不同供暖方式下农村建筑室内空气品质数值模拟

郑雅婷 陈忠海 杨 鹏 孙晓晴

(河北建筑工程学院能源工程系,河北 张家口 075000)

1 引 言

近年来，许多学者对室内品质进行了研究，但主要关注的是城市居住建筑和公共建筑.而对于我国寒冷地区的农村建筑冬季室内空气品质的研究相对较少[1].由于北方农村大部分采用秸秆或煤分散供暖，大量燃烧产物释放到大气中，造成长期空气污染.根据调查显示，北方农村采暖能耗占建筑能耗的比例很大，大约占全国城镇总能耗的40%，并且随着人们生活水平的提高而增加[2].

农村地区的供暖方式与城市供暖方式有很大的区别，什么因素影响室内空气品质仍处于研究阶段，并且各种污染物质分布不均匀.就采暖造成的室内空气的恶化对室内人员的健康带来了很大的威胁.有研究显示，长期长期在污染环境中生活人们更容易患肺功能衰竭、呼吸性疾病和心血管疾病，进而导致死亡[3].另一方面，农村建筑的用能情况存在着严重的问题，所以，对农村建筑的室内空气品质的研究非常必要，这不仅有利于改善村镇居民的舒适状况，而且可为村镇既有建筑节能改造、采暖设计提供合理的依据.

2 研究内容

2.1 室内空气品质

本文主要对3户农宅进行室内空气品质模拟研究，通过平均空气龄分布图，分析采用煤、秸秆以及电采暖三种采暖方式室内空气新鲜程度，进而可以了解不同方式下室内空气品质好坏.3户农宅分别采用煤、秸秆、电供暖室内污染物含量见下表1.

表1 冬季室内污染物含量

就农村空气品质来说，将农村室内空气品质分为4种标准，即清洁、未污染、轻污染和中污染[4]，评价标准见下表2.

表2 农村室内空气品质评价标准

通过表1室内污染物含量，并且结合给出的室内空气品质评价标准可以看出，室内PM2.5和PM10污染较严重，CO和CO2污染相比较来看轻一些.

2.2 室内平均空气龄

表3 3户农宅的室内温湿度情况表

1号农宅供暖用的材料为煤，三间屋子均供暖，中间的屋子主要用炉子来供暖，左右两间分别设置了暖气片来供暖，室内24小时有人，室内主要散热设备包括电视机、冰箱和电灯.2号农宅供暖用的材料为秸秆，主要依靠炉子来供暖，室内主要散热设备包括电视机和电灯等.3号农宅供暖用的材料为电，基本上只有卧室供暖，主要依靠暖气和空调，室内主要散热设备包括电视机、冰箱和电灯等.3户农宅的室内温湿度情况表见下表3.

室内空气品质可以用空气龄的大小来评价，空气龄就是指新鲜空气进入室内后，在室内停留的时间得长短，如果在室内某地停留时间越短，则可以说明此处的空气越新鲜，反之则相反，3户农宅的建筑结构图及平均空气龄模拟结果见下图1.

(a)1户建筑结构图 (b)1户平均空气龄模拟图

(c)2户建筑结构图 (d)2户平均空气龄模拟图

(e)3户建筑结构图 (f)3户平均空气龄模拟图

从模拟结果可以看出，1号农宅和2号农宅空气龄与3号农宅相比要大一些，说明1号农宅和2号室内空气新鲜度要比3号农宅差一些，因为1号农宅和2号农宅用煤和秸秆来供暖，烟气中的CO、CO2、PM2.5等污染物气体会释放到室内空气中，所以空气龄相比用电供暖来看要大一些，因此用煤和秸秆供暖较电供暖室内空气要差.

3 室内空气品质评价方式

本节根据农村建筑室内污染物含量，采用灰关联分析方法对室内空气品质进行评价.该方法主要是依据序列曲线几何形状的相似程度来判断其之间的关联性，如果两曲线靠的越近，就可以说明关联性越强，反之则相反[5].由于各种物质的量纲不同，因此采用对数处理方法，这样就可以在不同物质间做比较[6].

(1)

式中：n为室内污染物浓度值；n0为国家标准浓度值；k为有害物质参数对应的常数，k值采用文献1给出的数值.

根据农村建筑的室内污染物质的含量数据及农村室内空气品质评价标准，由公式(1)可以计算出无量纲的室内污染物质浓度和农村室内空气品质评价标准，如下表4及表5所示：

表4 无量纲的室内污染物质浓度

表5 无量纲农村室内空气品质评价标准

经过初始化的数列为：

(2)

求两级最大差与最小差：

(3)

(4)

求关联系数：

(5)

计算关联度：

依照灰关联度的计算公式，从而可以计算出关联矩阵如下表6.

表6 关联矩阵

从表6可以看出：1号农宅污染情况较严重，因为1号农宅主要是用煤来供暖，煤的燃烧过程中会释放出CO2，不完全燃烧会释放CO，由于冬季为了维持室内的温度，所以大部分农宅都很少开窗通风，所以就导致了室内的污染物没有办法快速地排到室外，从而加重了室内的污染.另外煤的灰分成分比较高，在加煤、清灰过程中都会给室内带来粉尘污染.2号和3号农宅污染程度较低，3号采用了清洁能源，用电供暖减少了室内的污染物浓度.

通过上述分析，要想提高室内空气新鲜度，可以减少用烧煤来供暖，尽可能使用生物质材料，而且尽量使炉子和生活区分开，不要设置在同一房间.尽管冬天室外温度比较低，但是也要尽可能定期的开窗通风，尽量使室内污染物及时排到室外，从而可以提高室内的空气品质.

4 结 论

从室内平均空气龄来看，用煤和秸秆供暖的室内平均空气龄相比用电供暖的要大一些，说明用煤和秸秆供暖室内空气新鲜度要稍微差一些.因为煤和秸秆的燃烧会释放出污染物质，再加上冬季很少开窗通风，所以使得污染物质都留在了室内没有及时的排向室外.而电作为一种清洁能源，可以很大程度上的减少室内污染物的含量.通过采用灰关联分析法对室内空气品质进行评价，可以看出由于煤和秸秆燃烧会释放出污染物质，从而相比于用电供暖会导致室内空气污染程度要大些.

由于大家对室内污染物质没有很高的敏感度，可能对一些有色有味的污染气体还能察觉到，但烟气中也存在一些无色无味的污染物质，室内人员并不能在短期内察觉到它们的存在，而对室内人员的健康带来危害.因此，如果使用煤或者秸秆供暖时，每天要开窗通风，如果经济条件允许的情况下，可以采用清洁能源来供暖，从而可以提高室内的空气品质.