想把CO2浓度从2500下降到1000，当车速为120km/h时，在开窗5cm的情况下所需的时间比车速为80km/h时所需的时间少20s。在开启窗户10cm后的15s内，车速为120km/h和100km/h的二氧化碳浓度衰减几乎相差无几。
 |
 |
| （a）车窗开启5cm | （b）车窗开启10cm |
图7 固定开窗大小下的CO2浓度衰减曲线
2.2 新风量的计算
表2为根据实际情况算出的新风量的值，同时根据上述结果计算出污染物浓度达到稳定所需的时间[8]。由表2可以看出。
表2 车内新风量计算
图8显示了新风量和车速、车窗开度的关系。由图可以看出，车速和车窗开度均影响着车内的新风量，车速越快，新风量越大；车窗开度越大，新风量越大；每当车速增加20km/h时，新风量相应增加0.015~0.02m3/s。而当车窗开度由5cm增大到10cm时，新风量会随之增加到原来的二倍左右。
图8 新风量与车窗开度关系图
2.3 气流速度和噪声
表3给出了不同车速和开窗大小状态下的前排和后排的乘客面部的平均风速，从表中可以看出，开启前排车窗时，后排乘客面部的平均风速均大于前排，由于人体在感受到不舒适的最低风速约为0.25m/s[12]，因此，当车速高于50km/h，开窗大小大于5cm时，后排的平均风速即超过0.25m/s；当车速大于60km/h，车窗开度大于10cm时，或车速大于100km/h，车窗大于5cm时，前排的平均风速大于0.25m/s，吹风感明显。当车速在120km/h，开窗大小为10cm时，后排乘客的平均风速高达1.23m/s。
此外，表中还给出了噪声和车速、车窗开度的关系。由表可以看出行驶速度是噪声大小的最主要因素，而车窗开度对噪声的影响相对较小。当车速由30km/h提高到120km/h时，噪声也由59db提高到75db以上。
表3 气流速度和噪声表
3 结论与分析
（1）实验结果显示，针对行驶状态下的轿车，利用自然通风是一种经济有效的空气更新手段，可以有效的防止污染物的积累，改善车舱内部的空气质量。车窗开度的大小和行驶速度均对污染物的排除速度有影响。当轿车在市区内行驶速度保持在60km/h时，需开窗5cm维持90s车内的或开窗10cm维持40s使CO2浓度由2500ppm下降到1000ppm以下；当轿车行驶在高速公路，车速120km/h时则需开窗5cm维持40s或开窗10cm维持25s来达到同样的效果。车速和车窗开度的增加会提高室内的新风量，当轿车低速行驶时，需增加车窗开度来提高新风量。
（2）当开启前排车窗时，后排乘客面部的气流速度要明显大于前排乘客，当车速高于50km/h，车窗开度大于5cm时，后排乘客即有强烈的吹风感（＞0.25m/s）；当车速大于60km/h，车窗开度大于10cm时，前排乘客有吹风感。车速是影响车内噪声的主要因素，当车速为120km/h，车窗开度为10cm时，最大噪声可达77db。
（3）由于本实验建立一个无外界风速影响的环境下，但即使外界风速不超过1m/s，对实验结果仍有一定的干扰，且外界风速并不稳定，可能给本次实验造成一定的误差。同时，本次实验并不完全等同于实际的路面情况，后者会有更复杂的行驶状况，如行驶速度不稳定，外界风速大小不稳定等，都会对轿车的通风能力有一定影响。
参考文献
[1] 人民网《2017年一季度全国机动车保有量突破3亿》（http://society.people.com.cn/n1/2017/0418/c1008-29217348.html）.
[2] 林泽键,张淑娟空调公交车内影响空气品质的机理研究〔J/OL〕环境污染与防治，2007(2)09:1–9.
[3] 陈焕新. 空调列车室内空气品质与气流组织的研究[D]. 武汉: 华中科技大学, 2002.
[4] 中华人民共和国卫生部.室内空气质量标准 (GBT 18883–2002) [S]. 北京 : 中国标准出版社 , 2002.
[5] Coley D A, Greeves R, Saxby B K. The effect of low ventilation rates on the cognitive function of a primary school class[J]. International Journal of Ventilation, 2007, 6(2):107–112.
[6] Shendell D G, Prill R, Fisk W J, et al. Associations between classroom CO2 concentrations and student attendance in Washington and Idaho[J]. Indoor air, 2004, 14(5):333–341.
[7] 中华人民共和国道路交通安全法[M].北京：中国人民公安大学出版社.2003.
[8] 国家质量技术监督局. 公共场所空气中二氧化碳测定方法（GBT 18204.24–2000）[S]. 北京：中国标准出版社. 2011.
[9] Qi M W, Li X F, Weschler L B, et al. CO2 generation rate in Chinese people[J]. Indoor air, 2014, 24(6):559–566.
[10] 陆亚俊主编.暖通空调[M].北京：中国建筑工业出版社.2015, 200–202.
[11] 孙一坚，沈恒根编著.工业通风[M].北京：中国建筑工业出版社.2010.186–191.
[12] 朱颖心.建筑环境学 第4版[M].北京：中国建筑工业出版社.2016.110–112.
备注：本文收录于《建筑环境与能源》2019年8月刊总第24期。
版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
