基于熱環(huán)境測試的可移動公共衛(wèi)生間通風(fēng)優(yōu)化方法研究

何亞玲 劉高藝 門靖舒 白楊 李瑞鑫

摘 要：本文基于實地監(jiān)測法對現(xiàn)有可移動公共衛(wèi)生間夏季室內(nèi)熱濕環(huán)境（包括溫度、相對濕度、風(fēng)速，這里主要針對溫度）變化規(guī)律進(jìn)行深入分析，找出影響其內(nèi)部環(huán)境品質(zhì)的主要因素，并基于相關(guān)結(jié)果，提出可移動公共衛(wèi)生間通風(fēng)優(yōu)化方法，以期提升移動公共衛(wèi)生間的使用舒適度。

關(guān)鍵詞：可移動公共衛(wèi)生間;熱濕環(huán)境;太陽能;煙囪效應(yīng);通風(fēng)

中圖分類號：TU834 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0116-03

Abstract： Based on the on-site monitoring method， this paper made a thorough analysis of the changing law of indoor thermal and humid environment （including temperature， relative humidity and wind speed） in mobile public toilets in summer， found out the main factors affecting their internal environmental quality， and based on the relevant results， put forward the optimization method of ventilation in mobile public toilet， in order to improve the comfort of mobile public toilets.

Keywords：mobile toilets;thermal and humidity of environment;solar energy;stack effect;aeration

作為中原城市群的中心城市——鄭州，具有人流量大、人員密集程度高的特點。由此，可移動公共衛(wèi)生間的使用較為廣泛。然而，可移動公共衛(wèi)生間在使用過程中，由于給排水工程、電力輸配等設(shè)施的使用限制，無法保證污染物及時排出，也無法保證機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的有效運行。這使得公共衛(wèi)生間內(nèi)部出現(xiàn)“臟、亂、差”的現(xiàn)象。鑒于此，本文以鄭州市一所具有代表性的單體組合式可移動公共衛(wèi)生間為研究對象，監(jiān)測公共衛(wèi)生間內(nèi)部各項溫度，對其變化規(guī)律進(jìn)行深入分析，找出影響公共衛(wèi)生間內(nèi)部環(huán)境品質(zhì)的主要因素。同時，基于分析結(jié)果，利用可再生能源強(qiáng)化耦合通風(fēng)優(yōu)化，改善內(nèi)部熱濕環(huán)境。

1 研究對象

本研究在采集大量可移動公共衛(wèi)生間樣本后，最終確立以位于鄭州市高新技術(shù)開發(fā)區(qū)蓮花街一所單體組合式可移動公共衛(wèi)生間為研究對象。公共衛(wèi)生間尺寸數(shù)據(jù)如表1所示。該可移動公共衛(wèi)生間包括5間無性別洗手間（附有1個大便池）、1間男洗手間（附有3個小便池）。各個洗手間又設(shè)有洗手盆、面鏡、廁位掛鉤等附屬設(shè)施。通風(fēng)構(gòu)造包括：條形百葉送、排風(fēng)口（上送風(fēng)）、機(jī)械排風(fēng)扇（未通電運轉(zhuǎn)，其中一間衛(wèi)生間未安裝排風(fēng)扇，只留有排風(fēng)扇安裝洞口）。

2 實地監(jiān)測

用科學(xué)的儀器和設(shè)備對測試對象室內(nèi)外空氣溫度、室內(nèi)屋面溫度、壁面溫度、地板溫度進(jìn)行測量，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。鑒于公共衛(wèi)生間的通風(fēng)狀況、環(huán)境問題在夏季尤為明顯，因此，取2018年8月21日至2018年8月24日為監(jiān)測周期。考慮到夏季公共衛(wèi)生間內(nèi)部熱環(huán)境受外部太陽輻射、污染物濃度隨時間變化的周期性以及公共衛(wèi)生間一天的使用率，取一日09：30至17：50為測試時段。相關(guān)學(xué)者在做熱環(huán)境測試時，為獲取較為真實可靠的測試數(shù)據(jù)，常采用戶外物理性的量測儀器。本研究采用視覺溫度計（FLUKE VT02 VISUAL IR THERMOMETER）、溫度濕度表（FLUKE 971 TEMPERATUER HUMIDITY METER）和5m長卷尺等專業(yè)儀器進(jìn)行測量。

3 測試數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

3.1 室內(nèi)外空氣溫度對比

室內(nèi)外空氣溫度對比結(jié)果見圖1。

從圖1可知，室內(nèi)外空氣溫度逐時變化趨勢大致相同，室內(nèi)相對室外稍有延遲;溫度峰值均出現(xiàn)在正午12：00左右;室外空氣溫度最高值為35.0℃，室內(nèi)為35.5℃，室內(nèi)空氣溫度普遍高于室外。這說明，室外因風(fēng)力作用，冷熱空氣產(chǎn)生對流，溫度相對低些。11：30室內(nèi)空氣溫度突然升高，且在11：30—14：30，室內(nèi)空氣溫度與室外空氣溫度持續(xù)維持在34℃以上。在該時段，能明顯感受到公共衛(wèi)生間內(nèi)部空氣悶熱、污染物（H2S、NH3）濃度升高，異味強(qiáng)烈。其中，12：00—13：00，室外空氣溫度出現(xiàn)一次波谷，但室內(nèi)空氣溫度持續(xù)下降，室內(nèi)空氣溫度來不及隨著室外空氣溫度的變化而變化，產(chǎn)生延遲。這說明圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的蓄熱能力差。15：00以后，太陽輻射減弱，風(fēng)力作用增強(qiáng)，室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)明顯改善。可見，室外風(fēng)力對室內(nèi)通風(fēng)具有積極作用。

3.2 圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度與室內(nèi)空氣溫度對比

從圖2可知，室內(nèi)屋面溫度、壁面溫度、地板溫度和空氣溫度逐時變化趨勢基本一致。在整個測量時段，垂直方向的溫度呈現(xiàn)分層現(xiàn)象。由于熱量傳遞的遲滯性，在垂直方向上，溫度由上而下延遲時間逐漸延緩。此外，室內(nèi)空氣溫度接近地板溫度。11：30—14：30，太陽輻射較為強(qiáng)烈，分層現(xiàn)象卻無初期顯著。這表明通風(fēng)效果不佳，未及時補(bǔ)充室外新鮮的冷空氣，導(dǎo)致室溫持續(xù)在34.0℃以上。其中，屋面接受太陽輻射概率最大，溫度最高。09：30—15：10，屋面溫度穩(wěn)定地維持在39.0℃以上。16：50之后，屋面溫度和壁面溫度基本重合。

4 可移動公共衛(wèi)生間通風(fēng)優(yōu)化方法

4.1 自然通風(fēng)

通風(fēng)是指用自然或機(jī)械的方法向某一房間或空間送入室外空氣，從某一房間或空間排出空氣的過程，送入的空氣可以是處理的，也可以是不經(jīng)處理的[1]。通風(fēng)主要包括自然通風(fēng)和機(jī)械通風(fēng)。筆者經(jīng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的可移動公共衛(wèi)生間多采用機(jī)械通風(fēng)（安裝排風(fēng)扇）。然而，移動式公共衛(wèi)生間最顯著的特點便是移動性強(qiáng)，在使用過程中，無法充分保證穩(wěn)定的電力資源供給以維持機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)的正常運行。此外，從相關(guān)規(guī)范可知[2]，公共廁所的通風(fēng)設(shè)計應(yīng)優(yōu)先考慮自然通風(fēng)，當(dāng)自然通風(fēng)不能滿足要求時，應(yīng)增設(shè)機(jī)械通風(fēng)。自然通風(fēng)主要依靠熱壓和風(fēng)壓的作用實現(xiàn)。熱壓作用下的自然通風(fēng)由室內(nèi)外溫度差引起，又稱“煙囪效應(yīng)”;風(fēng)壓作用下的自然通風(fēng)是指在建筑的迎風(fēng)面（正壓側(cè)）進(jìn)風(fēng)，背風(fēng)面（負(fù)壓側(cè)）排風(fēng)。但是，風(fēng)能的供應(yīng)具有隨機(jī)性，難以保證通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定運行，通過傳統(tǒng)的開門設(shè)窗的方式在可移動公共衛(wèi)生間這樣狹小的單體空間中實現(xiàn)自然通風(fēng)存在較大局限。鑒于此，本文將熱壓作用下的自然通風(fēng)融于可移動公共衛(wèi)生間的通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計中，通過合理的自然通風(fēng)設(shè)計，有效改善通風(fēng)效果，提升公共衛(wèi)生間的內(nèi)部環(huán)境品質(zhì)。

4.2 太陽能煙囪效應(yīng)的可行性

根據(jù)實地監(jiān)測，一天之中，太陽輻射作用從09：30開始增強(qiáng)。強(qiáng)烈的太陽能可作為熱壓自然通風(fēng)的最佳驅(qū)動力，利用這一優(yōu)勢，依靠太陽能通風(fēng)技術(shù)合理地組織和誘導(dǎo)室內(nèi)外氣流可實現(xiàn)良好的通風(fēng)效果。

太陽能通風(fēng)基于自然通風(fēng)原理：利用太陽能加熱空氣，增加空氣的熱壓驅(qū)動力，強(qiáng)化自然通風(fēng)。主要結(jié)構(gòu)形式有太陽能通風(fēng)墻（Solar-Induced Ventilation Wall，SIVW）、太陽能煙囪（Solar Chimney）等。學(xué)者盧敬彥[3]在關(guān)于太陽能通風(fēng)技術(shù)實驗研究中指出，在白天通風(fēng)時，太陽能煙囪單位集熱面面積的通風(fēng)量是204m3/h，太陽能通風(fēng)墻系統(tǒng)為185m3/h，太陽能通風(fēng)墻與煙囪結(jié)合系統(tǒng)為83m3/h。可見，采用太陽能煙囪通風(fēng)可獲取最大單位集熱面面積的通風(fēng)量。據(jù)此，本研究提出基于太陽能煙囪原理的復(fù)合通風(fēng)方法。

4.3 通風(fēng)優(yōu)化方法

太陽能煙囪效應(yīng)的特點是：由蓋板、吸熱板以及中間的空氣流道共同組成排風(fēng)系統(tǒng)[3]。目前，研究較多的太陽能煙囪結(jié)構(gòu)有三種：Trombe墻式太陽能煙囪、豎直式太陽能煙囪和傾斜式太陽能煙囪（如圖3所示）[4]。室內(nèi)外溫差和進(jìn)出風(fēng)口的高差越大，煙囪效應(yīng)越明顯。根據(jù)圍護(hù)結(jié)構(gòu)溫度與室內(nèi)空氣溫度對比實驗結(jié)果，垂直方向上屋面的逐時溫度遠(yuǎn)高于壁溫，可維持較大溫差。可移動公共衛(wèi)生間特有的單體空間結(jié)構(gòu)，易形成豎向空腔，滿足進(jìn)排風(fēng)口高差要求。傾斜式太陽能煙囪系統(tǒng)的使用利于可移動公共衛(wèi)生間外形美化及煙囪系統(tǒng)運行維護(hù)。通過綜合評判，本研究采用傾斜式太陽能煙囪通風(fēng)系統(tǒng)，同時在公共衛(wèi)生間門下部設(shè)置條形百葉進(jìn)風(fēng)口形成“下送風(fēng)上排風(fēng)”的氣流組織形式。工作原理為：強(qiáng)烈的太陽光投射到吸熱墻上，吸收大量太陽輻射的墻體，不斷加熱室內(nèi)空氣，溫度逐漸高于室外空氣，產(chǎn)生內(nèi)外密度差，在公共衛(wèi)生間內(nèi)下部形成負(fù)壓，上部形成正壓，完成熱壓到風(fēng)壓的轉(zhuǎn)換;同時，驅(qū)動公共衛(wèi)生間內(nèi)污濁的熱空氣向上流動、從排風(fēng)口排出，室外新鮮的冷空氣不斷從進(jìn)風(fēng)口被吸入。

夏季，公共衛(wèi)生間內(nèi)部的污染物（主要源于小便池的揮發(fā)物NH3和大便池的揮發(fā)物H2S）濃度隨著溫度的升高而升高，細(xì)菌的繁殖及其對有機(jī)物的分解加快，同時高溫環(huán)境也加速了揮發(fā)物的擴(kuò)散，導(dǎo)致污染加重。這種現(xiàn)象于11：30—14：30尤為嚴(yán)重。然而，此時屋面溫度高達(dá)40℃，太陽輻射作用十分強(qiáng)烈，熱壓驅(qū)動作用提升，通風(fēng)狀況可得到及時改善。15：30之后太陽輻射作用減弱，在夜間長波輻射作用下地表溫差增大，風(fēng)力加強(qiáng);太陽輻射作用增強(qiáng)時，情形反之。由此，可基于風(fēng)光互補(bǔ)原理的耦合強(qiáng)化通風(fēng)作用，優(yōu)化間歇通風(fēng)模式，彌補(bǔ)太陽能通風(fēng)技術(shù)的不足。此外，本文還發(fā)現(xiàn)，金屬雕花板是現(xiàn)有可移動公共衛(wèi)生間普遍采用的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料。由于該種蓄熱材料的蓄熱性能不佳，因此，11：30—14：30，室內(nèi)空氣溫度升高，濕度增大，加劇了細(xì)菌、病毒等有害物的滋生。可見，現(xiàn)有可移動公共衛(wèi)生間圍護(hù)結(jié)構(gòu)蓄熱性能有待改善。相變蓄熱是一種以相變儲能材料為基礎(chǔ)的高新儲能技術(shù)。主要分為熱化學(xué)儲熱、顯熱儲熱和相變儲熱。相變儲熱的儲熱密度是顯熱儲熱的5～10倍，甚至更高，具有溫度恒定和蓄熱密度大的優(yōu)點[5]。將相變蓄熱材料與圍護(hù)結(jié)構(gòu)有機(jī)結(jié)合，儲存多余的太陽光，可實現(xiàn)穩(wěn)定放熱，從而保證風(fēng)、光作用均減弱的情況下，通風(fēng)系統(tǒng)依然正常工作。

5 結(jié)語

太陽能煙囪效應(yīng)通風(fēng)優(yōu)化可幫助可移動式公共衛(wèi)生間實現(xiàn)自然通風(fēng);基于風(fēng)、光互補(bǔ)原理的耦合通風(fēng)模式彌補(bǔ)了太陽能利用的不足;相變蓄熱材料的融入進(jìn)一步保證通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸亞俊.暖通空調(diào)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2015.

[2]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.城市公共廁所設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)：CJJ 14—2016[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[3]盧敬彥.太陽能通風(fēng)技術(shù)實驗研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2008.

[4]雷先鵬，喻李葵，鄧啟紅.太陽能煙囪強(qiáng)化自然通風(fēng)的研究進(jìn)展[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2009（6）：34-37.

[5]賀鵬.具有相變蓄熱體的蓄熱換熱器研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2013.