建筑環境監測技術

文｜同濟大學建筑設計院 陸明浩

1 建筑環境的指標形式

隨著人們對生活居住品質要求的不斷提高，建筑在滿足了掩蔽性和安全性的要求后，人們關注的焦點已經轉變為如何提高建筑內部環境的舒適性。

達到建筑內部環境舒適性看起來是一個非常簡單的要求，然而想要在實際生活中為居住者提供舒適的條件，并且能同時達到節能的效果并非易事，需要綜合考慮諸多因素。

建筑和建筑設備的主要功能之一就是創造和維持舒適的建筑環境。在創造和維持舒適環境的基礎上達到綠色節能則是建筑智能技術的主要目的。但是，眾所周知，影響建筑內部環境舒適性的因素非常廣泛，它涉及到人的感官，即觸覺、視覺、嗅覺和聽覺。因此建筑設備系統的設計需要提供好的熱環境、光環境和聲環境，即新鮮的空氣、溫暖或涼爽的熱環境、沒有噪聲或氣味以及良好的視覺環境。而這些要求，又往往會帶來空調能耗的變化以及照明能耗的變化。因此，將熱舒適、視覺舒適和聽覺舒適作為建筑環境的主要指標形式，并且通過智能傳感器等智能監測技術，將不同地點、不同作用建筑的環境數據進行采集和保存，以對其他智能化系統，例如照明系統、遮陽系統等提供數據參數，使得上述系統得以優化運行，對于綠色建筑節能意義重大。

2 熱舒適性及節能設計

熱環境大致可以分為三個類別：

（1）熱舒適度：是指大部分人對所處的熱環境感到滿意。這主要取決于人們主觀上對所處熱環境的意識狀態。

（2）熱煩躁度：是指人們開始感到不舒服，即開始覺得或冷、或熱，但并未產生由于不舒適而引起的疾病癥狀，他們可能僅僅會覺得有些煩躁與疲倦。

（3）熱應激：是指會導致人們出現明顯的有潛在危害的疾病癥狀。例如：在過熱環境中，人容易中暑；在過冷環境中，人容易凍傷。熱應激往往會引發呼吸系統等問題，出現體溫過低或過高的熱環境情況。

熱舒適性設計的實踐指導可參考CIBSE（Chartered Institution of Building Services Engineers，英國皇家注冊設備工程師協會）關于舒適性的指南（CIBSE Guide A，英國暖通設計手冊）。

日常生活中，由于存在個體差異，在各種條件下要找到一個單一的指標來準確反映人體的舒適性是困難的。因此，在熱舒適性的檢測過程中，我們往往關注四個影響熱舒適性的環境因素：

（1）溫度

溫度可分為空氣溫度、平均輻射溫度、綜合溫度。

空氣溫度定義為空氣的干球溫度，通常是通過一個遠離輻射熱交換或不被輻射所影響的溫度計來測量。由于普通的固定位置的玻璃水銀溫度計會受到外界的影響，例如周圍的陽光、散熱器的散熱等，因此，它通常不能準確測量出空氣溫度。

空間中某點的平均輻射溫度是衡量某點周圍物體輻射和人體輻射之間相互影響的參數，即來自于周圍空間各種固體表面和物體的輻射熱交換的相互影響，例如墻壁、天花板等，以及周圍空間其他各種輻射源，如散熱器、燈具等。平均輻射溫度可以通過空間中表面溫度的情況進行測算，它不能直接被測量，但是可以通過使用黑球溫度計測量出黑球溫度，同時測量該點的空氣溫度和空氣流速，繼而計算出平均輻射溫度。

綜合溫度（t0）由CIBSE提出，并用于國際標準和美國ASHRARE標準中（ASHRARE，American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，Inc.；美國采暖、制冷與空調工程師學會），是室內空氣溫度和平均輻射溫度的合并體，通常被用來作為設計參數。它結合了對空氣溫度、輻射溫度和一定程度空氣流速的影響，其具體討論和定義可參考CIBSE Guide A，但在實際應用中，當空氣流速在0.1m/s左右時，綜合溫度可取空氣溫度和平均輻射溫度的平均值。

t0 =（ ta+ tr ）/2

ta ——空氣溫度

tr ——平均輻射溫度

值得一提的是在隔熱性能較好且以對流方式供暖的建筑中，空氣溫度和平均輻射溫度的差異（也可以是空氣溫度和綜合溫度的差異）通常很小。

（2）濕度

濕度是指空氣中水分的含量，也就是大氣中水蒸氣的含量。濕度通常用某種條件下空氣中水分的含量與該條件下相同溫度和壓力下空氣中所含水分最大量的比值來表示，0%的濕度表示空氣是完全的干燥，而100%的濕度則表示空氣完全飽和，任何多余的水蒸氣都會凝結。建筑設備工程中經常用相對濕度（RH）及飽和百分率來表示濕度。相對濕度常用于表示水蒸氣壓力的比值，而后者常用來計算在空調系統中需要增加或者去除的水分，從而通過加濕器或除濕器達到房間的濕度要求。

盡管濕度會影響空氣品質，但是只要濕度不是在太干燥或者太潮濕的狀態下，都可以通過改變環境散濕能力來適應，而不會受到影響。CIBSE Guide A推薦相對濕度應保持在40%～70%之間。

（3）空氣流速

空氣流動的速度和方向稱為空氣流速，對于熱舒適性同樣很重要。因為流速太高會引起冷風感，而流速太低會降低空氣品質，使得某區域空氣異味。

由于熱量可以通過對流和蒸發從人體散失，因此流動的空氣可能造成降溫的效果?？諝饬魉偃Q于溫度和空氣的流動方向。日常經驗表明，即便是熱空氣，只要流速較高，也是可以接受的，然而對于冷空氣，則即便是較低的流速也會引起吹風感。一般活動區中，舒適的空氣流速定義在0.1～0.3m/s。

為了達到活動區域的空氣流速，對于一定高度的出口，流速一般控制在小于3m/s的范圍，具體取決于房間的高度，也就是說送風氣流在進入人體活動區之前要先進行混合。為了保證所有運行狀態下的舒適性，設計送風出口、送風方向以及送風溫度時，都需要仔細計算。流動空氣的溫度一般介于室內空氣溫度和送風溫度之間。

（4）空氣品質

雖然目前還沒有公認的衡量標準來評價空氣品質，但良好工作場所的空氣品質應該保證所在空間中沒有明顯的污染物，同時有足夠的新風供給。目前，在熱舒適性設計中，往往通過對二氧化碳濃度等數值的檢測來控制新風機的啟停與風量，而新風機的啟停與風量又直接影響到空調系統的能耗。因此，空氣品質的監測對綠色節能也有一定的意義。

在目前的設計中，我們針對不同的需要，給出以下的新風量：

為呼吸作用提供氧氣：0.2l/p.h；稀釋二氧化碳：1.0l/p.h；稀釋居住者污染物：5l/p.h；給人新鮮感：10l/p.h。

除了上述的4個主要因素外，還有空氣的溫度梯度、局部輻射、冷熱地板或吊頂等，均會對熱舒適度產生影響。

表1給出的就是某些建筑的熱舒適性節能標準，以供設計參考。

3 視覺舒適性及節能設計

（1）視覺舒適性

建筑照明的目的就是為了保障室內人員安全的工作與行動，同時合理的照明設計又能夠使人身心愉悅。照明設計主要關注照度、亮度兩方面。

表1 建筑熱舒適性節能設計標準

光線到達物體表面單位面積上的光照總量稱為照度，單位為lx。工作照度是指人們對于特定工作所需的光亮。辦公室的工作照度為 300～500lx。

亮度是每單位發光區的光強度，與物體表面反射的光亮有關，取決于表面反射率和照度以及入射光線角度等，單位為CD/m2。

在視覺舒適性的檢測過程中，我們所關注的影響視覺舒適性的主要環境因素有以下幾方面：

◆ 照度，到達物體表面的光亮，通常采用照度傳感器進行采集；

◆ 光分布，光源形式；

◆ 顯色性要求；

◆ 眩光，較好的光照設計應減少或降低眩光，它可由過度強光或反射引起；

◆ 不均勻性；

◆ 陰影；

◆ 閃爍：光輸出的持續不穩定，會引起眼部疲勞和頭痛。

（2）視覺舒適性設計標準

表2給出的就是某些建筑的視覺舒適性標準，以供設計參考。

表2 建筑視覺舒適性節能設計標準

4 聽覺舒適性及節能設計

（1）聽覺舒適性

聽覺舒適主要的要求是足夠安靜的環境，以便工作時不受干擾，即沒有噪聲和振動。聲音是一種音感，是由一些振源引起的空氣壓力變化所產生。人的聽力系統只對20～20000Hz的聲音有反應，其精確范圍因人而異。聲壓是由聽力系統從2×10-5～200N/m2的聲音測出的，2×10-5N/m2的是通常能聽見的最輕聲音，而200N/m2則可能導致瞬間聽力損傷。

影響聽覺舒適性的環境因素主要通過兩種途徑來表現：

◆ 空氣傳聲：聲音大部分通過空氣傳入耳朵，因此從外部噪聲源來的聲音進入一個建筑，不僅可以通過打開的窗戶，而且還可以透過任何裂縫和結構上的縫隙傳入耳朵。內部噪聲能夠穿越空間，并通過吊頂空隙和通風管道傳播；

◆ 結構傳聲：振動通過固體結構傳播，然后被感知，或者在固體界面處進入空氣傳聲。其振源包括機械或引起振動的任何情況，比如堅硬地板上的腳步。

減少噪聲最有效的方法就是控制噪聲源。一般情況下，我們通過聲壓傳感器來進行數據采集，同時根據不同建筑、不同功能區對聲壓的標準，進行其他系統的聯動以限制噪聲的傳播。

（2）聽覺舒適性設計標準

表3給出的就是某些建筑的聽覺舒適性標準，以供設計參考。

表3 建筑聽覺舒適性節能設計標準

5 建筑環境監測技術展望

在建筑環境監測系統的設計過程中，我們往往圍繞著上述指標，針對不同的工程，有側重點的選擇環境參數，制定不同的監測方案、確定適合的監測模型，并通過相應程序對環境數據進行比對和處理，繼而對建筑設備進行控制。

其實，不難發現我們在節能設計過程中，雖然建筑環境監測系統對建筑節能并沒有產生直接的影響，但是它的作用不容忽視。原因就在于，通過建筑環境監測技術的應用，我們可以為其他節能技術提供實時（階段性）數據，為他們的優化運行提供有利的數據保障。我們堅信，隨著綠色建筑的發展、智能化技術的提高、節能意識的加強，建筑環境監測技術的作用將越發顯得重要。