第三章 建筑环境中的空气环境 本章学习要点： 1. 掌握室内空气品质的概念及重要性 2. 掌握室内空气污染物的来源及防治 3. 掌握通风与气流分布对空气质量的影响 §3-1概述 一、室内空气环境的概念 室内空气环境主要由热环境、湿环境和空气品质等部分组成。热、湿环境将在第四章介绍。 良好的室内空气环境是一个为大多数室内成员认可的舒适的热湿环境、同时能够为室内人员提供新鲜宜人、激发活力的并且对健康无负面影响的高品质空气，已满足人体舒适健康的需要。 二、积极进行室内环境研究的原因 1. 室内环境是人们接触最频繁、最密切的环境之一。 2. 污染物的来源和种类日趋增多。 3. 建筑物密闭程度增加，使得室内污染物不易扩散，增加了室内人群与污染物的接触机会。 §3-2 室内污染的指标与来源 室内污染物来源分为：人员的活动、建筑与装饰材料、室内设施及室外带入。 种类：化学的、物理的、生物的。 广义上的污染物：固体颗粒、微生物、有害气体。 一、室内环境指标 （一）阈值及阈值的三种定义 阈值：是指空气中传播的物质的最大浓度，在该浓度下，日复一日地停留在这种环境中的所有工作人员几乎均无有害影响。一般有如下三种定义。 1. 时间加权平均阈值：正常的8h工作日与35h工作周的时间加权。 2. 短期暴露极限阈值：工作人员暴露时间为15min的最高允许浓度。 3. 最高极限阈值：即使瞬间也不能超过的浓度。 （二）室内空气品质 1. 室内空气品质（Indoor Air Quality）的定义 空气品质的概念在进20年中经历了许多变化，最初，人们把空气品质几乎完全等价于一系列污染物浓度的指标，然而近年来，人们认识到纯客观的定义已不能完全涵盖室内空气品质的内容。于是对室内空气品质的定义进行了不断地发展。 比较认可的是美国ASHRAE（美国供热制冷空调工程师学会）的定义： 1）良好的空气品质定义； 空气中没有已知的污染物达到公认的权威机构所确定的有害浓度指标，并且处于这种空气中的绝大多数人（≥80%）对此们没有表示不满意。 2）可接受的室内空气品质（Acceptable Indoor air quality）的定义： 空调空间中绝大多数人没有对室内空气表示不满意，并且空气中没有已知的污染物达到了可能对人体产生严重健康威胁的浓度。 3）感受到的可接受的室内空气品质(Acceptable perceived Indoor air quality)的定义 空调空间中绝大多数人没有因为气味或刺激性而表示不满。 ASHRAE（美国供热制冷空调工程师学会）定义的特点在于，它涵盖了客观指标和人的主观感受两方面的内容。 2. 室内空气品质的评价 (1) 评价的目的 1) 掌握室内空气质量变化状态、趋势； 2) 评价室内空气品质对人体健康的影响； 3) 为制定室内空气质量标准、空气污染控制提供科学依据。 (2) 评价的方法 1) 客观评价与主观评价相结合的综合评价法 ① 客观评价：选择有代表性的污染物作为评价指标，直接测量这些污染物的浓度来客观了解，评价室内空气品质。 代表性的污染物有：CO2、CO、甲醛。温度、湿度，风速、照度、噪声等指标。比较客观、准确、全面、误差小或无误差 ② 主观评价：通过对室内人员的询问得到的，即利用人的感觉器官对环境进行描述与评判工作。 a. 描述性评价：对室内品质的感受程度 b. 评判评价：室内人员对室内环境接受与否。 主观评价特点：以人的感觉为测定手段（人对环境的评价）或测试对象（环境对人的影响）的方法，误差不可避免，依据有时非常模糊。 2) IAQ等级的模糊综合评价 3) 应用CFD(Computational Fluid Dynamics)评价法 4) 通风效率和换气效率评价指标 5) 耗氧量（COD） 6) 达标评价法 3. 室内空气品质标准 室内空气品质标准是客观评价室内空气品质的主要依据。 建设部颁布的国家标准GB50325-2001，《民用建筑工程室内环境污染控制规范》，其中规定的民用建筑工程验收时，必须进行室内环境污染物浓度检测。 卫生部颁布的“室内空气质量卫生规范”——《室内空气中污染物浓度限值》、《公共场所卫生标准》、《公共场所卫生评价标准》 国家环保局颁布的《室内环境质量评价标准》 我国质量监督监测部门与环保部门制定了《室内空气质量标准》2003年3月1日执行。 我国的标准：三星级宾馆饭店：CO2浓度＜0.07%，可吸入颗粒物≤0.15mg/m3，室内细菌总数不超过1000cfu/ m3，详见教材P26表3-1 cfu（colony forming unit）菌落形成单位：在活菌培养计数时，由于菌体或聚集成团的多个菌体在固定培养基上生长繁殖所形成的集落。称为菌落形成单位，以表示活菌的数量。 日本今年的规定室内：CO2≤0.1% 俄罗斯：夏 细菌总数＜1500个/ m3 新鲜清洁空气 细菌总数＞2500个/ m3 污染空气 冬 细菌总数＜4500个/ m3 新鲜清洁空气 细菌总数＞7000个/ m3 污染空气 （三）室内环境品质 是指室内空气品质、舒适度、噪声、照明、社会心理压力、工作压力、工作区背景等因素对室内人员生理和心理上的单独和综合的作用。 室内环境品质对人的影响包括： 直接影响：指环境直接因素对人体健康及舒适的直接作用。如良好的照明，室内适宜的温湿度等的影响。 间接影响：指间接因素对人的积极与消极作用，如情绪的影响等。 二、室内空气污染的来源： 室外来源、室内来源、在室人员 （一）室外来源 来源：室外环境及其它室内环境中受污染的空气。 途径：门、窗、孔隙、管道缝隙。 主要污染物：SO2、NOx、烟雾、H2S等，这些污染物又来源于工业企业。交通运输工具，建筑物周围的锅炉、垃圾堆等，还有农药、化工燃料，泵，质量不合格的生活用水等。 （二）室内来源 1．由室内进行的燃料燃烧或加热而生成的 2．从室内使用的各种化工产品中释放 3．室内生物污染（室内适宜的热湿环境使微生物生长） 4．家用电器的电磁辐射 5．管理不善的暖通空调设备及系统 （三）在室人员形成的污染物来源 1．一氧化碳（CO） 来源：燃料的不完全燃烧；吸烟者吸入的烟气或香烟燃烧发出的烟气。 性质：无色，无味的气体，有毒 危害：窒息、死亡 阈值：3~5星级宾馆饭店≤5ppm 1~2星级宾馆饭店≤5ppm 普通饭店、招待所≤10ppm 2. 二氧化碳（CO2） 来源：人体的呼吸、有机物的燃烧等； 危害：降低O2浓度使人窒息。 3．烟草的烟气 主流烟气：吸烟者吸入的烟气 二次烟气：香烟燃烧发出的烟气 从香烟烟气的典型组成成分见P29表3-4得出结论： 烟气对被动吸烟者的危害比吸烟者更大。 4. 气味 来源：室内装饰物品、厨房、厕所、人体自身等。 臭气强度指标 人对气味的灵敏度：因人而异，不能只靠气味浓度随环境温度和湿度的变化而变化。 §3-3 空气污染物的种类及其所造成的污染 室内主要污染物的种类： 气体污染物：氡，甲醛，挥发性有机物（VOC） 悬浮颗粒物与微生物：悬浮颗粒物；空气微生物。 其它污染物：臭氧、烹调油烟、军团菌、尘螨。 一、气体污染物 （一）气体污染物的主要种类、来源及危害 1. 氡 (Rn Radon) 来源：①由于房屋地基土壤中含有镭可衰变成氡 ②从含镭的建筑材料中衰变而来（石块、花岗岩、水泥） 若来自土壤则地下室——低层——高层氡浓度降低。 性质：一种惰性放射性气体，由镭衰变而成，易于扩散，能溶于水和脂肪，在体温条件下，极易进入人体。 危害：导致肺癌的主要诱因之一，潜伏期15~40年。 防治措施： 在建房前进行地基选择时，有条件的可先请有关部门作氡的测试，然后采取降氡措施，个人购房时应考虑该因素。 建筑材料的选择时注意 在写字楼和家庭内装修中，要注意填平、密封地板和墙上的所有裂缝，地下室和一楼及室内氡含量比较多的房间更要注意，这种做法可以有效减少氡的析出。 做好室内的通风换气。 2. 甲醛（HCHO） 来源：室外：工业废气、汽车尾气、光化学烟雾等 室内：燃料和烟的不完全燃烧；建筑材料、装饰材料、生活用品等化工产品。 性质：一种挥发性有机化合物，无色、具有强烈的刺激性气味。 用途：是工业上主要用于生产树脂的原料，树脂用作胶合剂，人造板中使用胶合剂，因而含有甲醛。 影响因素：与污染源的释放量与释放规律有关，及室内温度、使用期限、通风等因素有关，温度与通风影响最大。 危害：异味、并刺激眼、呼吸道粘膜、咽喉等，引起眼红、眼痒、流泪、咽喉干燥等症状。 控制措施： ①改善生产工艺过程，减少甲醛的使用量，使产品中的含量降低。 ②先将产品烘烤，加速甲醛的释放，放到空旷处，释放甲醛后再投入市场。 ③加强室内的通风换气。 3. 挥发性有机物（VOC，TVOC） 主要发生源：家庭常用的化学品中的VOC的释放 家庭装饰材料中的VOC的释放，（见P32表3-6） 烟草烟雾中 危害：气味不佳、刺激、甚至恶心头疼等。 （二）气味——分子污染 通常以10亿分之一来计量。 二、悬浮颗粒物与微生物 （一）悬浮颗粒物（气挟物） 概念：空气中挟带的固体或液体的颗粒成为悬浮颗粒物 可吸入颗粒：粒径＜10μm 可吸入颗粒物的阈值：旅店：0.15mg/m3 商场：0.25mg/m3 检测方法：称重法，计数法（粒子计数期） ＜100个/cm3为清洁空气；＞500个/cm3为污染空气。 （二）空气微生物（气挟微生物） 大多数附着于固体或液体的颗粒上而悬浮于空气中，其中以咳嗽产生的飞沫等液体颗粒挟带的微生物最多。 监测中常以空气中细菌总数表征其清洁程度 测量：平皿暴露沉降法，误差大，单位：个/皿 撞击式采样器，监测精度高，单位：cfu/ m3 三、其它污染物 1. 臭氧 来源：室外的光化学烟雾及室内的电视机及复印机等，离子发生器。 性质：一种刺激性气体。 危害：异味，并刺激眼、呼吸道粘膜，引起肺气肿等。 2. 烹调油烟 3. 军团菌属 来源：存在于土壤中、水体中，如：贮水槽，输入管道等供水系统中，冷却塔各种贮水器中。 性质：荤兰氏阴性杆菌，需氧菌PH=6.9~7.0 危害：在体内产生血清反应，重者引起军团菌病。 4. 尘螨 §3-4 换气量与换气次数 防止室内空气污染保持室内空气质量的措施： 堵源——建筑设计与施工特别是围护结构材料选用中采用无害 节流——正确设计通风空调系统，严格运行管理和维护，使有害物产生量降至最低。 稀释——保证足够的新风量或通风换气量，稀释和排除室内气态有害物。 一、通风与空气调节 1. 通风的任务与作用 提供呼吸所需的新鲜空气 稀释室内气味和污染物，并排出室外 除去余热或余湿 2. 通风系统分类 按通风动力不同： 自然通风——室外风力，室内外温差造成的热压，不稳定，不可靠 机械通风——依靠风机造成的压力 按通风所承担的区域分 全面通风——对整个空间进行通风换气，使有害物浓度＜允许浓度 局部通风——将局部地点的有害物集中排出室外 3. 空气调节的意义 使空气达到所要求的状态，即对空气的温度、湿度、空气流动速度及洁净度等进行人工调节与控制，以满足人的舒适度及生产工艺过程的要求。 4. 空气调节系统的组成 空气处理设备：冷却、加热、加湿，除湿、净化 空气输送管道：风管道系统，接头、联接件。 空气分配装置：各种送风口、送风装置 冷、热源设备：制冷设备、热交换装置等 电气自动控制装置：自控仪表，设备等。 5. 空气系统的分类 按空气处理设备的设置情况分 集中系统 将各种空气处理设备都集中在一个空调机房内，适用于大空间的建筑，空气经集中处理后送往用风地点。 ② 半集中系统 除了有集中的空调机房外，还有分散在各空调房间内的二次处理设备（或称末端装置），适用于房间进深较小的房间。如：大型写字楼等 ③ 全分散系统 冷源、热源、空气处理设备都集中在一个箱体内，形成一个非常紧凑的空调系统，空调设备分散设置，适用于住宅楼。 二、全面通风的换气量 （一）通风稀释方程（风量、稀释时间、浓度之间的关系） 假设条件：室内污染物分布均匀  式中：G——全面通风量，m3/s C0——送风空气中污染物浓度，g/ m3 C——某时刻室内空气中污染物浓度，g/ m3 V——房间容积，m3 M——室内污染物散发量g/s 则  即  两边分别对 τ与C积分得：  ∴  即 ==exp() 当<1时，exp()收敛,对其进行级数展开，取前两相有: =1+ ∴ 为不稳定状态下的全面通风换气量计算式 同样也可以得到在给定风量情况下，任意时刻室内污染物的浓度  若室内初始污染物浓度为0，即 =0 = 当τ→∝ ， →0,则室内趋于稳定 =   即为将室内污染物浓度处理到稳定值所需的全面通风量 实际室内污染物分布不均匀： （K—安全系数） 换气量取决于：室内污染物允许浓度、室外污染物浓度、室内污染物发生量。 （二）换气量的确定 1．根据卫生标准确定换气量 通常：多种污染物同时在室内发散（特别是工业厂房），即当有数种溶剂的蒸气，或数种刺激性气体同时在室内发散时，全面通风量应按各种气体分别稀释至容许浓度所需的空气量的总合计算换气量。 实际上：对于一般的同时散发除上述气体之外的其它污染物的房间（一般为民用建筑）的换气量可通过分别计算各种污染物的稀释风量最大者为换气量。 工程实践中：常选取具有代表性的污染物允许浓度作为换气量确定的标准。 (1) 以室内CO2允许浓度为标准的必须换气量 (2) 以消除臭气为标准的必须换气量 (3) 控制烟臭的必要换气量 (4) 以氧气为标准的必要换气量 体积浓度>20% (5) 消除余热必要的换气量 (6) 消除余湿必要的换气量 (7) 空调房间的新风量 新风量>10% 且 ①补偿新风和保持室内正压所需新风量 ②保证各房间每人每小时所需新风量 2. 新风的通风标准 ASHRAE Standard 62-1989R 以CO2为指标只考虑了人为因素，未加入非人产生的污染物（如建筑材料家具和装修时释放的污染物）。为了保证人体的舒适和健康，到达最小新风量的要求引入了新风 通风标准的概念。 计算公式：  分析：当室内无人时，需要最小的新风量把室内非人产生的污染物降到 三. 换气次数 用换气次数计算换气量：当缺乏计算通风量的资料，如散入室内的污染物无法具体计算或有困难时，采用类似房间的换气次数的经验值进行计算。 n=G/V 次/h §3-5 通风与气流分布对空气质量的影响 一、自然通风的作用原理 自然通风的特点： ①不消耗机械力的自然通风是一种经济的通风形式 ②主要用于热车间及普通民用建筑排除余热的通风换气 ③室内外两侧存在不同的压力，压力高的空气会向压力低的方向流动 数学表达式为 即  （—流量系数<1）  m3/s  kg/s 如果已知窗孔两侧的压力差和窗孔的面积就可以求得通过该窗口的空气量L或G 热压作用下的自然通风 如图：  与温度t成反比 ∝ 关闭b无论最初窗孔a两侧的压差如何 由于空气的流动，最终将会有 ∴=0   图3-1 热压作用下的自然通风 讨论：①当室外温度低于室内温度时，时，则 如果窗孔b与窗孔a同时开启，空气由b流出室内静压降低窗孔a空气流入，当两窗孔流量相时室内静压保持稳定，这时就有自然风压作用下的风流流动，（ ②当室外温度高于室内温度时，时则 如果窗孔b与窗孔a同时开启，空气由b流入室内静压升高窗孔a空气流出，当两窗孔流量相同时室内静压保持稳定，这时同样有自然风压作用下的风流流动，（ 进风口与排风窗孔两侧压差之和与两孔的高度h及室内外空气密度差 有关，称为热压 余压的概念 室内某一点的压力值与室外同标高未受扰动的空气压力的差值成为该点的余压。仅为热压作用时，窗孔内外的压差即为窗孔内的余压 余压为正窗孔排风，余压为负窗孔进风，称为余压。 任一窗孔的余压  如果选窗孔a的中心为基准面，那么任何窗孔的余压等于窗孔a的余压与窗孔与窗孔a的高差和室内外密度差的乘积之和。 高差h’越大，余压值越大。余由a处的负值，b处的正值。在余为0平面称为中和面，在中和面上的窗孔无空气流动 PXa=Px0-h1（ρw-ρn）=-h1（ρw-ρn） PXa=Px0+h2（ρw-ρn）=h2（ρw-ρn）  图3-2 余压沿房间高度方向上的变化 多层建筑和高层建筑的余压分布 （三）风压作用下的自然通风 由建筑物对室外空气的影响，使建筑物周围气流分布发生变化，静压发生变化，这种静压的升高与降低称为风压。风压与建筑物的几何形状、室外风向有关。 风向一定时，建筑物外围结构上某一点的风压值  Pa K—空气动力系数，为正Pf为正；为负为负。 风压受风向和风速的影响较大，不稳定。 （四）风压、热压同时作用的自然通风。 某一建筑物受到风压与热压同时作用时，则窗孔的内外压差等于各窗孔余压与室外风压之差。 二、气流分布的确定 通风空调不仅需要足够的通风换气量，而且要有合理的气流分布组织。 即要了解新风是否进入呼吸区，室内空气更新的快慢如何，室内污染物转移出去的风速程度如何。 （一）自然通风的组织 1．良好的自然通风最好是组织穿堂风， 房屋穿堂风应满足的要求：① 气流线路应经过人的活动范围；②造成必要的风速，最好能使风速达到0.3-1.0m/s；③高预热污染物房间保证风量上气流稳定,线路短捷。 通风效果是否良好与周围环境有关。即主要与下列因素有关， ① 风向投射角：风向投射角与房屋墙面的法线交角。风向投射角越小，对房屋通风越有利。 ② 若风向投射角为0时，两排房屋的间距一般要达到前幢建筑物高度的4—5倍； ③ 当风向投射角不为0时，对室内风的流场范围和风速都有影响。 风向投射角对流场的影响 风向投射角α 室内风速降低值（%） 屋后漩涡区高度  00 300 450 600 0 13 30 50 3．75H 3H 5H 1．5H  2．为更好的组织自然通风,在建筑设计时应慎重考虑下列问题： (1) 正确选择建筑的朝向和间距 (2) 合理布置建筑群 (3) 选择合理的建筑平、剖面形式 (4) 合理确定开口面积与流量、门窗装置及通风构造措施。 （二）自然通风气流的定性分析 1. 房间开口的位置与面积对气流分布的影响 2. 开口的高低对气流分布的影响 门窗装置和通风构造措施 利用绿化改变气流状况 三、气流分布性能的评价 通风有效性——通风效率及换气效率的综合特性。 通风有效性取决于：气流分布特性、污染源分布特性以及二者的相互关系。 气流分布的均匀性及有效性的评价方法： 不均匀系数法（技术指标） 能量利用系数法（经济指标） 空气年龄与换气效率法 （一）不均匀系数法（技术指标） 方法： ①选工作区内的几个测点测t（温度），v（风速） ②求平均值（算术） 均方根偏差为  ③求不均匀系数 ④评价：,越小,气流均匀性越好. （二）能量利用系数法（经济指标） 考察气流分布方式的能量利用有效性 能量利用系数  式中： 为送风温度；为排风温度；为工作区设计温度 当时 ：表明送风经热交换吸收，室内预热达到室内温度而后排出室外 当时 ：排风温度高于送风温度 当时 ：表示投入的能量没有完全利用，往往由于短路而没有发挥送风量的排热作用 不同送风方式的值及值见教材图3-15 （三）空气年龄与换气效率法 1、空气年龄（空气寿命） 陈旧空气被新空气所代替的速度，通俗的讲，是空气在室内被测点上停留的时间 分为：房间平均的空气年龄 某测点的空气年龄 可确切测定，用示踪气体浓度自然衰减法测定。  A点的空气年龄  室内平均空气年龄 ——排出空气中示踪气体浓度 换气时间（置换室内全部现存空气时间）=2 名义时间常数（）——空气通过房间所需的最短时间是房间容积与单位时间换气量G之比  房间的送风和气流组织有三种典型方式（理想状态）： 活塞流（单向流）——空气入口处的空气最新鲜、出口处最为陈旧，这种方式的房间平均空气年龄为出口处的1/2。 完全混合流——此时室内平均浓度就等于排风口的浓度。 非完全混合流——介于上述两者之间，这种方式入口处空气最为新鲜出口处空气年龄在气流的死角处，空气最为陈旧。 只有在单向流中 = 2．换气效率 理论上最短的换气时间与实际换气时间之比为换气效率。  换气效率随的增长而降低 混合通风  置换通风 ~100% 只有在理想的活塞流时才有可能。 （四）通风效率（E） 定义：为排风口处污染物浓度与室内平均浓度之比 物理定义：指移出室内污染物的风速程度。 或当时  当用空气年龄与污染气流排出时间（）来表示  而  当污染物直接流向排出口时，最短，值愈大，愈好。