利用溫室大棚通風系統改善住宅內部空氣環境可行性研究

彭振,王學勇,鄧武,洪遠達,班淇超

利用溫室大棚通風系統改善住宅內部空氣環境可行性研究

彭振1,2,王學勇3*,鄧武2,4,洪遠達4,班淇超1

1. 青島理工大學 建筑與城鄉規劃學院, 山東 青島 266033 2. 寧波諾丁漢大學可持續建筑環境研究中心, 浙江 寧波 315100 3. 山東農業大學 水利土木工程學院, 山東 泰安 271018 4. 寧波諾丁漢大學 工程學院建筑及建筑環境系, 浙江 寧波 315100

本文結合綠色建筑理念，以溫室大棚室內部環境為基礎，提出將住宅的通風取暖與溫室大棚相結合，來提高住宅內部的熱舒適性和空氣質量。該研究主要選取定量研究的方法，首先對溫室大棚和住宅內部的環境進行測量，主要監測指標包括了溫度、濕度和PM濃度。同時對室外的環境進行監測。在對比分析內外指標關系的基礎上，利用熱工模擬對假設進行驗證。根據監測結果和模擬結果可以判定，利用溫室大棚內部空氣對住宅進行通風取暖是可行的，能夠大大提高住宅內部的熱舒適性。同時，農村住宅的節能改造和氣密性的提高對利用溫室大棚通風取暖是非常必要的。

溫室大棚; 農村住宅; 熱舒適性; 空氣質量; 顆粒污染物

2017年，十九大報告明確提出實施“健康中國”戰略，切實推進我國健康事業的發展。健康事業與人居環境密切相關，人類超過80%的時間是在室內環境中度過[1]，因此建筑的室內空氣質量和熱舒適性等健康性能直接影響著人的身心健康。當前，影響室內空氣質量和熱舒適性的因素主要有室外大氣污染、通風及供暖制冷的方式。

近些年，空氣污染已經成為我國最嚴重的環境污染問題之一[2]。主要的空氣污染物是可吸入顆粒物PMs-PM2.5和PM10[3]。PM2.5表示直徑在2.5 μm及以下的顆粒物；PM10表示直徑在10 μm及以下的顆粒物。這些細顆粒物粒徑小，面積大，易吸附有害有毒物質，并且能夠長時間懸浮于空氣中，其在空氣中的含量濃度越高，空氣污染越嚴重。近幾年，全國大部分省份的平均PM濃度均超出國家GB3095-2012《大氣環境質量標準》規定的一級和二級濃度限值[4]。

大氣污染隨之帶來的后果就是室內空氣污染。研究表明，中國有60%的人生活在室內空氣質量比較差的環境中[5]，且室內主要的污染物為PM2.5和PM10[6]。在氣密性等級較低的建筑中，室外的空氣污染物可以通過建筑圍護結構中存在的縫隙滲透到室內，從而降低室內的空氣質量[7]。現有研究顯示，建筑氣密性的提高對降低室外污染物的滲透具有明顯的作用[8]。但提高建筑氣密性的同時會減少進入室內的新風量，不能滿足室內的通風要求。尤其是室內CO2濃度會因為氣密性的提高而升高。所以在提高建筑氣密性的同時，建筑的通風方式需要重新設計。

除了室內空氣質量，室內熱舒適性是室內環境的另一個重要方面。隨著經濟的發展和國家規范標準的更新，我國建筑室內熱舒適性得到了提高。但是，研究表明室內熱舒適性問題仍然存在于很多建筑中[9]。

從能源消耗的角度，建筑室內空氣質量及室內熱舒適性與建筑能源消耗具有密切的關系。在我國，建筑供暖能源消耗占建筑總能源消耗的40%左右，制冷能源消耗占總能源消耗的20%左右[10]。近些年由于空氣污染，空氣凈化器的使用導致了建筑能源消耗的進一步增加。以北京為例，假設2018年，72.8%的北京家庭安裝了空氣凈化器，則導致的電力消耗增加值在2~4億kW·h之間[11]。

目前北方寒冷地區農村住宅多采用混合模式供暖，比如燃煤采暖、燃氣采暖、電采暖等。研究表明農村住宅的保溫隔熱性能和室內熱舒適性比較差，采暖效率不高，造成能源浪費和環境污染[12]。

針對室內空氣污染，人們普遍采用空氣凈化器來清潔空氣。但是研究表明，有些空氣凈化器并不能有效的清潔空氣[13]。另一方面，空氣凈化器消耗電力，對以煤炭為主要能源的我國來說，直接導致了煤炭消耗的增加，間接加劇了空氣污染物的排放，形成惡性循環。而且在一些人員密集的場所，CO2容易聚集，從而濃度升高，空氣質量下降，單靠空氣凈化器只能過濾掉部分污染物，無法稀釋CO2的濃度。所以空氣凈化器并不是有效解決室內空氣污染的辦法。

針對供暖制冷的方式和室內熱舒適性的問題，目前并沒有有效的手段去替代現有的系統。而且，大部分建筑的供暖制冷和通風系統均為獨立運行，無法同時解決室內熱舒適性問題和空氣質量問題。植物作為一種不需要消耗能源的“空氣凈化器”已經被廣泛驗證[14]。近些年，一些研究將植物和溫室效應結合使用，同時來改善建筑室內的空氣質量和降低建筑能源消耗。比如，加拿大圭爾夫大學在主教學樓的中庭建造了一個4層樓高的植物墻，每分鐘可以處理1133 m3的空氣，同時利用溫室作用，降低教學樓的能源消耗[15]。悉尼科技大學的研究人員則設計了會呼吸的植物墻來凈化空氣中的PMs，10 m2的植物墻可以處理1623.4 m3的空氣[16]。

國內的研究多專注于植物凈化空氣。比如周杰良等發現虎尾蘭等7種盆栽植物可以有效的去除空氣中的PMs[17]。李瑞雪等發現大葉黃楊對空氣的PMs具有很好的清除能力[18]。然而，這些研究只針對植物凈化空氣本身，植物和溫室效應并未結合在一起用來提高建筑室內的空氣質量和熱舒適性。

所以本文以鄉村住宅為研究對象，力求在鄉村住宅的現實背景條件下，利用溫室大棚建立一個集成通風系統，以提高冬季鄉村住宅室內空氣質量和熱舒適性。

1 研究內容

種植大棚是一種廣泛采用的蔬菜、瓜果和花卉的培養形式。在鄉村地區普遍存在。溫室大棚采用吸熱保溫的原理，一方面大棚的材料可以采光吸熱，另一方面也有保持溫度的作用，防止熱量損失。目前比較完善的溫室大棚具備供排水系統、溫控系統、輔助照明系統和濕度控制系統等。所以，此類溫室大棚一般具有恒定的溫濕度。同時，大部分溫室大棚是一體成型，不存在拼接的情況，氣密性較好，內部環境穩定，少有人員活動，加之室內植物數量較多，具備清潔的內部空氣條件。

鄉村地區的住宅多以一層的磚瓦平房為主，磚混結構，通常外墻不具有保溫層，墻體以240和370墻為主、外窗及門多采用單層木門窗或鋁合金門窗，加之粗糙的施工質量，所以住宅的整體保溫隔熱性能較差。但鄉村住宅通常人員密度較低，一戶三到五人，住宅功能劃分簡單明確，多為獨門獨戶，所以整體上對冷熱負荷及新風量的需求較小，且較容易做到合理控制?；谝陨蠈︵l村住宅和溫室大棚的分析，提出假設，利用溫室大棚內部空氣來為鄉村住宅提供供暖和新風需求，提高鄉村住宅的熱舒適性和空氣質量，同時對本研究的經濟價值做出評估。

2 研究方法

本項研究選取位于寒冷地區的一戶草莓種植大棚及種植戶的住宅為研究對象（圖1）。采取定量研究的方法，主要采用現場監測、軟件模擬對現狀和假設進行判定。現場監測分別針對溫室大棚和住宅內部的熱舒適環境和空氣質量進行監測。軟件模擬主要對假設模型進行模擬分析，對提出的解決方案進行判定。現場監測的指標包括溫度、濕度和主要室內污染物PM的濃度。由于設備受限和住宅內部人員相對較少，所以CO2及其他污染物不在監測范圍內。

圖 1 區位圖及住宅平面圖

2.1 定量研究：內部環境監測

草莓大棚長約100 m，寬度為20 m，平均高度為3.5 m。草莓大棚不存在人為送風，內部人員活動較少，晚上草莓大棚則被保溫棉覆蓋，輔助照明打開，在保證夜間溫度不會太低的同時促進植物進行光合作用，維持生長。

住宅緊鄰溫室大棚（圖1），為一層磚瓦平房，房齡12年，居住人數為4人。采用客廳燃煤取暖，外墻為240墻體，未貼保溫層，門窗采用鋁合金單層門窗。房屋整體保溫隔熱性能比較差。其平面布置見圖2。建筑面積為78.26 m2，北向臥室面積為7.82 m2，南向臥室7.81 m2，客廳39.70 m2，主臥12.05 m2。

為了驗證前期假設，首先要對草莓大棚內部及其周邊環境進行監測。監測周期為24 h，在大棚內部設置溫濕度監測點2處，PM濃度監測點2處。同時對住宅內部的熱舒適性和空氣質量進行監測，在住宅室內設置PM濃度監測點1處，溫濕度監測點1處。由于設備數量限制，溫室大棚的監測和住宅的監測分兩天進行。每次監測時都對室外溫濕度和PM濃度進行監測。監測指標的評價標準來自于國家現行規范。表1總結了溫度、濕度和PMs對應的國家標準限值。

表1 溫濕度及PM評價標準

2.2 定量研究：假設模型建立及軟件模擬

本項目選取IESVE進行模擬分析。IESVE是英國IES公司開發的集成化建筑模擬軟件。被英國特許建筑服務工程學會（CIBSE）和美國制冷與空調工程師學會(ASHRAE)認可[19]。熱工模擬分為兩個工況，工況1以實際構造參數為基準進行模擬分析。工況2以住宅建筑進行節能改造后的構造參數進行模擬分析。表2總結了部分模擬參數。工況2中，建筑構造增加了保溫層，使得傳熱系數滿足了當地居住建筑節能設計規范中要求的限值。室內送風量和室內熱得根據CIBSE Guide A和ASHRAE的推薦值，最終賦值為500 W和10 /L每人每秒。根據GB/T7107-2008《建筑外窗氣密性分級及其檢測方法》推薦的氣密性分級所對應的滲透風換氣量，對工況1~2的滲透風換氣次數分別賦值1.5次/h和0.5次/h。溫濕度輸入數據來自于溫室大棚的監測數據。需要指出的是，目前無法模擬PMs的濃度變化，所以住宅室內的PM濃度變化可在現有監測數據和文獻數據的基礎上進行預估。

表2 節能改造措施及建筑維護結構傳熱系數

3 監測結果

3.1 溫室大棚及外部環境監測結果

表3為溫室大棚及其當日外部環境的監測結果?？梢钥闯?，溫室大棚內的PM2.5和PM10的平均濃度分別為33 μg/m3和40 μg/m3。而對應的室外PM2.5和PM10的平均濃度為131 μg/m3和147 μg/m3。大棚內部的PM濃度值均小于國家標準要求的一級濃度限值。同時，室內PM濃度遠遠低于室外PM濃度。溫室大棚內的平均溫度和濕度分別為19.4 ℃和54.8%，均處于國家標準范圍內，而室外的平均溫度、濕度分別為12.5 ℃和39.8%。大棚內部的溫度、濕度均高于外部的溫度和濕度。

表3 溫室大棚及外部環境監測結果

3.2 溫室大棚及外部環境監測結果

表4為住宅室內及其當日外部環境的監測結果。可以看出，住宅室內的PM2.5和PM10的平均濃度分別為130 μg/m3和146 μg/m3。而對應的室外PM濃度分別為153 μg/m3和184 μg/m3?？梢钥闯?，室內外的PM濃度值均遠遠高于國家標準要求的限值。住宅室內的平均溫度和濕度分別為15 ℃和23%，而室外的平均溫度和濕度分別為12 ℃和25%，室內外的溫度和濕度相差不大。

表4 住宅及外部環境監測結果

3.3 模擬結果

將表3中的溫度和濕度作為初始條件賦給IESVE模型，可以得出表5中的數據。工況1的室內平均溫度為17.25 ℃，而工況2的室內平均溫度為22.02 ℃，兩者相差5 ℃。而工況1的濕度要高于工況2。這是由于溫室大棚內部的空氣進入到室內后，工況1的溫度升高幅度相比工況2較小。所以工況1中空氣濕度損失小。

表5 模擬結果

4 分析及討論

4.1 室內外PM濃度的關系

圖2 溫室大棚及住宅內部PM濃度與室外PM濃度的關系

圖2顯示了溫室大棚和住宅內部的PM濃度變化以及與室外PM濃度的關系?？梢钥闯觯彝釶M濃度在8:00起有一個較大的升高，一直維持到20:00。而溫室大棚內部的PM濃度相對比較穩定，曲線起伏不大。這很好的驗證了現有文獻中的結論：穩定且密封較好的空間內PM濃度相對較低。住宅內部PM濃度與室外PM濃度的曲線變化趨勢高度一致，可以斷定，由于住宅的氣密性較差，室外PM濃度是決定室內PM濃度的主要因素。

圖3顯示了溫室大棚、住宅內部的PM濃度與監測當日室外PM濃度的比值。溫室大棚內部PM濃度與室外PM濃度得比值處于0.21~0.39范圍內。而住宅內部PM濃度與室外PM濃度得比值則處于0.71~0.90之間。顯然，住宅內部PM濃度更容易受室外PM得影響。而溫室大棚由于密封性好，則可以將大部分的PM擋在室外，從而保持室內空氣的清潔。

圖 3 溫室大棚及住宅內部PM濃度與監測當日室外PM濃度的比值

4.2 室內外溫濕度的關系

圖4顯示了溫室大棚及住宅內部的溫濕度與監測當日室外溫濕度的關系?？梢钥闯?，溫室大棚內部溫度變化幅度大于室外溫度。比如，在11:00-15:00，溫室大棚內部溫度升高幅度高于室外溫度升高幅度，主要因為溫室大棚能夠更好的吸收室外太陽輻射。在夜間，溫室大棚內部有輔助照明，起到一定的溫度維持作用，大棚外部則采用保溫棉對溫室大棚進行保溫，所以內部溫度可以維持在一個穩定的狀態。而溫室大棚內部濕度變化較大，0:00-8:00處于較高的水平，很大一部分原因是種植戶通常會在上午對內部植物進行灌溉，所以濕度相對較大。而室外濕度由于冬季比較干燥，所以相對較低。同樣可以看出，住宅內部溫濕度變化和室外溫濕度變化則具有較高的一致性，變化幅度基本一樣。主要是因為住宅的氣密性太差，室內外滲透風導致的換氣次數較多造成。

圖 4 溫室大棚及室外周邊環境溫濕度監測結果

4.3 模擬結果與住宅溫濕度對比

圖5顯示了工況1和工況2的模擬結果與住宅室內測量值的關系。可以看出，不論濕度還是溫度，工況2的模擬結果更接近國家標準規定的舒適度范圍。而工況1由于住宅的氣密性和保溫隔熱性能太差，而使得模擬結果無法完全滿足室內舒適性溫濕度的要求。而由于溫室大棚的作用，工況1和工況2的溫濕度均比住宅現狀測量值更接近熱舒適性范圍。

圖5 工況1、工況2及室內測量溫濕度對比

4.4 室內PM值預測

在對建筑進行節能升級改造后，室內PM濃度可根據溫室大棚內部PM濃度進行預估。理論上，以10 L每人每秒的送風量送風，住宅室內空氣將在短時間內置換干凈，所以住宅室內的PM濃度會漸漸達到溫室大棚內部的PM濃度水平。當然這必須是在住宅的氣密性達到或超過溫室大棚氣密性的基礎上實現，同時忽略室內人員活動的影響。

升級改造后，住宅室內的PM濃度還可以通過溫室大棚內部PM濃度和室外PM濃度的比值進行預估。預估公式為：

其中，為室內預估PM濃度值，μg/m3；A為當地大氣PM濃度每月均值，μg/m3；為溫室大棚內部PM監測值，μg/m3；B為溫室大棚監測當天室外PM濃度值，μg/m3。

根據以上公式，以2018年住宅所處地點大氣PM濃度每月均值為例，計算得到室內PM濃度的均值（圖6）?？梢钥闯觯覂萈M2.5的濃度均小于35 μg/m3，室內PM10的濃度值均小于50 μg/m3，符合國家GB/T18883－2002《室內空氣質量標準》和GB3095-2012《環境空氣質量標準》的要求。

圖6 住宅室內PM濃度預估值

當然此預估值是在大氣污染月均值的基礎上計算得到，實際情況根據小時均值和日均值，有可能會出現大于國家規范要求的可能。但圖10的預估值仍然可以斷定，利用溫室大棚對空氣進行凈化后輸送到住宅室內，仍可大幅度降低室內PM濃度的水平。假如需要面對污染極其嚴重的情況，可采取的措施包括繼續提高溫室大棚和住宅的氣密性和增加溫室大棚內部植物的數量，以換得更加清潔得空氣。

4.5 經濟價值

此研究的經濟價值可使用回收期進行評價。目前住戶以燒煤取暖，采暖季煤炭使用量為1 t左右，市場價格為1000元。回收期計算可以采用式：

其中，為回收期，年；為年節省費用，元；為升級改造投入費用，元。

以工況2為基礎，只需對溫室大棚和住宅用管道相連，并安裝送風風扇，價格相對低廉?；厥掌诳梢灶A判在1~2年之間。若以工況1為基礎，根據當地建材價格，可以粗略估計保溫節能改造花費的價格為67900.8元。根據公式可計算得到此研究回收期為67年，回收期較長，經濟價值較低。這主要是因為住宅升級改造的費用太大。然而目前農村住宅的節能改造勢在必行，所以本研究對未來農村住宅的采暖通風仍然具有巨大的借鑒意義。

5 結 語

本研究對農村溫室大棚和住宅的室內環境進行監測，并使用軟件模擬的手段對以溫室大棚內部環境為基礎的送風系統進行計算分析。結果顯示對住宅建筑進行節能改造后，利用溫室大棚內部的空氣對住宅進行通風取暖，可以顯著提高住宅室內的熱舒適性和空氣質量。

本研究具有一定的局限性，比如，未對溫室大棚內部和住宅內部的其他污染物進行監測，如CO2濃度和有機污染物(VOCs)。同時，夜晚送風需要保證溫室大棚內部的植物處于光合作用狀態，以保證CO2濃度處于較低的水平，不然會造成住宅內部CO2濃度升高。同時，此項研究也可在其農村他建筑類型中推廣，如農村養老院、社區活動中心和鄉村診所等，未來研究可專注以上幾個方面。

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Study on the Feasibility Air Environment in Residences Improved by a Ventilating System in Greenhouse

PENG Zhen1,2, WANG Xue-yong3*, DENG Wu,2,4, HONG Yuan-da4, BAN Qi-chao1

1.266033,2.315100,3.271018,4.315100,

This paper proposes an integrated ventilation system for a rural house to improve indoor thermal comfort levels and the indoor air quality, based on an indoor environment of a greenhouse located in the cold climate zone of China. Research methods in this research included field measurements and dynamic thermal modelling. Field measurements were mainly used to measure the temperature performance, relativity humidity and particulate matter (PM) levels inside the greenhouse and the selected rural house. The ambient environment was also measured to provide a comparison with the indoor measurements. Dynamic thermal modelling was used to evaluate the performance of the proposed ventilation system. This study found that supplying air from the greenhouse to the rural house can significantly improve the levels of indoor thermal comfort and indoor air quality. Retrofitting with adding insulation to the external walls and roof, and replacing the window with double glazing or triple glazing are necessary.

Greenhouse; rural residential building; thermal comfort; indoor air quality; particulate matters

F590

A

1000-2324(2020)03-0565-07

10.3969/j.issn.1000-2324.2020.03.038

2019-02-09

2019--03-28

國家自然科學基金項目:基于數據挖掘與即時反饋的醫療建筑循證設計信息技術開發研究(51908300);山東省高等學校人文社科計劃項目(J17RA215);山東省藝術科學重點課題(ZD201906368,ZD201906442)

彭振(1987-),男,博士,副教授,研究方向為建筑技術. E-mail:pengzhen@qut.edu.cn

Author for correspondence. E-mail:wxy199@163.com