利用温室大棚通风系统改善住宅内部空气环境可行性研究

彭振,王学勇,邓武,洪远达,班淇超

利用温室大棚通风系统改善住宅内部空气环境可行性研究

彭振1,2,王学勇3*,邓武2,4,洪远达4,班淇超1

1. 青岛理工大学 建筑与城乡规划学院, 山东 青岛 266033 2. 宁波诺丁汉大学可持续建筑环境研究中心, 浙江 宁波 315100 3. 山东农业大学 水利土木工程学院, 山东 泰安 271018 4. 宁波诺丁汉大学 工程学院建筑及建筑环境系, 浙江 宁波 315100

本文结合绿色建筑理念，以温室大棚室内部环境为基础，提出将住宅的通风取暖与温室大棚相结合，来提高住宅内部的热舒适性和空气质量。该研究主要选取定量研究的方法，首先对温室大棚和住宅内部的环境进行测量，主要监测指标包括了温度、湿度和PM浓度。同时对室外的环境进行监测。在对比分析内外指标关系的基础上，利用热工模拟对假设进行验证。根据监测结果和模拟结果可以判定，利用温室大棚内部空气对住宅进行通风取暖是可行的，能够大大提高住宅内部的热舒适性。同时，农村住宅的节能改造和气密性的提高对利用温室大棚通风取暖是非常必要的。

温室大棚; 农村住宅; 热舒适性; 空气质量; 颗粒污染物

2017年，十九大报告明确提出实施“健康中国”战略，切实推进我国健康事业的发展。健康事业与人居环境密切相关，人类超过80%的时间是在室内环境中度过[1]，因此建筑的室内空气质量和热舒适性等健康性能直接影响着人的身心健康。当前，影响室内空气质量和热舒适性的因素主要有室外大气污染、通风及供暖制冷的方式。

近些年，空气污染已经成为我国最严重的环境污染问题之一[2]。主要的空气污染物是可吸入颗粒物PMs-PM2.5和PM10[3]。PM2.5表示直径在2.5 μm及以下的颗粒物；PM10表示直径在10 μm及以下的颗粒物。这些细颗粒物粒径小，面积大，易吸附有害有毒物质，并且能够长时间悬浮于空气中，其在空气中的含量浓度越高，空气污染越严重。近几年，全国大部分省份的平均PM浓度均超出国家GB3095-2012《大气环境质量标准》规定的一级和二级浓度限值[4]。

大气污染随之带来的后果就是室内空气污染。研究表明，中国有60%的人生活在室内空气质量比较差的环境中[5]，且室内主要的污染物为PM2.5和PM10[6]。在气密性等级较低的建筑中，室外的空气污染物可以通过建筑围护结构中存在的缝隙渗透到室内，从而降低室内的空气质量[7]。现有研究显示，建筑气密性的提高对降低室外污染物的渗透具有明显的作用[8]。但提高建筑气密性的同时会减少进入室内的新风量，不能满足室内的通风要求。尤其是室内CO2浓度会因为气密性的提高而升高。所以在提高建筑气密性的同时，建筑的通风方式需要重新设计。

除了室内空气质量，室内热舒适性是室内环境的另一个重要方面。随着经济的发展和国家规范标准的更新，我国建筑室内热舒适性得到了提高。但是，研究表明室内热舒适性问题仍然存在于很多建筑中[9]。

从能源消耗的角度，建筑室内空气质量及室内热舒适性与建筑能源消耗具有密切的关系。在我国，建筑供暖能源消耗占建筑总能源消耗的40%左右，制冷能源消耗占总能源消耗的20%左右[10]。近些年由于空气污染，空气净化器的使用导致了建筑能源消耗的进一步增加。以北京为例，假设2018年，72.8%的北京家庭安装了空气净化器，则导致的电力消耗增加值在2~4亿kW·h之间[11]。

目前北方寒冷地区农村住宅多采用混合模式供暖，比如燃煤采暖、燃气采暖、电采暖等。研究表明农村住宅的保温隔热性能和室内热舒适性比较差，采暖效率不高，造成能源浪费和环境污染[12]。

针对室内空气污染，人们普遍采用空气净化器来清洁空气。但是研究表明，有些空气净化器并不能有效的清洁空气[13]。另一方面，空气净化器消耗电力，对以煤炭为主要能源的我国来说，直接导致了煤炭消耗的增加，间接加剧了空气污染物的排放，形成恶性循环。而且在一些人员密集的场所，CO2容易聚集，从而浓度升高，空气质量下降，单靠空气净化器只能过滤掉部分污染物，无法稀释CO2的浓度。所以空气净化器并不是有效解决室内空气污染的办法。

针对供暖制冷的方式和室内热舒适性的问题，目前并没有有效的手段去替代现有的系统。而且，大部分建筑的供暖制冷和通风系统均为独立运行，无法同时解决室内热舒适性问题和空气质量问题。植物作为一种不需要消耗能源的“空气净化器”已经被广泛验证[14]。近些年，一些研究将植物和温室效应结合使用，同时来改善建筑室内的空气质量和降低建筑能源消耗。比如，加拿大圭尔夫大学在主教学楼的中庭建造了一个4层楼高的植物墙，每分钟可以处理1133 m³的空气，同时利用温室作用，降低教学楼的能源消耗[15]。悉尼科技大学的研究人员则设计了会呼吸的植物墙来净化空气中的PMs，10 m2的植物墙可以处理1623.4 m3的空气[16]。

国内的研究多专注于植物净化空气。比如周杰良等发现虎尾兰等7种盆栽植物可以有效的去除空气中的PMs[17]。李瑞雪等发现大叶黄杨对空气的PMs具有很好的清除能力[18]。然而，这些研究只针对植物净化空气本身，植物和温室效应并未结合在一起用来提高建筑室内的空气质量和热舒适性。

所以本文以乡村住宅为研究对象，力求在乡村住宅的现实背景条件下，利用温室大棚建立一个集成通风系统，以提高冬季乡村住宅室内空气质量和热舒适性。

1 研究内容

种植大棚是一种广泛采用的蔬菜、瓜果和花卉的培养形式。在乡村地区普遍存在。温室大棚采用吸热保温的原理，一方面大棚的材料可以采光吸热，另一方面也有保持温度的作用，防止热量损失。目前比较完善的温室大棚具备供排水系统、温控系统、辅助照明系统和湿度控制系统等。所以，此类温室大棚一般具有恒定的温湿度。同时，大部分温室大棚是一体成型，不存在拼接的情况，气密性较好，内部环境稳定，少有人员活动，加之室内植物数量较多，具备清洁的内部空气条件。

乡村地区的住宅多以一层的砖瓦平房为主，砖混结构，通常外墙不具有保温层，墙体以240和370墙为主、外窗及门多采用单层木门窗或铝合金门窗，加之粗糙的施工质量，所以住宅的整体保温隔热性能较差。但乡村住宅通常人员密度较低，一户三到五人，住宅功能划分简单明确，多为独门独户，所以整体上对冷热负荷及新风量的需求较小，且较容易做到合理控制。基于以上对乡村住宅和温室大棚的分析，提出假设，利用温室大棚内部空气来为乡村住宅提供供暖和新风需求，提高乡村住宅的热舒适性和空气质量，同时对本研究的经济价值做出评估。

2 研究方法

本项研究选取位于寒冷地区的一户草莓种植大棚及种植户的住宅为研究对象（图1）。采取定量研究的方法，主要采用现场监测、软件模拟对现状和假设进行判定。现场监测分别针对温室大棚和住宅内部的热舒适环境和空气质量进行监测。软件模拟主要对假设模型进行模拟分析，对提出的解决方案进行判定。现场监测的指标包括温度、湿度和主要室内污染物PM的浓度。由于设备受限和住宅内部人员相对较少，所以CO2及其他污染物不在监测范围内。

图 1 区位图及住宅平面图

2.1 定量研究：内部环境监测

草莓大棚长约100 m，宽度为20 m，平均高度为3.5 m。草莓大棚不存在人为送风，内部人员活动较少，晚上草莓大棚则被保温棉覆盖，辅助照明打开，在保证夜间温度不会太低的同时促进植物进行光合作用，维持生长。

住宅紧邻温室大棚（图1），为一层砖瓦平房，房龄12年，居住人数为4人。采用客厅燃煤取暖，外墙为240墙体，未贴保温层，门窗采用铝合金单层门窗。房屋整体保温隔热性能比较差。其平面布置见图2。建筑面积为78.26 m2，北向卧室面积为7.82 m2，南向卧室7.81 m2，客厅39.70 m2，主卧12.05 m2。

为了验证前期假设，首先要对草莓大棚内部及其周边环境进行监测。监测周期为24 h，在大棚内部设置温湿度监测点2处，PM浓度监测点2处。同时对住宅内部的热舒适性和空气质量进行监测，在住宅室内设置PM浓度监测点1处，温湿度监测点1处。由于设备数量限制，温室大棚的监测和住宅的监测分两天进行。每次监测时都对室外温湿度和PM浓度进行监测。监测指标的评价标准来自于国家现行规范。表1总结了温度、湿度和PMs对应的国家标准限值。

表1 温湿度及PM评价标准

2.2 定量研究：假设模型建立及软件模拟

本项目选取IESVE进行模拟分析。IESVE是英国IES公司开发的集成化建筑模拟软件。被英国特许建筑服务工程学会（CIBSE）和美国制冷与空调工程师学会(ASHRAE)认可[19]。热工模拟分为两个工况，工况1以实际构造参数为基准进行模拟分析。工况2以住宅建筑进行节能改造后的构造参数进行模拟分析。表2总结了部分模拟参数。工况2中，建筑构造增加了保温层，使得传热系数满足了当地居住建筑节能设计规范中要求的限值。室内送风量和室内热得根据CIBSE Guide A和ASHRAE的推荐值，最终赋值为500 W和10 /L每人每秒。根据GB/T7107-2008《建筑外窗气密性分级及其检测方法》推荐的气密性分级所对应的渗透风换气量，对工况1~2的渗透风换气次数分别赋值1.5次/h和0.5次/h。温湿度输入数据来自于温室大棚的监测数据。需要指出的是，目前无法模拟PMs的浓度变化，所以住宅室内的PM浓度变化可在现有监测数据和文献数据的基础上进行预估。

表2 节能改造措施及建筑维护结构传热系数

3 监测结果

3.1 温室大棚及外部环境监测结果

表3为温室大棚及其当日外部环境的监测结果。可以看出，温室大棚内的PM2.5和PM10的平均浓度分别为33 μg/m³和40 μg/m³。而对应的室外PM2.5和PM10的平均浓度为131 μg/m³和147 μg/m³。大棚内部的PM浓度值均小于国家标准要求的一级浓度限值。同时，室内PM浓度远远低于室外PM浓度。温室大棚内的平均温度和湿度分别为19.4 ℃和54.8%，均处于国家标准范围内，而室外的平均温度、湿度分别为12.5 ℃和39.8%。大棚内部的温度、湿度均高于外部的温度和湿度。

表3 温室大棚及外部环境监测结果

3.2 温室大棚及外部环境监测结果

表4为住宅室内及其当日外部环境的监测结果。可以看出，住宅室内的PM2.5和PM10的平均浓度分别为130 μg/m³和146 μg/m³。而对应的室外PM浓度分别为153 μg/m³和184 μg/m³。可以看出，室内外的PM浓度值均远远高于国家标准要求的限值。住宅室内的平均温度和湿度分别为15 ℃和23%，而室外的平均温度和湿度分别为12 ℃和25%，室内外的温度和湿度相差不大。

表4 住宅及外部环境监测结果

3.3 模拟结果

将表3中的温度和湿度作为初始条件赋给IESVE模型，可以得出表5中的数据。工况1的室内平均温度为17.25 ℃，而工况2的室内平均温度为22.02 ℃，两者相差5 ℃。而工况1的湿度要高于工况2。这是由于温室大棚内部的空气进入到室内后，工况1的温度升高幅度相比工况2较小。所以工况1中空气湿度损失小。

表5 模拟结果

4 分析及讨论

4.1 室内外PM浓度的关系

图2 温室大棚及住宅内部PM浓度与室外PM浓度的关系

图2显示了温室大棚和住宅内部的PM浓度变化以及与室外PM浓度的关系。可以看出，室外PM浓度在8:00起有一个较大的升高，一直维持到20:00。而温室大棚内部的PM浓度相对比较稳定，曲线起伏不大。这很好的验证了现有文献中的结论：稳定且密封较好的空间内PM浓度相对较低。住宅内部PM浓度与室外PM浓度的曲线变化趋势高度一致，可以断定，由于住宅的气密性较差，室外PM浓度是决定室内PM浓度的主要因素。

图3显示了温室大棚、住宅内部的PM浓度与监测当日室外PM浓度的比值。温室大棚内部PM浓度与室外PM浓度得比值处于0.21~0.39范围内。而住宅内部PM浓度与室外PM浓度得比值则处于0.71~0.90之间。显然，住宅内部PM浓度更容易受室外PM得影响。而温室大棚由于密封性好，则可以将大部分的PM挡在室外，从而保持室内空气的清洁。

图 3 温室大棚及住宅内部PM浓度与监测当日室外PM浓度的比值

4.2 室内外温湿度的关系

图4显示了温室大棚及住宅内部的温湿度与监测当日室外温湿度的关系。可以看出，温室大棚内部温度变化幅度大于室外温度。比如，在11:00-15:00，温室大棚内部温度升高幅度高于室外温度升高幅度，主要因为温室大棚能够更好的吸收室外太阳辐射。在夜间，温室大棚内部有辅助照明，起到一定的温度维持作用，大棚外部则采用保温棉对温室大棚进行保温，所以内部温度可以维持在一个稳定的状态。而温室大棚内部湿度变化较大，0:00-8:00处于较高的水平，很大一部分原因是种植户通常会在上午对内部植物进行灌溉，所以湿度相对较大。而室外湿度由于冬季比较干燥，所以相对较低。同样可以看出，住宅内部温湿度变化和室外温湿度变化则具有较高的一致性，变化幅度基本一样。主要是因为住宅的气密性太差，室内外渗透风导致的换气次数较多造成。

图 4 温室大棚及室外周边环境温湿度监测结果

4.3 模拟结果与住宅温湿度对比

图5显示了工况1和工况2的模拟结果与住宅室内测量值的关系。可以看出，不论湿度还是温度，工况2的模拟结果更接近国家标准规定的舒适度范围。而工况1由于住宅的气密性和保温隔热性能太差，而使得模拟结果无法完全满足室内舒适性温湿度的要求。而由于温室大棚的作用，工况1和工况2的温湿度均比住宅现状测量值更接近热舒适性范围。

图5 工况1、工况2及室内测量温湿度对比

4.4 室内PM值预测

在对建筑进行节能升级改造后，室内PM浓度可根据温室大棚内部PM浓度进行预估。理论上，以10 L每人每秒的送风量送风，住宅室内空气将在短时间内置换干净，所以住宅室内的PM浓度会渐渐达到温室大棚内部的PM浓度水平。当然这必须是在住宅的气密性达到或超过温室大棚气密性的基础上实现，同时忽略室内人员活动的影响。

升级改造后，住宅室内的PM浓度还可以通过温室大棚内部PM浓度和室外PM浓度的比值进行预估。预估公式为：

其中，为室内预估PM浓度值，μg/m³；A为当地大气PM浓度每月均值，μg/m³；为温室大棚内部PM监测值，μg/m³；B为温室大棚监测当天室外PM浓度值，μg/m³。

根据以上公式，以2018年住宅所处地点大气PM浓度每月均值为例，计算得到室内PM浓度的均值（图6）。可以看出，室内PM2.5的浓度均小于35 μg/m³，室内PM10的浓度值均小于50 μg/m³，符合国家GB/T18883－2002《室内空气质量标准》和GB3095-2012《环境空气质量标准》的要求。

图6 住宅室内PM浓度预估值

当然此预估值是在大气污染月均值的基础上计算得到，实际情况根据小时均值和日均值，有可能会出现大于国家规范要求的可能。但图10的预估值仍然可以断定，利用温室大棚对空气进行净化后输送到住宅室内，仍可大幅度降低室内PM浓度的水平。假如需要面对污染极其严重的情况，可采取的措施包括继续提高温室大棚和住宅的气密性和增加温室大棚内部植物的数量，以换得更加清洁得空气。

4.5 经济价值

此研究的经济价值可使用回收期进行评价。目前住户以烧煤取暖，采暖季煤炭使用量为1 t左右，市场价格为1000元。回收期计算可以采用式：

其中，为回收期，年；为年节省费用，元；为升级改造投入费用，元。

以工况2为基础，只需对温室大棚和住宅用管道相连，并安装送风风扇，价格相对低廉。回收期可以预判在1~2年之间。若以工况1为基础，根据当地建材价格，可以粗略估计保温节能改造花费的价格为67900.8元。根据公式可计算得到此研究回收期为67年，回收期较长，经济价值较低。这主要是因为住宅升级改造的费用太大。然而目前农村住宅的节能改造势在必行，所以本研究对未来农村住宅的采暖通风仍然具有巨大的借鉴意义。

5 结 语

本研究对农村温室大棚和住宅的室内环境进行监测，并使用软件模拟的手段对以温室大棚内部环境为基础的送风系统进行计算分析。结果显示对住宅建筑进行节能改造后，利用温室大棚内部的空气对住宅进行通风取暖，可以显著提高住宅室内的热舒适性和空气质量。

本研究具有一定的局限性，比如，未对温室大棚内部和住宅内部的其他污染物进行监测，如CO2浓度和有机污染物(VOCs)。同时，夜晚送风需要保证温室大棚内部的植物处于光合作用状态，以保证CO2浓度处于较低的水平，不然会造成住宅内部CO2浓度升高。同时，此项研究也可在其农村他建筑类型中推广，如农村养老院、社区活动中心和乡村诊所等，未来研究可专注以上几个方面。

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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

国家自然科学基金项目:基于数据挖掘与即时反馈的医疗建筑循证设计信息技术开发研究(51908300);山东省高等学校人文社科计划项目(J17RA215);山东省艺术科学重点课题(ZD201906368,ZD201906442)

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

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