建筑环境监测技术

文｜同济大学建筑设计院 陆明浩

1 建筑环境的指标形式

随着人们对生活居住品质要求的不断提高，建筑在满足了掩蔽性和安全性的要求后，人们关注的焦点已经转变为如何提高建筑内部环境的舒适性。

达到建筑内部环境舒适性看起来是一个非常简单的要求，然而想要在实际生活中为居住者提供舒适的条件，并且能同时达到节能的效果并非易事，需要综合考虑诸多因素。

建筑和建筑设备的主要功能之一就是创造和维持舒适的建筑环境。在创造和维持舒适环境的基础上达到绿色节能则是建筑智能技术的主要目的。但是，众所周知，影响建筑内部环境舒适性的因素非常广泛，它涉及到人的感官，即触觉、视觉、嗅觉和听觉。因此建筑设备系统的设计需要提供好的热环境、光环境和声环境，即新鲜的空气、温暖或凉爽的热环境、没有噪声或气味以及良好的视觉环境。而这些要求，又往往会带来空调能耗的变化以及照明能耗的变化。因此，将热舒适、视觉舒适和听觉舒适作为建筑环境的主要指标形式，并且通过智能传感器等智能监测技术，将不同地点、不同作用建筑的环境数据进行采集和保存，以对其他智能化系统，例如照明系统、遮阳系统等提供数据参数，使得上述系统得以优化运行，对于绿色建筑节能意义重大。

2 热舒适性及节能设计

热环境大致可以分为三个类别：

（1）热舒适度：是指大部分人对所处的热环境感到满意。这主要取决于人们主观上对所处热环境的意识状态。

（2）热烦躁度：是指人们开始感到不舒服，即开始觉得或冷、或热，但并未产生由于不舒适而引起的疾病症状，他们可能仅仅会觉得有些烦躁与疲倦。

（3）热应激：是指会导致人们出现明显的有潜在危害的疾病症状。例如：在过热环境中，人容易中暑；在过冷环境中，人容易冻伤。热应激往往会引发呼吸系统等问题，出现体温过低或过高的热环境情况。

热舒适性设计的实践指导可参考CIBSE（Chartered Institution of Building Services Engineers，英国皇家注册设备工程师协会）关于舒适性的指南（CIBSE Guide A，英国暖通设计手册）。

日常生活中，由于存在个体差异，在各种条件下要找到一个单一的指标来准确反映人体的舒适性是困难的。因此，在热舒适性的检测过程中，我们往往关注四个影响热舒适性的环境因素：

（1）温度

温度可分为空气温度、平均辐射温度、综合温度。

空气温度定义为空气的干球温度，通常是通过一个远离辐射热交换或不被辐射所影响的温度计来测量。由于普通的固定位置的玻璃水银温度计会受到外界的影响，例如周围的阳光、散热器的散热等，因此，它通常不能准确测量出空气温度。

空间中某点的平均辐射温度是衡量某点周围物体辐射和人体辐射之间相互影响的参数，即来自于周围空间各种固体表面和物体的辐射热交换的相互影响，例如墙壁、天花板等，以及周围空间其他各种辐射源，如散热器、灯具等。平均辐射温度可以通过空间中表面温度的情况进行测算，它不能直接被测量，但是可以通过使用黑球温度计测量出黑球温度，同时测量该点的空气温度和空气流速，继而计算出平均辐射温度。

综合温度（t0）由CIBSE提出，并用于国际标准和美国ASHRARE标准中（ASHRARE，American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，Inc.；美国采暖、制冷与空调工程师学会），是室内空气温度和平均辐射温度的合并体，通常被用来作为设计参数。它结合了对空气温度、辐射温度和一定程度空气流速的影响，其具体讨论和定义可参考CIBSE Guide A，但在实际应用中，当空气流速在0.1m/s左右时，综合温度可取空气温度和平均辐射温度的平均值。

t0 =（ ta+ tr ）/2

ta ——空气温度

tr ——平均辐射温度

值得一提的是在隔热性能较好且以对流方式供暖的建筑中，空气温度和平均辐射温度的差异（也可以是空气温度和综合温度的差异）通常很小。

（2）湿度

湿度是指空气中水分的含量，也就是大气中水蒸气的含量。湿度通常用某种条件下空气中水分的含量与该条件下相同温度和压力下空气中所含水分最大量的比值来表示，0%的湿度表示空气是完全的干燥，而100%的湿度则表示空气完全饱和，任何多余的水蒸气都会凝结。建筑设备工程中经常用相对湿度（RH）及饱和百分率来表示湿度。相对湿度常用于表示水蒸气压力的比值，而后者常用来计算在空调系统中需要增加或者去除的水分，从而通过加湿器或除湿器达到房间的湿度要求。

尽管湿度会影响空气品质，但是只要湿度不是在太干燥或者太潮湿的状态下，都可以通过改变环境散湿能力来适应，而不会受到影响。CIBSE Guide A推荐相对湿度应保持在40%～70%之间。

（3）空气流速

空气流动的速度和方向称为空气流速，对于热舒适性同样很重要。因为流速太高会引起冷风感，而流速太低会降低空气品质，使得某区域空气异味。

由于热量可以通过对流和蒸发从人体散失，因此流动的空气可能造成降温的效果。空气流速取决于温度和空气的流动方向。日常经验表明，即便是热空气，只要流速较高，也是可以接受的，然而对于冷空气，则即便是较低的流速也会引起吹风感。一般活动区中，舒适的空气流速定义在0.1～0.3m/s。

为了达到活动区域的空气流速，对于一定高度的出口，流速一般控制在小于3m/s的范围，具体取决于房间的高度，也就是说送风气流在进入人体活动区之前要先进行混合。为了保证所有运行状态下的舒适性，设计送风出口、送风方向以及送风温度时，都需要仔细计算。流动空气的温度一般介于室内空气温度和送风温度之间。

（4）空气品质

虽然目前还没有公认的衡量标准来评价空气品质，但良好工作场所的空气品质应该保证所在空间中没有明显的污染物，同时有足够的新风供给。目前，在热舒适性设计中，往往通过对二氧化碳浓度等数值的检测来控制新风机的启停与风量，而新风机的启停与风量又直接影响到空调系统的能耗。因此，空气品质的监测对绿色节能也有一定的意义。

在目前的设计中，我们针对不同的需要，给出以下的新风量：

为呼吸作用提供氧气：0.2l/p.h；稀释二氧化碳：1.0l/p.h；稀释居住者污染物：5l/p.h；给人新鲜感：10l/p.h。

除了上述的4个主要因素外，还有空气的温度梯度、局部辐射、冷热地板或吊顶等，均会对热舒适度产生影响。

表1给出的就是某些建筑的热舒适性节能标准，以供设计参考。

3 视觉舒适性及节能设计

（1）视觉舒适性

建筑照明的目的就是为了保障室内人员安全的工作与行动，同时合理的照明设计又能够使人身心愉悦。照明设计主要关注照度、亮度两方面。

表1 建筑热舒适性节能设计标准

光线到达物体表面单位面积上的光照总量称为照度，单位为lx。工作照度是指人们对于特定工作所需的光亮。办公室的工作照度为 300～500lx。

亮度是每单位发光区的光强度，与物体表面反射的光亮有关，取决于表面反射率和照度以及入射光线角度等，单位为CD/m2。

在视觉舒适性的检测过程中，我们所关注的影响视觉舒适性的主要环境因素有以下几方面：

◆ 照度，到达物体表面的光亮，通常采用照度传感器进行采集；

◆ 光分布，光源形式；

◆ 显色性要求；

◆ 眩光，较好的光照设计应减少或降低眩光，它可由过度强光或反射引起；

◆ 不均匀性；

◆ 阴影；

◆ 闪烁：光输出的持续不稳定，会引起眼部疲劳和头痛。

（2）视觉舒适性设计标准

表2给出的就是某些建筑的视觉舒适性标准，以供设计参考。

表2 建筑视觉舒适性节能设计标准

4 听觉舒适性及节能设计

（1）听觉舒适性

听觉舒适主要的要求是足够安静的环境，以便工作时不受干扰，即没有噪声和振动。声音是一种音感，是由一些振源引起的空气压力变化所产生。人的听力系统只对20～20000Hz的声音有反应，其精确范围因人而异。声压是由听力系统从2×10-5～200N/m2的声音测出的，2×10-5N/m2的是通常能听见的最轻声音，而200N/m2则可能导致瞬间听力损伤。

影响听觉舒适性的环境因素主要通过两种途径来表现：

◆ 空气传声：声音大部分通过空气传入耳朵，因此从外部噪声源来的声音进入一个建筑，不仅可以通过打开的窗户，而且还可以透过任何裂缝和结构上的缝隙传入耳朵。内部噪声能够穿越空间，并通过吊顶空隙和通风管道传播；

◆ 结构传声：振动通过固体结构传播，然后被感知，或者在固体界面处进入空气传声。其振源包括机械或引起振动的任何情况，比如坚硬地板上的脚步。

减少噪声最有效的方法就是控制噪声源。一般情况下，我们通过声压传感器来进行数据采集，同时根据不同建筑、不同功能区对声压的标准，进行其他系统的联动以限制噪声的传播。

（2）听觉舒适性设计标准

表3给出的就是某些建筑的听觉舒适性标准，以供设计参考。

表3 建筑听觉舒适性节能设计标准

5 建筑环境监测技术展望

在建筑环境监测系统的设计过程中，我们往往围绕着上述指标，针对不同的工程，有侧重点的选择环境参数，制定不同的监测方案、确定适合的监测模型，并通过相应程序对环境数据进行比对和处理，继而对建筑设备进行控制。

其实，不难发现我们在节能设计过程中，虽然建筑环境监测系统对建筑节能并没有产生直接的影响，但是它的作用不容忽视。原因就在于，通过建筑环境监测技术的应用，我们可以为其他节能技术提供实时（阶段性）数据，为他们的优化运行提供有利的数据保障。我们坚信，随着绿色建筑的发展、智能化技术的提高、节能意识的加强，建筑环境监测技术的作用将越发显得重要。