垂直農(nóng)業(yè)對(duì)室內(nèi)CO2濃度影響評(píng)估系統(tǒng)開發(fā)

邵一鳴， 李加強(qiáng)， 周志偉， 陳淏婧

（南京工業(yè)大學(xué)建筑學(xué)院，南京 210009）

0 引 言

室內(nèi)空氣中常見的污染物有CO2、顆粒物（PM）和揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）三大類。除了通風(fēng)稀釋污染物的方法外，目前應(yīng)對(duì)PM和VOC類的污染物已有多種實(shí)用的過濾和吸收方法［1-4］，而CO2由于分子太小，難以通過這些方法解決。過高的CO2濃度會(huì)導(dǎo)致“病態(tài)建筑綜合癥”［5］和工作生產(chǎn)力下降［6］，人會(huì)出現(xiàn)明顯的神經(jīng)生理癥狀（即疲勞，注意力難集中和頭痛）［7］。雖然自然通風(fēng)能很好地稀釋室內(nèi)CO2濃度，但是一些高層、超高層建筑，為了消除室外高風(fēng)速的影響，采用的是固定外窗，換氣幾乎完全由新風(fēng)系統(tǒng)完成。如果室外溫度達(dá)不到室內(nèi)舒適度要求，新風(fēng)機(jī)需要對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)進(jìn)行預(yù)冷／預(yù)熱，此過程產(chǎn)生了較可觀的能耗。是否可以在減少新風(fēng)量需求的同時(shí)，并不犧牲室內(nèi)空氣質(zhì)量？綠色植物的光合作用就可以提供這樣一種補(bǔ)償方式。綠植光合作用中吸收CO2放出氧氣的過程，正好與人的呼吸作用相反。而辦公建筑的工作時(shí)段與植物日間光合作用的時(shí)段又大致重合。如果把垂直農(nóng)業(yè)引入辦公建筑，則可以建立人與植物氣體交換的微型循環(huán)系統(tǒng)，對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量有提升作用。

垂直農(nóng)業(yè)是城市農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的一個(gè)新概念，是指在室內(nèi)的可控環(huán)境下采用無土栽培法在立體架構(gòu)中生產(chǎn)農(nóng)作物［8-9］。垂直農(nóng)業(yè)多采用光合作用相對(duì)劇烈的葉菜類作物，生長(zhǎng)周期較快，全年可多輪種植，獲得數(shù)量可觀的收獲［10］。

當(dāng)前，除了發(fā)展較早的農(nóng)業(yè)科技方向外，垂直農(nóng)業(yè)對(duì)建筑環(huán)境的研究還處于探索階段［11-12］，其對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響，尤其是對(duì)室內(nèi)CO2濃度的影響的相關(guān)研究幾乎沒有。鑒于其對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量和通風(fēng)節(jié)能潛在的有益效果，對(duì)其進(jìn)行定量研究具有較強(qiáng)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。由于房間的容積、室內(nèi)人數(shù)和垂直農(nóng)業(yè)的規(guī)模等參數(shù)的變化都會(huì)引起室內(nèi)CO2濃度平衡的改變，所以參數(shù)化研究必不可少。然而，現(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)公式并無可用來計(jì)算含有垂直農(nóng)業(yè)的室內(nèi)CO2濃度隨時(shí)間變化關(guān)系，靜態(tài)預(yù)測(cè)尚有難度，動(dòng)態(tài)模擬就更加困難。本文主要從質(zhì)量守恒定律出發(fā)建立微分方程，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸方法得出植物凈光合速率和背景濃度的關(guān)系，從而建立包含房間尺度、室內(nèi)人數(shù)、垂直農(nóng)業(yè)種菜規(guī)模等參數(shù)的室內(nèi)CO2濃度參數(shù)化計(jì)算模型，并以Visual Basic.net［13］為編程開發(fā)工具，開發(fā)了基于迭代計(jì)算的室內(nèi)CO2濃度的評(píng)估系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠動(dòng)態(tài)模擬24 h室內(nèi)CO2濃度隨時(shí)間變化關(guān)系，為暖通空調(diào)設(shè)計(jì)人員提供設(shè)計(jì)參考。

1 系統(tǒng)開發(fā)

1.1 實(shí)驗(yàn)研究

實(shí)驗(yàn)選取位于南京市浦口區(qū)一棟典型的單走廊雙面布置使用空間的辦公樓3樓一間安放了垂直農(nóng)業(yè)裝置的辦公室。實(shí)驗(yàn)種植架構(gòu)采用營(yíng)養(yǎng)液膜技術(shù)（NFT），設(shè)置于窗洞口處，其架構(gòu)與窗戶同寬（1.43 m），垂直農(nóng)業(yè)設(shè)備立面圖如圖1所示。

圖1 垂直農(nóng)業(yè)設(shè)備圖

實(shí)驗(yàn)儀器和測(cè)量設(shè)備有CO2鋼瓶、空氣質(zhì)量檢測(cè)儀、光合有效輻射儀等。CO2鋼瓶用于將室內(nèi)的CO2濃度提高到一定的數(shù)值，以CO2作為示蹤氣體，記錄CO2濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系?？諝赓|(zhì)量檢測(cè)儀用于測(cè)量室內(nèi)外CO2濃度，每分鐘自動(dòng)記錄并保存所測(cè)數(shù)據(jù)。為了獲得相對(duì)穩(wěn)定的光照條件，實(shí)驗(yàn)室采用LED種植燈對(duì)日光進(jìn)行模擬（見圖1）。設(shè)置種植燈的照射距離、時(shí)長(zhǎng)和光照強(qiáng)度，使各層植物獲得等同于自然采光平均值的光合有效輻射（PAR）值，在此過程中利用PAR測(cè)試儀進(jìn)行調(diào)試。LED種植燈的工作時(shí)間為8：00～20：00。

實(shí)驗(yàn)中，對(duì)室內(nèi)CO2濃度產(chǎn)生影響的因素有室外空氣滲透、室內(nèi)人員呼吸作用，以及種植的蔬菜光合作用（植物的凈光合速率等于植物光合作用吸收CO2的速率減去其呼吸作用產(chǎn)生CO2的速率）。根據(jù)質(zhì)量守恒定律［14］，CO2濃度C變化的微分方程為

室內(nèi)CO2濃度在τ時(shí)間內(nèi)的變化關(guān)系：

式中：C為τ時(shí)間后室內(nèi)CO2濃度，μmol／mol；C1為室內(nèi)CO2初始濃度，μmol／mol；˙m為人呼吸產(chǎn)生CO2速率，（μmol／mol）／h；τ為時(shí)間，min；Cs為室外CO2濃度，μmol／mol；Q為滲透新風(fēng)量，m3／h；V為實(shí)驗(yàn)室體積，m3；ɑ為農(nóng)業(yè)植物凈光合速率，μmol／mol／h。當(dāng)τ＝0時(shí)，C＝C1；˙m與人的活動(dòng)、室內(nèi)人數(shù)有關(guān)；Q主要受風(fēng)壓、熱壓影響，具體又與室外風(fēng)速、風(fēng)向、室內(nèi)外溫差房間結(jié)構(gòu)、門窗類型等諸多因素相關(guān)；ɑ與光合有效輻射值和垂直農(nóng)業(yè)的規(guī)模有關(guān)系。

為研究ɑ和C之間的關(guān)系，需要準(zhǔn)確測(cè)量計(jì)算辦公室內(nèi)無人、無植物狀況下的滲透風(fēng)量和無人、有植物兩種情況下CO2濃度變化情況。具體操作步驟如下：

（1）測(cè)量實(shí)驗(yàn)室內(nèi)無人、無農(nóng)業(yè)植物狀況下的滲透風(fēng)量，即用示蹤氣體濃度下降法進(jìn)行房間氣密性實(shí)驗(yàn)。以CO2作為示蹤氣體，由鋼瓶釋放。空氣檢測(cè)儀自動(dòng)記錄室內(nèi)CO2濃度由最大值降低到當(dāng)日室外水平時(shí)，單次實(shí)驗(yàn)結(jié)束。重復(fù)測(cè)量3次，通過非線性回歸的方法對(duì)三組曲線進(jìn)行回歸，得到Q/V，取平均值Q/V＝0.2次／h。

（2）濃度下降法測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中無人有垂直農(nóng)業(yè)存在時(shí)CO2濃度變化情況。進(jìn)行3組鋼瓶重復(fù)實(shí)驗(yàn)，然后對(duì)CO2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性回歸，對(duì)回歸方程進(jìn)行求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)即為各時(shí)刻室內(nèi)CO2濃度實(shí)際下降速率。實(shí)際下降速率為該濃度背景下植物吸收CO2的凈光合速率和CO2通過空氣滲透稀釋速率的代數(shù)和。減去對(duì)應(yīng)濃度的空氣滲透稀釋速率，可計(jì)算出不同CO2濃度狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的植物凈光合速率。最后對(duì)求得的不同濃度下植物的凈光合速率進(jìn)行回歸，回歸方程為

在兩步實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得到植物凈光合速率和室內(nèi)CO2濃度的關(guān)系，

1.2 系統(tǒng)平臺(tái)構(gòu)建

圖2展示的是系統(tǒng)的處理架構(gòu)。

圖2 系統(tǒng)處理架構(gòu)圖

主要分為3個(gè)步驟：

（1）用戶需要通過數(shù)據(jù)庫(kù)和自定義導(dǎo)入各參數(shù)。數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入的參數(shù)有房間換氣次數(shù)、人的活動(dòng)率（人呼吸產(chǎn)生CO2的速率）、PAR值。用戶自定義輸入的有實(shí)驗(yàn)室三圍尺寸（長(zhǎng)、寬、高），并根據(jù)窗地比以確定窗戶的尺寸。輸入的參數(shù)還包括室外CO2的平均濃度，不同時(shí)間實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人數(shù)?？蛇x參數(shù)包括垂直農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中水泵功率，水泵工作次數(shù)，水泵每次工作時(shí)間。

（2）計(jì)算。用式（3）進(jìn)行迭代計(jì)算，計(jì)算中，τ取15 min，計(jì)算頻率為次／15 min，即迭代計(jì)算的次數(shù)為4次／h。

參數(shù)化評(píng)估系統(tǒng)由參數(shù)的命名和運(yùn)算兩部分構(gòu)成。主要計(jì)算參數(shù)有C1、Cs、Vr、VH及Pt、Q；農(nóng)業(yè)植物凈光合速率vP等。

評(píng)估系統(tǒng)核心部分——迭代計(jì)算的部分公式及代碼含義：

式（4）用來計(jì)算農(nóng)業(yè)植物凈光合速率，它與室內(nèi)CO2的背景濃度有關(guān)。式（5）是基于式（3）用來計(jì)算室內(nèi)CO2濃度變化情況，受室內(nèi)人數(shù)、門窗的滲透稀釋作用以及農(nóng)業(yè)植物的光合作用的影響。

（3）輸出CO2濃度變化曲線圖。經(jīng)過第（2）步的迭代計(jì)算，快速動(dòng)態(tài)模擬室內(nèi)24 h內(nèi)CO2濃度變化情況，并實(shí)時(shí)成圖，最后生成報(bào)表導(dǎo)出到Excel中。

2 評(píng)估系統(tǒng)用戶界面設(shè)計(jì)和操作步驟

計(jì)算評(píng)估系統(tǒng)的主界面如圖3所示，上半部分為圖形的輸出部分，橫坐標(biāo)為24 h，縱坐標(biāo)為室內(nèi)CO2濃度，根據(jù)GB／T 18883—2002《室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》［15］將1 mmol／mol作為室內(nèi)可接受的最大CO2濃度數(shù)據(jù)。本軟件將室內(nèi)CO2濃度分為4個(gè)等級(jí)：好（＜700μmol／mol）、一般（700～1 000μmol／mol）、差（1 000μmol／mol）、非常差（＞2 000μmol／mol），4個(gè)等級(jí)分別由淺綠、淺黃、淺紅和深紅4種顏色表示，顏色由淺到深，顏色越深表示室內(nèi)CO2濃度越高，對(duì)室內(nèi)人員的健康影響越大。下半部分為用戶的輸入部分。最左邊是實(shí)驗(yàn)室的三維尺寸輸入，中間3個(gè)滑塊分別控制換氣次數(shù)、人的CO2散發(fā)量和光合有效輻射值，右邊是經(jīng)濟(jì)分析參數(shù)的輸入。最右邊有種植設(shè)計(jì)選項(xiàng)（植槽間距和蔬菜的葉冠高度等），還可導(dǎo)出相應(yīng)的報(bào)表。

圖3 評(píng)估系統(tǒng)操作主界面及參數(shù)設(shè)置窗口

評(píng)估系統(tǒng)的具體操作步驟如下：

（1）初始設(shè)置數(shù)據(jù)由系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)入，如有必要，用戶也可自行修改數(shù)值。在圖3窗口用戶輸入部分，可修改的參數(shù)有實(shí)驗(yàn)室的三維尺寸、實(shí)驗(yàn)所用水泵的功率、水泵工作的時(shí)間、室內(nèi)CO2的初始濃度、室外CO2濃度以及在不同的時(shí)間段內(nèi)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的人數(shù)。也可以通過滑塊來控制室內(nèi)換氣次數(shù)、人的活動(dòng)率、光合有效輻射值的數(shù)值。

（2）用戶在設(shè)置完步驟（1）的參數(shù)后，點(diǎn)擊GrowingDesign（種植設(shè)計(jì)）后，出現(xiàn)的窗口界面如圖4所示。用戶只需輸入GrowingTray Spacing（種植槽間距）、Vegetable Spacing（垂直方向的蔬菜間距）以及Leaf Crown Height（蔬菜的葉冠高度）。點(diǎn)擊OK（確認(rèn)）后即可自動(dòng)顯示蔬菜數(shù)量、種植面積、窗口覆蓋率及產(chǎn)生的等效新風(fēng)量。

（3）點(diǎn)擊Report（生成報(bào)表）。點(diǎn)擊OK（確認(rèn)），窗口內(nèi)出現(xiàn)的數(shù)據(jù)會(huì)根據(jù)之前設(shè)置的參數(shù)自動(dòng)顯示在對(duì)應(yīng)的位置（見圖5）。點(diǎn)擊Report Data，導(dǎo)出數(shù)據(jù)），將這些數(shù)據(jù)輸出導(dǎo)入到Excel中，如圖6所示。

圖4 種植界面參數(shù)設(shè)置窗口

圖5 經(jīng)濟(jì)分析（能耗和產(chǎn)量）結(jié)果顯示窗口

圖6 自動(dòng)生成的數(shù)據(jù)報(bào)告

3 驗(yàn) 證

為了驗(yàn)證開發(fā)平臺(tái)對(duì)于實(shí)際情況模擬的準(zhǔn)確性，在有垂直農(nóng)業(yè)的實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。選取2 h進(jìn)行實(shí)測(cè)。1 d中，室內(nèi)人數(shù)隨時(shí)段變化，實(shí)測(cè)各時(shí)刻室內(nèi)CO2濃度的變化情況，描點(diǎn)作實(shí)測(cè)曲線圖。把初始參數(shù)輸入到評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)，計(jì)算得出預(yù)測(cè)曲線圖。將預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)曲線進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖7 室內(nèi)有人、植物時(shí)CO2濃度實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比

由于LED種植燈的工作時(shí)間為8：00～20：00，所以植物的光合作用只在該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行。曲線主要分為6段。ɑb段：從實(shí)驗(yàn)開始，經(jīng)歷10 h，室內(nèi)無人，在第8 h，LED燈開始工作；bc段：經(jīng)歷約1.5 h，室內(nèi)1人；cd段：經(jīng)歷6.5 h，室內(nèi)無人；de段：經(jīng)歷1 h，室內(nèi)1人，LED燈停止工作；ef段：經(jīng)歷3 h，室內(nèi)無人；fg段：經(jīng)歷1.5 h，室內(nèi)2人，之后實(shí)驗(yàn)結(jié)束。用SPSS 22.0軟件對(duì)實(shí)測(cè)值和模擬的數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性分析，R值為0.990（R的范圍：－1≤R≤1），｜R｜＞0.8，表示兩者相關(guān)性很高，R＝0.990，表明計(jì)算模型比較準(zhǔn)確，植物的凈光合速率計(jì)算比較準(zhǔn)確?？梢杂迷撃Ｐ蛠碛?jì)算模擬24 h室內(nèi)CO2濃度變化。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文首先通過在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，以CO2濃度作為示蹤氣體的濃度衰減法，得出實(shí)驗(yàn)室的滲透新風(fēng)量，在此基礎(chǔ)上，計(jì)算出農(nóng)業(yè)植物在不同背景濃度下的凈光合速率。不同參數(shù)的變化（如實(shí)驗(yàn)室的三圍尺寸、室內(nèi)人員的使用情況、農(nóng)業(yè)植物的規(guī)模等）會(huì)引起室內(nèi)CO2濃度的變化，利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建迭代計(jì)算平臺(tái)進(jìn)行計(jì)算，與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，結(jié)果顯示計(jì)算平臺(tái)比較可靠。本文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：

（1）通過非線性回歸計(jì)算出室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)與室內(nèi)背景CO2濃度的關(guān)系，通過圖形化，能直觀看出室內(nèi)人數(shù)和室內(nèi)農(nóng)業(yè)規(guī)模的平衡關(guān)系。

（2）開發(fā)出能動(dòng)態(tài)評(píng)估室內(nèi)CO2濃度隨時(shí)間變化關(guān)系的計(jì)算平臺(tái)，從系統(tǒng)的開發(fā)到驗(yàn)證的過程，使用的數(shù)據(jù)可靠，軟件可靠。經(jīng)過計(jì)算機(jī)快速迭代運(yùn)算，得出的數(shù)據(jù)圖直觀明了，能實(shí)時(shí)看出一天24 h室內(nèi)CO2濃度變化情況以及人數(shù)與室內(nèi)CO2濃度的平衡關(guān)系。

（3）暖通設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)顯示的數(shù)據(jù)曲線圖，調(diào)整室內(nèi)垂直農(nóng)業(yè)種菜規(guī)模，以達(dá)到通過調(diào)整垂直農(nóng)業(yè)規(guī)模來控制室內(nèi)CO2濃度，調(diào)整新風(fēng)補(bǔ)充量，節(jié)約通風(fēng)能耗的目的。