低层住宅建筑自然渗透中时间分辨跨围护结构压力预测性研究及其对室内空气质量管理的启示

为解决住宅建筑自然渗透(ACH)预测精度不足的问题，研究人员通过9栋住宅16,000小时的高分辨率(1分钟)环境与压差(ΔP)监测，首次验证了温度差驱动的烟囱效应(stack effect)在低风速(<0.25 m/s)条件下的精准预测性(偏差≤0.11 Pa)，揭示了风压效应预测的局限性。该研究为智能通风(smart ventilation)系统优化提供了关键理论基础。

　　

在当代城市环境中，人们约70%时间在室内度过，住宅建筑的空气渗透直接影响着室内污染物浓度和居民健康。尽管建筑规范如ASHRAE Standard 62.2已强制要求机械通风系统，但自然渗透仍是影响室内外空气交换的关键因素。传统渗透模型长期面临两大挑战：一是缺乏分钟级时间分辨率的验证数据，二是对风压效应(wind effect)的预测存在显著不确定性。这些局限使得基于环境参数的实时通风调控策略难以实施。

为突破这些瓶颈，科罗拉多州立大学的研究团队在《Indoor Environments》发表了创新性研究。该团队在9栋低层住宅中部署了高精度监测系统，包括：1）5分钟分辨率的温湿度传感器网络；2）1分钟分辨率的WeatherFlow气象站；3）Energy Conservatory DG1000微压差计（精度0.12 Pa）组成的ΔP监测阵列。通过独创的"Δ-ΔP"差分测量法，首次实现了烟囱效应与风压效应的解耦分析。

研究结果揭示：

1. 烟囱效应的精准预测性
   在低风速(<0.25 m/s)和供暖工况(室内温度>室外)下，理论最大烟囱压力(P_s,max
   )与实测值(ΔP_s,obs
   )的偏差仅0.11 Pa，平均绝对误差(MAE)<0.2 Pa，解释方差R²
   ≥0.92。这种预测精度可支持3%级别的气流估算，为智能通风控制提供了可靠参数。

2. 冷却工况的预测偏差
   当室外温度高于室内时，预测偏差增加约2倍。虽然数据量有限，但暗示了温度梯度方向可能影响密度差(ρ_o
   -ρ_i
   )的计算准确性，这需要后续研究验证。

3. 风压效应的不可预测性
   研究发现：

• 机场风速与现场风速的相关系数仅0.26-0.52
• 动态风压(P_w,dyn
  )与实测跨墙压差(ΔP_w,obs
  )的R²
  最高仅0.59
• 即使采用最严苛的屏蔽等级(Class V)，LBL模型仍高估风压影响
  建筑周边复杂的流场特征使得简单的地形分类(f_terr
  )和压力系数(C_p
  )难以准确描述实际工况。

1. Δ-ΔP的诊断价值
   研究证实差分压力测量可有效消除机械通风对压力监测的干扰（如Site E案例），这为建筑气密性诊断提供了新工具。

该研究的核心价值在于：首次通过实证数据划定了自然渗透预测的可行边界——在占观测时间35-73%的低风速供暖工况下，基于温度差的渗透预测具有工程级精度；而对风压主导的工况，则需要更复杂的CFD建模或现场监测。这些发现不仅修正了ASHRAE手册中关于自然驱动力的认知，更为"响应式通风"系统的设计提供了关键参数：当室外PM_2.5
突增时，系统可优先依据温度数据调控通风，而在大风预警期间则需切换至保守模式。

值得注意的是，研究团队特别指出传统"ACH50/20"经验法则的局限性，建议在标准修订中纳入时间分辨率的压力验证。正如Tami C. Bond等在讨论部分强调的："15,959小时的监测数据证明，住宅渗透并非完全不可预测，而是存在明确的‘可预测窗口期’"。这一认知突破为下一代建筑规范的智能化升级奠定了实证基础。