不同供暖方式下農(nóng)村建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)數(shù)值模擬

鄭雅婷 陳忠海 楊 鵬 孫曉晴

(河北建筑工程學(xué)院能源工程系,河北 張家口 075000)

1 引 言

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)室內(nèi)品質(zhì)進(jìn)行了研究，但主要關(guān)注的是城市居住建筑和公共建筑.而對(duì)于我國(guó)寒冷地區(qū)的農(nóng)村建筑冬季室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究相對(duì)較少[1].由于北方農(nóng)村大部分采用秸稈或煤分散供暖，大量燃燒產(chǎn)物釋放到大氣中，造成長(zhǎng)期空氣污染.根據(jù)調(diào)查顯示，北方農(nóng)村采暖能耗占建筑能耗的比例很大，大約占全國(guó)城鎮(zhèn)總能耗的40%，并且隨著人們生活水平的提高而增加[2].

農(nóng)村地區(qū)的供暖方式與城市供暖方式有很大的區(qū)別，什么因素影響室內(nèi)空氣品質(zhì)仍處于研究階段，并且各種污染物質(zhì)分布不均勻.就采暖造成的室內(nèi)空氣的惡化對(duì)室內(nèi)人員的健康帶來(lái)了很大的威脅.有研究顯示，長(zhǎng)期長(zhǎng)期在污染環(huán)境中生活人們更容易患肺功能衰竭、呼吸性疾病和心血管疾病，進(jìn)而導(dǎo)致死亡[3].另一方面，農(nóng)村建筑的用能情況存在著嚴(yán)重的問(wèn)題，所以，對(duì)農(nóng)村建筑的室內(nèi)空氣品質(zhì)的研究非常必要，這不僅有利于改善村鎮(zhèn)居民的舒適狀況，而且可為村鎮(zhèn)既有建筑節(jié)能改造、采暖設(shè)計(jì)提供合理的依據(jù).

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)

本文主要對(duì)3戶(hù)農(nóng)宅進(jìn)行室內(nèi)空氣品質(zhì)模擬研究，通過(guò)平均空氣齡分布圖，分析采用煤、秸稈以及電采暖三種采暖方式室內(nèi)空氣新鮮程度，進(jìn)而可以了解不同方式下室內(nèi)空氣品質(zhì)好壞.3戶(hù)農(nóng)宅分別采用煤、秸稈、電供暖室內(nèi)污染物含量見(jiàn)下表1.

表1 冬季室內(nèi)污染物含量

就農(nóng)村空氣品質(zhì)來(lái)說(shuō)，將農(nóng)村室內(nèi)空氣品質(zhì)分為4種標(biāo)準(zhǔn)，即清潔、未污染、輕污染和中污染[4]，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)下表2.

表2 農(nóng)村室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

通過(guò)表1室內(nèi)污染物含量，并且結(jié)合給出的室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，室內(nèi)PM2.5和PM10污染較嚴(yán)重，CO和CO2污染相比較來(lái)看輕一些.

2.2 室內(nèi)平均空氣齡

表3 3戶(hù)農(nóng)宅的室內(nèi)溫濕度情況表

1號(hào)農(nóng)宅供暖用的材料為煤，三間屋子均供暖，中間的屋子主要用爐子來(lái)供暖，左右兩間分別設(shè)置了暖氣片來(lái)供暖，室內(nèi)24小時(shí)有人，室內(nèi)主要散熱設(shè)備包括電視機(jī)、冰箱和電燈.2號(hào)農(nóng)宅供暖用的材料為秸稈，主要依靠爐子來(lái)供暖，室內(nèi)主要散熱設(shè)備包括電視機(jī)和電燈等.3號(hào)農(nóng)宅供暖用的材料為電，基本上只有臥室供暖，主要依靠暖氣和空調(diào)，室內(nèi)主要散熱設(shè)備包括電視機(jī)、冰箱和電燈等.3戶(hù)農(nóng)宅的室內(nèi)溫濕度情況表見(jiàn)下表3.

室內(nèi)空氣品質(zhì)可以用空氣齡的大小來(lái)評(píng)價(jià)，空氣齡就是指新鮮空氣進(jìn)入室內(nèi)后，在室內(nèi)停留的時(shí)間得長(zhǎng)短，如果在室內(nèi)某地停留時(shí)間越短，則可以說(shuō)明此處的空氣越新鮮，反之則相反，3戶(hù)農(nóng)宅的建筑結(jié)構(gòu)圖及平均空氣齡模擬結(jié)果見(jiàn)下圖1.

(a)1戶(hù)建筑結(jié)構(gòu)圖 (b)1戶(hù)平均空氣齡模擬圖

(c)2戶(hù)建筑結(jié)構(gòu)圖 (d)2戶(hù)平均空氣齡模擬圖

(e)3戶(hù)建筑結(jié)構(gòu)圖 (f)3戶(hù)平均空氣齡模擬圖

從模擬結(jié)果可以看出，1號(hào)農(nóng)宅和2號(hào)農(nóng)宅空氣齡與3號(hào)農(nóng)宅相比要大一些，說(shuō)明1號(hào)農(nóng)宅和2號(hào)室內(nèi)空氣新鮮度要比3號(hào)農(nóng)宅差一些，因?yàn)?號(hào)農(nóng)宅和2號(hào)農(nóng)宅用煤和秸稈來(lái)供暖，煙氣中的CO、CO2、PM2.5等污染物氣體會(huì)釋放到室內(nèi)空氣中，所以空氣齡相比用電供暖來(lái)看要大一些，因此用煤和秸稈供暖較電供暖室內(nèi)空氣要差.

3 室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)方式

本節(jié)根據(jù)農(nóng)村建筑室內(nèi)污染物含量，采用灰關(guān)聯(lián)分析方法對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià).該方法主要是依據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來(lái)判斷其之間的關(guān)聯(lián)性，如果兩曲線靠的越近，就可以說(shuō)明關(guān)聯(lián)性越強(qiáng)，反之則相反[5].由于各種物質(zhì)的量綱不同，因此采用對(duì)數(shù)處理方法，這樣就可以在不同物質(zhì)間做比較[6].

(1)

式中：n為室內(nèi)污染物濃度值；n0為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)濃度值；k為有害物質(zhì)參數(shù)對(duì)應(yīng)的常數(shù)，k值采用文獻(xiàn)1給出的數(shù)值.

根據(jù)農(nóng)村建筑的室內(nèi)污染物質(zhì)的含量數(shù)據(jù)及農(nóng)村室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，由公式(1)可以計(jì)算出無(wú)量綱的室內(nèi)污染物質(zhì)濃度和農(nóng)村室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如下表4及表5所示：

表4 無(wú)量綱的室內(nèi)污染物質(zhì)濃度

表5 無(wú)量綱農(nóng)村室內(nèi)空氣品質(zhì)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)過(guò)初始化的數(shù)列為：

(2)

求兩級(jí)最大差與最小差：

(3)

(4)

求關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(5)

計(jì)算關(guān)聯(lián)度：

依照灰關(guān)聯(lián)度的計(jì)算公式，從而可以計(jì)算出關(guān)聯(lián)矩陣如下表6.

表6 關(guān)聯(lián)矩陣

從表6可以看出：1號(hào)農(nóng)宅污染情況較嚴(yán)重，因?yàn)?號(hào)農(nóng)宅主要是用煤來(lái)供暖，煤的燃燒過(guò)程中會(huì)釋放出CO2，不完全燃燒會(huì)釋放CO，由于冬季為了維持室內(nèi)的溫度，所以大部分農(nóng)宅都很少開(kāi)窗通風(fēng)，所以就導(dǎo)致了室內(nèi)的污染物沒(méi)有辦法快速地排到室外，從而加重了室內(nèi)的污染.另外煤的灰分成分比較高，在加煤、清灰過(guò)程中都會(huì)給室內(nèi)帶來(lái)粉塵污染.2號(hào)和3號(hào)農(nóng)宅污染程度較低，3號(hào)采用了清潔能源，用電供暖減少了室內(nèi)的污染物濃度.

通過(guò)上述分析，要想提高室內(nèi)空氣新鮮度，可以減少用燒煤來(lái)供暖，盡可能使用生物質(zhì)材料，而且盡量使?fàn)t子和生活區(qū)分開(kāi)，不要設(shè)置在同一房間.盡管冬天室外溫度比較低，但是也要盡可能定期的開(kāi)窗通風(fēng)，盡量使室內(nèi)污染物及時(shí)排到室外，從而可以提高室內(nèi)的空氣品質(zhì).

4 結(jié) 論

從室內(nèi)平均空氣齡來(lái)看，用煤和秸稈供暖的室內(nèi)平均空氣齡相比用電供暖的要大一些，說(shuō)明用煤和秸稈供暖室內(nèi)空氣新鮮度要稍微差一些.因?yàn)槊汉徒斩挼娜紵龝?huì)釋放出污染物質(zhì)，再加上冬季很少開(kāi)窗通風(fēng)，所以使得污染物質(zhì)都留在了室內(nèi)沒(méi)有及時(shí)的排向室外.而電作為一種清潔能源，可以很大程度上的減少室內(nèi)污染物的含量.通過(guò)采用灰關(guān)聯(lián)分析法對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)，可以看出由于煤和秸稈燃燒會(huì)釋放出污染物質(zhì)，從而相比于用電供暖會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空氣污染程度要大些.

由于大家對(duì)室內(nèi)污染物質(zhì)沒(méi)有很高的敏感度，可能對(duì)一些有色有味的污染氣體還能察覺(jué)到，但煙氣中也存在一些無(wú)色無(wú)味的污染物質(zhì)，室內(nèi)人員并不能在短期內(nèi)察覺(jué)到它們的存在，而對(duì)室內(nèi)人員的健康帶來(lái)危害.因此，如果使用煤或者秸稈供暖時(shí)，每天要開(kāi)窗通風(fēng)，如果經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，可以采用清潔能源來(lái)供暖，從而可以提高室內(nèi)的空氣品質(zhì).