基于熱環境測試的可移動公共衛生間通風優化方法研究

何亞玲 劉高藝 門靖舒 白楊 李瑞鑫

摘 要：本文基于實地監測法對現有可移動公共衛生間夏季室內熱濕環境（包括溫度、相對濕度、風速，這里主要針對溫度）變化規律進行深入分析，找出影響其內部環境品質的主要因素，并基于相關結果，提出可移動公共衛生間通風優化方法，以期提升移動公共衛生間的使用舒適度。

關鍵詞：可移動公共衛生間;熱濕環境;太陽能;煙囪效應;通風

中圖分類號：TU834 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）05-0116-03

Abstract： Based on the on-site monitoring method， this paper made a thorough analysis of the changing law of indoor thermal and humid environment （including temperature， relative humidity and wind speed） in mobile public toilets in summer， found out the main factors affecting their internal environmental quality， and based on the relevant results， put forward the optimization method of ventilation in mobile public toilet， in order to improve the comfort of mobile public toilets.

Keywords：mobile toilets;thermal and humidity of environment;solar energy;stack effect;aeration

作為中原城市群的中心城市——鄭州，具有人流量大、人員密集程度高的特點。由此，可移動公共衛生間的使用較為廣泛。然而，可移動公共衛生間在使用過程中，由于給排水工程、電力輸配等設施的使用限制，無法保證污染物及時排出，也無法保證機械通風系統的有效運行。這使得公共衛生間內部出現“臟、亂、差”的現象。鑒于此，本文以鄭州市一所具有代表性的單體組合式可移動公共衛生間為研究對象，監測公共衛生間內部各項溫度，對其變化規律進行深入分析，找出影響公共衛生間內部環境品質的主要因素。同時，基于分析結果，利用可再生能源強化耦合通風優化，改善內部熱濕環境。

1 研究對象

本研究在采集大量可移動公共衛生間樣本后，最終確立以位于鄭州市高新技術開發區蓮花街一所單體組合式可移動公共衛生間為研究對象。公共衛生間尺寸數據如表1所示。該可移動公共衛生間包括5間無性別洗手間（附有1個大便池）、1間男洗手間（附有3個小便池）。各個洗手間又設有洗手盆、面鏡、廁位掛鉤等附屬設施。通風構造包括：條形百葉送、排風口（上送風）、機械排風扇（未通電運轉，其中一間衛生間未安裝排風扇，只留有排風扇安裝洞口）。

2 實地監測

用科學的儀器和設備對測試對象室內外空氣溫度、室內屋面溫度、壁面溫度、地板溫度進行測量，并記錄相關數據。鑒于公共衛生間的通風狀況、環境問題在夏季尤為明顯，因此，取2018年8月21日至2018年8月24日為監測周期。考慮到夏季公共衛生間內部熱環境受外部太陽輻射、污染物濃度隨時間變化的周期性以及公共衛生間一天的使用率，取一日09：30至17：50為測試時段。相關學者在做熱環境測試時，為獲取較為真實可靠的測試數據，常采用戶外物理性的量測儀器。本研究采用視覺溫度計（FLUKE VT02 VISUAL IR THERMOMETER）、溫度濕度表（FLUKE 971 TEMPERATUER HUMIDITY METER）和5m長卷尺等專業儀器進行測量。

3 測試數據及結果分析

3.1 室內外空氣溫度對比

室內外空氣溫度對比結果見圖1。

從圖1可知，室內外空氣溫度逐時變化趨勢大致相同，室內相對室外稍有延遲;溫度峰值均出現在正午12：00左右;室外空氣溫度最高值為35.0℃，室內為35.5℃，室內空氣溫度普遍高于室外。這說明，室外因風力作用，冷熱空氣產生對流，溫度相對低些。11：30室內空氣溫度突然升高，且在11：30—14：30，室內空氣溫度與室外空氣溫度持續維持在34℃以上。在該時段，能明顯感受到公共衛生間內部空氣悶熱、污染物（H2S、NH3）濃度升高，異味強烈。其中，12：00—13：00，室外空氣溫度出現一次波谷，但室內空氣溫度持續下降，室內空氣溫度來不及隨著室外空氣溫度的變化而變化，產生延遲。這說明圍護結構材料的蓄熱能力差。15：00以后，太陽輻射減弱，風力作用增強，室內環境品質明顯改善。可見，室外風力對室內通風具有積極作用。

3.2 圍護結構溫度與室內空氣溫度對比

從圖2可知，室內屋面溫度、壁面溫度、地板溫度和空氣溫度逐時變化趨勢基本一致。在整個測量時段，垂直方向的溫度呈現分層現象。由于熱量傳遞的遲滯性，在垂直方向上，溫度由上而下延遲時間逐漸延緩。此外，室內空氣溫度接近地板溫度。11：30—14：30，太陽輻射較為強烈，分層現象卻無初期顯著。這表明通風效果不佳，未及時補充室外新鮮的冷空氣，導致室溫持續在34.0℃以上。其中，屋面接受太陽輻射概率最大，溫度最高。09：30—15：10，屋面溫度穩定地維持在39.0℃以上。16：50之后，屋面溫度和壁面溫度基本重合。

4 可移動公共衛生間通風優化方法

4.1 自然通風

通風是指用自然或機械的方法向某一房間或空間送入室外空氣，從某一房間或空間排出空氣的過程，送入的空氣可以是處理的，也可以是不經處理的[1]。通風主要包括自然通風和機械通風。筆者經調研發現，現有的可移動公共衛生間多采用機械通風（安裝排風扇）。然而，移動式公共衛生間最顯著的特點便是移動性強，在使用過程中，無法充分保證穩定的電力資源供給以維持機械通風系統的正常運行。此外，從相關規范可知[2]，公共廁所的通風設計應優先考慮自然通風，當自然通風不能滿足要求時，應增設機械通風。自然通風主要依靠熱壓和風壓的作用實現。熱壓作用下的自然通風由室內外溫度差引起，又稱“煙囪效應”;風壓作用下的自然通風是指在建筑的迎風面（正壓側）進風，背風面（負壓側）排風。但是，風能的供應具有隨機性，難以保證通風系統穩定運行，通過傳統的開門設窗的方式在可移動公共衛生間這樣狹小的單體空間中實現自然通風存在較大局限。鑒于此，本文將熱壓作用下的自然通風融于可移動公共衛生間的通風優化設計中，通過合理的自然通風設計，有效改善通風效果，提升公共衛生間的內部環境品質。

4.2 太陽能煙囪效應的可行性

根據實地監測，一天之中，太陽輻射作用從09：30開始增強。強烈的太陽能可作為熱壓自然通風的最佳驅動力，利用這一優勢，依靠太陽能通風技術合理地組織和誘導室內外氣流可實現良好的通風效果。

太陽能通風基于自然通風原理：利用太陽能加熱空氣，增加空氣的熱壓驅動力，強化自然通風。主要結構形式有太陽能通風墻（Solar-Induced Ventilation Wall，SIVW）、太陽能煙囪（Solar Chimney）等。學者盧敬彥[3]在關于太陽能通風技術實驗研究中指出，在白天通風時，太陽能煙囪單位集熱面面積的通風量是204m3/h，太陽能通風墻系統為185m3/h，太陽能通風墻與煙囪結合系統為83m3/h。可見，采用太陽能煙囪通風可獲取最大單位集熱面面積的通風量。據此，本研究提出基于太陽能煙囪原理的復合通風方法。

4.3 通風優化方法

太陽能煙囪效應的特點是：由蓋板、吸熱板以及中間的空氣流道共同組成排風系統[3]。目前，研究較多的太陽能煙囪結構有三種：Trombe墻式太陽能煙囪、豎直式太陽能煙囪和傾斜式太陽能煙囪（如圖3所示）[4]。室內外溫差和進出風口的高差越大，煙囪效應越明顯。根據圍護結構溫度與室內空氣溫度對比實驗結果，垂直方向上屋面的逐時溫度遠高于壁溫，可維持較大溫差。可移動公共衛生間特有的單體空間結構，易形成豎向空腔，滿足進排風口高差要求。傾斜式太陽能煙囪系統的使用利于可移動公共衛生間外形美化及煙囪系統運行維護。通過綜合評判，本研究采用傾斜式太陽能煙囪通風系統，同時在公共衛生間門下部設置條形百葉進風口形成“下送風上排風”的氣流組織形式。工作原理為：強烈的太陽光投射到吸熱墻上，吸收大量太陽輻射的墻體，不斷加熱室內空氣，溫度逐漸高于室外空氣，產生內外密度差，在公共衛生間內下部形成負壓，上部形成正壓，完成熱壓到風壓的轉換;同時，驅動公共衛生間內污濁的熱空氣向上流動、從排風口排出，室外新鮮的冷空氣不斷從進風口被吸入。

夏季，公共衛生間內部的污染物（主要源于小便池的揮發物NH3和大便池的揮發物H2S）濃度隨著溫度的升高而升高，細菌的繁殖及其對有機物的分解加快，同時高溫環境也加速了揮發物的擴散，導致污染加重。這種現象于11：30—14：30尤為嚴重。然而，此時屋面溫度高達40℃，太陽輻射作用十分強烈，熱壓驅動作用提升，通風狀況可得到及時改善。15：30之后太陽輻射作用減弱，在夜間長波輻射作用下地表溫差增大，風力加強;太陽輻射作用增強時，情形反之。由此，可基于風光互補原理的耦合強化通風作用，優化間歇通風模式，彌補太陽能通風技術的不足。此外，本文還發現，金屬雕花板是現有可移動公共衛生間普遍采用的圍護結構材料。由于該種蓄熱材料的蓄熱性能不佳，因此，11：30—14：30，室內空氣溫度升高，濕度增大，加劇了細菌、病毒等有害物的滋生。可見，現有可移動公共衛生間圍護結構蓄熱性能有待改善。相變蓄熱是一種以相變儲能材料為基礎的高新儲能技術。主要分為熱化學儲熱、顯熱儲熱和相變儲熱。相變儲熱的儲熱密度是顯熱儲熱的5～10倍，甚至更高，具有溫度恒定和蓄熱密度大的優點[5]。將相變蓄熱材料與圍護結構有機結合，儲存多余的太陽光，可實現穩定放熱，從而保證風、光作用均減弱的情況下，通風系統依然正常工作。

5 結語

太陽能煙囪效應通風優化可幫助可移動式公共衛生間實現自然通風;基于風、光互補原理的耦合通風模式彌補了太陽能利用的不足;相變蓄熱材料的融入進一步保證通風系統的穩定運行。

參考文獻：

[1]陸亞俊.暖通空調[M].北京：中國建筑工業出版社，2015.

[2]中華人民共和國住房和城鄉建設部.城市公共廁所設計標準：CJJ 14—2016[S].北京：中國建筑工業出版社，2016.

[3]盧敬彥.太陽能通風技術實驗研究[D].重慶：重慶大學，2008.

[4]雷先鵬，喻李葵，鄧啟紅.太陽能煙囪強化自然通風的研究進展[J].建筑熱能通風空調，2009（6）：34-37.

[5]賀鵬.具有相變蓄熱體的蓄熱換熱器研究[D].廣州：華南理工大學，2013.