寒冷地區(qū)村鎮(zhèn)建筑供暖期室內(nèi)空氣品質評價

于子賢 喻偉 黃嘉瑛

重慶大學土木工程學院

0 引言

近年來，我國霧霾問題日益嚴重，北方村鎮(zhèn)以燃煤為主的采暖方式成為引發(fā)霧霾的不容忽視原因。我國寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅建筑主要為單體建筑，采暖方式多為傳統(tǒng)的火炕、燃煤爐、土暖氣采暖等，室內(nèi)溫度普遍較低且分布不均勻，熱環(huán)境質量較差[1]。同時煤、薪柴等燃料的不完全燃燒，使得室內(nèi)污染物濃度超標，長期處于該環(huán)境易增加室內(nèi)人員患呼吸道疾病的風險[2]。Erin O.Semmens[3]等通過測試得出以木柴為燃料的住宅室內(nèi) PM2.5 日平均濃度超過 28 μ g/m3。Akpofure Rim-Rukeh 研究表明農(nóng)村住宅室內(nèi) NO2、CO和PM2.5 主要來源于木柴、木炭等固體燃料的燃燒[4]。Jeevan Lal Matawle 等人發(fā)現(xiàn)固體燃料燃燒下室內(nèi)PM2.5 濃度對人體健康造成嚴重威脅[5]。謝棟棟測得嚴寒地區(qū)農(nóng)村住宅PM2.5 及SO2濃度分別超標3.9 倍和2.6 倍，且調(diào)查問卷顯示住戶能感受到明顯的煤煙味與灰塵感[6]。唐瑞發(fā)現(xiàn)哈爾濱市農(nóng)村單體建筑燃煤等傳統(tǒng)采暖方式室內(nèi) PM2.5、PM10、CO、CO 2、SO 2 和 NOX濃度普遍超標[7]。劉叢林對東北地區(qū)農(nóng)宅室內(nèi)空氣品質調(diào)查結果表明燃煤對室內(nèi) CO 及 PM10 污染的 影響很大[8]。

隨著國家清潔能源供暖政策得提出，北方村鎮(zhèn)冬季采暖方式多元化發(fā)展，當前較多研究表明了固體燃料燃燒采暖對室內(nèi)空氣品質的影響，但對于寒冷地區(qū)不同采暖方式室內(nèi)空氣品質的研究較少。本文對河北、河南兩個省典型村鎮(zhèn)進行入戶檢測調(diào)研，測量煤爐采暖、空調(diào)采暖、燃氣爐采暖、土暖氣采暖、電熱膜采暖下室內(nèi)CO2、PM10、PM2.5、VOCs、HCHO 的濃度，分析不同采暖方式下室內(nèi)空氣品質質量，并通過灰色關聯(lián)分析法對室內(nèi)空氣品質進行評價，為寒冷地區(qū)村鎮(zhèn)建筑冬季采暖方式的選則提供參考依據(jù)。

1 研究方法

1.1 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅調(diào)研

為了解寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅特性及當前采暖現(xiàn)狀，2019 年冬季對河南、河北兩省典型村鎮(zhèn)進行調(diào)研，包括現(xiàn)場測試和主觀問卷調(diào)查。通過隨機抽樣的方式選擇鄭州市中牟縣、濮陽市清豐縣、保定市易縣等 8 個縣級市典型村鎮(zhèn)，被調(diào)研對象為村鎮(zhèn)的常住人員。樣本量的確定：

式中：Q為所需要的樣本量；X2為自由度為 1 時給定置信水平；N為調(diào)研人口規(guī)模，人；P為人口比例，取0.5；ME 為期望的誤差范圍，%。

置信水平取0.95；ME 取0.03，設定回收率 75%，附加量15%，計算得到本次調(diào)研用戶數(shù)為 217 戶。調(diào)研范圍見圖1?，F(xiàn)場測試包括室內(nèi)CO2、PM10、PM2.5、VOCs、HCHO 的濃度的檢測。主觀問卷調(diào)查主要包括建筑基本信息，采暖習慣，開窗行為以及對室內(nèi)氣味、流通狀況及空氣品質總體滿意度評價。

圖1 調(diào)研地點分布圖

1.2 不同采暖方式下室內(nèi)污染物濃度監(jiān)測

根據(jù)ASHRARE Sandard 62-1999[9]中 《滿足可接受室內(nèi)空氣品質的通風》 對“可接受的室內(nèi)空氣品質”的定義，采用主客觀相結合的方式對河南、河北農(nóng)村居民進行入戶測試，測量儀器見表1 所示

表1 室內(nèi)空氣品質測量儀器

采樣點的選擇根據(jù)測量房間的大小而定。通過調(diào)研，農(nóng)村居民多在客廳放置采暖設備，且客廳面積一般約20 m2，故在客廳中央設置1 個測點。測點的高度與人的呼吸帶高度一致，距地面高度約為0.5～1.5 m[8]。測試時段集中在下午1 點至3 點，每個住戶需要測量 30分鐘。

1.3 灰色關聯(lián)法對室內(nèi)空氣品質的評價

灰色關聯(lián)分析方法是依據(jù)序列曲線形狀的相似程度來判斷序列間聯(lián)系的緊密性。該方法計算量小，不會出現(xiàn)量化結果與定性分析結果不符的情況，能夠反映樣本的級別，故已被一些學者用于辦公建筑室內(nèi)空氣品質評價中[10]

室內(nèi)空氣品質評價等級與環(huán)境污染對人的身體健康程度密切相關，其環(huán)境評價等級劃分見表2。

表2 室內(nèi)空氣質量劃分

2 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅特性及采暖現(xiàn)狀

2.1 寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅特性

通過調(diào)研，寒冷地區(qū)北方村鎮(zhèn)住宅多為自建房（約52.67%），傳統(tǒng)住宅多為四合院式單層平房，新建住宅多為2～3 層小樓房。傳統(tǒng)住宅建筑采暖集中在人員活動密集主屋采暖，新建建筑多在一層客廳、臥室采暖。

2.2 寒冷地區(qū)農(nóng)村采暖現(xiàn)狀

寒冷地區(qū)村鎮(zhèn)冬季常見的采暖方式有燃煤爐、燃氣爐、空調(diào)、土暖氣、電熱膜等，隨著國家清潔能源供暖政策的提出，越來越多的住戶向電供暖的方向轉變，對寒冷地區(qū)北方農(nóng)村采暖方式進行統(tǒng)計，結果見圖 2所示。結果表明，雖然電供暖的方式占比最大（空調(diào)、小太陽取暖器采暖分別占 36.97%，2 4.17%），但是仍有38.38%的住戶以燃煤為燃料的煤爐和土暖氣采暖。受到當?shù)氐馁Y源和居民家庭經(jīng)濟的限制，采用燃氣爐、壁掛爐和沼氣采暖的方式的住戶較少。

圖2 采暖方式統(tǒng)計圖

3 不同的采暖方式對室內(nèi)空氣品質的影響分析

3.1 不同采暖方式室內(nèi)污染物測量結果分析

對每種采暖方式的測量數(shù)據(jù)求平均值，并 與國家標準[10]進行對比，結果如圖3、4 所示。結果表明，除 電熱膜采暖方式下C O2濃度未標外，其 他 4 種采暖方式CO2濃度均有不同程度的超標，其中燃氣爐采暖最為嚴重。根據(jù)調(diào)研情況，采 用燃氣爐和空調(diào)采暖住戶在采暖時一般緊閉門窗，由 于燃料燃燒及人員聚集釋放的CO2無法排放，造 成濃度偏高。

圖3 不同采暖方式CO2 濃度統(tǒng)計圖

從圖4 中可得，空調(diào)及電熱膜采暖室內(nèi) PM2.5 和PM10 不超標，而燃煤爐及土暖氣采暖室內(nèi) PM2.5 濃度約是標準值的 5.17、5.26 倍，PM10 濃度約為標準值的3.55、3.13 倍；燃煤爐采暖室內(nèi) HCHO 濃度最高且超標。空調(diào)及電熱膜采暖室內(nèi)VOCs 不超標，其他三種采暖方式室內(nèi)VOCs 均大于0.6 mg/m3，超過標準。

圖4 不同采暖方式室內(nèi)污染物統(tǒng)計圖

3.2 主觀問卷調(diào)查結果分析

整理主觀問卷得到統(tǒng)計結果見圖5、6 。絕大多數(shù)居民認為采暖房間無異味，但分別有 35%、2 0%、3 5%的住戶認為燃煤爐采暖、燃氣爐采暖、土暖氣采暖的房間中有輕微異味，其中，還有5%燃煤爐采暖的居民認為房間異味無法忍受。超過90%的電熱膜采暖住戶認為室內(nèi)空氣較為流通，5 5%、5 7%的燃煤爐、土暖氣采暖住戶認為室內(nèi)空氣流通情況一般。而大部分空調(diào)及燃煤爐采暖住戶認為室內(nèi)空氣較悶，分別占 71%、75%。

圖5 室內(nèi)異味統(tǒng)計結果

圖6 空氣流通情況統(tǒng)計結果

對室內(nèi)空氣品質總體滿意度進行評價，從圖7 可以看出，空調(diào)采暖及電熱膜采暖住戶對室內(nèi)空氣較滿意，大部分土暖氣采暖及燃氣爐采暖住戶對室內(nèi)空氣品質基本滿意；而將近 89%的燃煤爐采暖住戶對室內(nèi)空氣品質較不滿意，其中有6%的住戶很不滿意。

圖7 室內(nèi)空氣品質總體滿意度評價統(tǒng)計結果

綜上所述，通過主觀問卷調(diào)查，以燃煤為主的燃煤爐采暖及土暖氣的采暖方式，室內(nèi)空氣品質總體較差，燃氣爐采暖及空調(diào)室內(nèi)空氣流通較差，可通過開窗通風改善室內(nèi)環(huán)境；綜合考慮，電熱膜采暖方式室內(nèi)空氣質量最佳。

3.3 灰色關聯(lián)法對室內(nèi)空氣品質的評價

根據(jù)表2，對農(nóng)宅室內(nèi)空氣品質評價分為4 個等級，其中清潔等級的標準為室內(nèi)空氣污染物的背景濃度，輕污染的級別為國家規(guī)定的標準濃度值[10]。由于室內(nèi)的各種污染物濃度變化范圍較寬，且不同污染物之間的測試數(shù)據(jù)數(shù)量級不同，對各污染物的濃度數(shù)值進行對數(shù)處理[10]，得到無量綱化的農(nóng)宅室內(nèi)空氣的評價標準和測試濃度值，如表3、4 所示。

表3 無量綱化的室內(nèi)空氣品質評價標準

表4 無量綱化的室內(nèi)空氣品質測試值

求出上述數(shù)據(jù)的關聯(lián)系數(shù)、關聯(lián)度，得到室內(nèi)空氣品質評價的計算結果，見表5 所示。

表5 室內(nèi)空氣品質評價的計算結果

從表 5 數(shù)據(jù)可得，空調(diào)及電熱膜采暖關聯(lián)系數(shù)接近于 1，對應未污染等級，室內(nèi)空氣品質良好；燃氣爐采暖對應輕污染等級。對于燃煤爐及土暖氣采暖方式，關聯(lián)系數(shù)較小，均屬于中污染等級，室內(nèi)空氣品質較差。

4 結論

通過現(xiàn)場測試及主觀問卷相結合的方式，結合灰色關聯(lián)分析法得到的結果，綜合分析燃煤爐采暖、空調(diào)采暖、燃氣爐采暖、土暖氣采暖、電熱膜采暖下室內(nèi)空氣品質，得出一致的結論。以燃煤為主的燃煤爐采暖及土暖氣采暖室內(nèi) PM2.5、PM10 嚴重超標，居民對室內(nèi)空氣品質的滿意度較低，室內(nèi)空氣品質較差，對人的身體健康易造成威脅。雖然燃氣爐的采暖方式室內(nèi)PM2.5、PM10 濃度并不高，但燃氣燃燒釋放大量 CO2，容易造成室內(nèi)人員頭疼，胸悶等癥狀，對室內(nèi)空氣質量影響也較大。而空調(diào)、電熱膜的采暖方式的室內(nèi)污染物濃度遠低于限值，居民對室內(nèi)空氣品質滿意度高，室內(nèi)環(huán)境較佳。雖然空調(diào)采暖住戶室內(nèi) CO2濃度較高，但可通過一定的通風策略進行改善。從環(huán)保及室內(nèi)健康角度考慮，電采暖是一種清潔的采暖方式，電代煤的供暖方式可營造農(nóng)村供暖室內(nèi)良好環(huán)境。但傳統(tǒng)的電采暖方式能耗大，電費高，對于農(nóng)村居民來講經(jīng)濟性不強，故適宜寒冷地區(qū)農(nóng)村住宅節(jié)能經(jīng)濟的電采暖方式值得進一步研究。