寒冷地区村镇建筑供暖期室内空气品质评价

于子贤 喻伟 黄嘉瑛

重庆大学土木工程学院

0 引言

近年来，我国雾霾问题日益严重，北方村镇以燃煤为主的采暖方式成为引发雾霾的不容忽视原因。我国寒冷地区农村住宅建筑主要为单体建筑，采暖方式多为传统的火炕、燃煤炉、土暖气采暖等，室内温度普遍较低且分布不均匀，热环境质量较差[1]。同时煤、薪柴等燃料的不完全燃烧，使得室内污染物浓度超标，长期处于该环境易增加室内人员患呼吸道疾病的风险[2]。Erin O.Semmens[3]等通过测试得出以木柴为燃料的住宅室内 PM2.5 日平均浓度超过 28 μ g/m3。Akpofure Rim-Rukeh 研究表明农村住宅室内 NO2、CO和PM2.5 主要来源于木柴、木炭等固体燃料的燃烧[4]。Jeevan Lal Matawle 等人发现固体燃料燃烧下室内PM2.5 浓度对人体健康造成严重威胁[5]。谢栋栋测得严寒地区农村住宅PM2.5 及SO2浓度分别超标3.9 倍和2.6 倍，且调查问卷显示住户能感受到明显的煤烟味与灰尘感[6]。唐瑞发现哈尔滨市农村单体建筑燃煤等传统采暖方式室内 PM2.5、PM10、CO、CO 2、SO 2 和 NOX浓度普遍超标[7]。刘丛林对东北地区农宅室内空气品质调查结果表明燃煤对室内 CO 及 PM10 污染的 影响很大[8]。

随着国家清洁能源供暖政策得提出，北方村镇冬季采暖方式多元化发展，当前较多研究表明了固体燃料燃烧采暖对室内空气品质的影响，但对于寒冷地区不同采暖方式室内空气品质的研究较少。本文对河北、河南两个省典型村镇进行入户检测调研，测量煤炉采暖、空调采暖、燃气炉采暖、土暖气采暖、电热膜采暖下室内CO2、PM10、PM2.5、VOCs、HCHO 的浓度，分析不同采暖方式下室内空气品质质量，并通过灰色关联分析法对室内空气品质进行评价，为寒冷地区村镇建筑冬季采暖方式的选则提供参考依据。

1 研究方法

1.1 寒冷地区农村住宅调研

为了解寒冷地区农村住宅特性及当前采暖现状，2019 年冬季对河南、河北两省典型村镇进行调研，包括现场测试和主观问卷调查。通过随机抽样的方式选择郑州市中牟县、濮阳市清丰县、保定市易县等 8 个县级市典型村镇，被调研对象为村镇的常住人员。样本量的确定：

式中：Q为所需要的样本量；X2为自由度为 1 时给定置信水平；N为调研人口规模，人；P为人口比例，取0.5；ME 为期望的误差范围，%。

置信水平取0.95；ME 取0.03，设定回收率 75%，附加量15%，计算得到本次调研用户数为 217 户。调研范围见图1。现场测试包括室内CO2、PM10、PM2.5、VOCs、HCHO 的浓度的检测。主观问卷调查主要包括建筑基本信息，采暖习惯，开窗行为以及对室内气味、流通状况及空气品质总体满意度评价。

图1 调研地点分布图

1.2 不同采暖方式下室内污染物浓度监测

根据ASHRARE Sandard 62-1999[9]中 《满足可接受室内空气品质的通风》 对“可接受的室内空气品质”的定义，采用主客观相结合的方式对河南、河北农村居民进行入户测试，测量仪器见表1 所示

表1 室内空气品质测量仪器

采样点的选择根据测量房间的大小而定。通过调研，农村居民多在客厅放置采暖设备，且客厅面积一般约20 m2，故在客厅中央设置1 个测点。测点的高度与人的呼吸带高度一致，距地面高度约为0.5～1.5 m[8]。测试时段集中在下午1 点至3 点，每个住户需要测量 30分钟。

1.3 灰色关联法对室内空气品质的评价

灰色关联分析方法是依据序列曲线形状的相似程度来判断序列间联系的紧密性。该方法计算量小，不会出现量化结果与定性分析结果不符的情况，能够反映样本的级别，故已被一些学者用于办公建筑室内空气品质评价中[10]

室内空气品质评价等级与环境污染对人的身体健康程度密切相关，其环境评价等级划分见表2。

表2 室内空气质量划分

2 寒冷地区农村住宅特性及采暖现状

2.1 寒冷地区农村住宅特性

通过调研，寒冷地区北方村镇住宅多为自建房（约52.67%），传统住宅多为四合院式单层平房，新建住宅多为2～3 层小楼房。传统住宅建筑采暖集中在人员活动密集主屋采暖，新建建筑多在一层客厅、卧室采暖。

2.2 寒冷地区农村采暖现状

寒冷地区村镇冬季常见的采暖方式有燃煤炉、燃气炉、空调、土暖气、电热膜等，随着国家清洁能源供暖政策的提出，越来越多的住户向电供暖的方向转变，对寒冷地区北方农村采暖方式进行统计，结果见图 2所示。结果表明，虽然电供暖的方式占比最大（空调、小太阳取暖器采暖分别占 36.97%，2 4.17%），但是仍有38.38%的住户以燃煤为燃料的煤炉和土暖气采暖。受到当地的资源和居民家庭经济的限制，采用燃气炉、壁挂炉和沼气采暖的方式的住户较少。

图2 采暖方式统计图

3 不同的采暖方式对室内空气品质的影响分析

3.1 不同采暖方式室内污染物测量结果分析

对每种采暖方式的测量数据求平均值，并 与国家标准[10]进行对比，结果如图3、4 所示。结果表明，除 电热膜采暖方式下C O2浓度未标外，其 他 4 种采暖方式CO2浓度均有不同程度的超标，其中燃气炉采暖最为严重。根据调研情况，采 用燃气炉和空调采暖住户在采暖时一般紧闭门窗，由 于燃料燃烧及人员聚集释放的CO2无法排放，造 成浓度偏高。

图3 不同采暖方式CO2 浓度统计图

从图4 中可得，空调及电热膜采暖室内 PM2.5 和PM10 不超标，而燃煤炉及土暖气采暖室内 PM2.5 浓度约是标准值的 5.17、5.26 倍，PM10 浓度约为标准值的3.55、3.13 倍；燃煤炉采暖室内 HCHO 浓度最高且超标。空调及电热膜采暖室内VOCs 不超标，其他三种采暖方式室内VOCs 均大于0.6 mg/m3，超过标准。

图4 不同采暖方式室内污染物统计图

3.2 主观问卷调查结果分析

整理主观问卷得到统计结果见图5、6 。绝大多数居民认为采暖房间无异味，但分别有 35%、2 0%、3 5%的住户认为燃煤炉采暖、燃气炉采暖、土暖气采暖的房间中有轻微异味，其中，还有5%燃煤炉采暖的居民认为房间异味无法忍受。超过90%的电热膜采暖住户认为室内空气较为流通，5 5%、5 7%的燃煤炉、土暖气采暖住户认为室内空气流通情况一般。而大部分空调及燃煤炉采暖住户认为室内空气较闷，分别占 71%、75%。

图5 室内异味统计结果

图6 空气流通情况统计结果

对室内空气品质总体满意度进行评价，从图7 可以看出，空调采暖及电热膜采暖住户对室内空气较满意，大部分土暖气采暖及燃气炉采暖住户对室内空气品质基本满意；而将近 89%的燃煤炉采暖住户对室内空气品质较不满意，其中有6%的住户很不满意。

图7 室内空气品质总体满意度评价统计结果

综上所述，通过主观问卷调查，以燃煤为主的燃煤炉采暖及土暖气的采暖方式，室内空气品质总体较差，燃气炉采暖及空调室内空气流通较差，可通过开窗通风改善室内环境；综合考虑，电热膜采暖方式室内空气质量最佳。

3.3 灰色关联法对室内空气品质的评价

根据表2，对农宅室内空气品质评价分为4 个等级，其中清洁等级的标准为室内空气污染物的背景浓度，轻污染的级别为国家规定的标准浓度值[10]。由于室内的各种污染物浓度变化范围较宽，且不同污染物之间的测试数据数量级不同，对各污染物的浓度数值进行对数处理[10]，得到无量纲化的农宅室内空气的评价标准和测试浓度值，如表3、4 所示。

表3 无量纲化的室内空气品质评价标准

表4 无量纲化的室内空气品质测试值

求出上述数据的关联系数、关联度，得到室内空气品质评价的计算结果，见表5 所示。

表5 室内空气品质评价的计算结果

从表 5 数据可得，空调及电热膜采暖关联系数接近于 1，对应未污染等级，室内空气品质良好；燃气炉采暖对应轻污染等级。对于燃煤炉及土暖气采暖方式，关联系数较小，均属于中污染等级，室内空气品质较差。

4 结论

通过现场测试及主观问卷相结合的方式，结合灰色关联分析法得到的结果，综合分析燃煤炉采暖、空调采暖、燃气炉采暖、土暖气采暖、电热膜采暖下室内空气品质，得出一致的结论。以燃煤为主的燃煤炉采暖及土暖气采暖室内 PM2.5、PM10 严重超标，居民对室内空气品质的满意度较低，室内空气品质较差，对人的身体健康易造成威胁。虽然燃气炉的采暖方式室内PM2.5、PM10 浓度并不高，但燃气燃烧释放大量 CO2，容易造成室内人员头疼，胸闷等症状，对室内空气质量影响也较大。而空调、电热膜的采暖方式的室内污染物浓度远低于限值，居民对室内空气品质满意度高，室内环境较佳。虽然空调采暖住户室内 CO2浓度较高，但可通过一定的通风策略进行改善。从环保及室内健康角度考虑，电采暖是一种清洁的采暖方式，电代煤的供暖方式可营造农村供暖室内良好环境。但传统的电采暖方式能耗大，电费高，对于农村居民来讲经济性不强，故适宜寒冷地区农村住宅节能经济的电采暖方式值得进一步研究。