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，許多學(xué)者對室內(nèi)品質(zhì)進行了研究，但主要關(guān)注的是城市居住建筑和公共建筑.而對于我國寒冷地區(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)空氣的惡化對室內(nèi)人員的健康帶來了很大的威脅.有研究顯示，長期長期在污染環(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重的問題，所以，對農(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)計提供合理的依據(jù).

2 研究內(nèi)容

2.1 室內(nèi)空氣品質(zhì)

本文主要對3戶農(nóng)宅進行室內(nèi)空氣品質(zhì)模擬研究，通過平均空氣齡分布圖，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，進而可以了解不同方式下室內(nèi)空氣品質(zhì)好壞.3戶農(nóng)宅分別采用煤、秸稈、電供暖室內(nèi)污染物含量見下表1.

表1 冬季室內(nèi)污染物含量

就農(nóng)村空氣品質(zhì)來說，將農(nóng)村室內(nèi)空氣品質(zhì)分為4種標(biāo)準，即清潔、未污染、輕污染和中污染[4]，評價標(biāo)準見下表2.

表2 農(nóng)村室內(nèi)空氣品質(zhì)評價標(biāo)準

通過表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)評價標(biāo)準可以看出，室內(nèi)PM2.5和PM10污染較嚴重，CO和CO2污染相比較來看輕一些.

2.2 室內(nèi)平均空氣齡

表3 3戶農(nóng)宅的室內(nèi)溫濕度情況表

1號農(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供暖，左右兩間分別設(shè)置了暖氣片來供暖，室內(nèi)24小時有人，室內(nèi)主要散熱設(shè)備包括電視機、冰箱和電燈.2號農(nóng)宅供暖用的材料為秸稈，主要依靠爐子來供暖，室內(nèi)主要散熱設(shè)備包括電視機和電燈等.3號農(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、冰箱和電燈等.3戶農(nóng)宅的室內(nèi)溫濕度情況表見下表3.

室內(nèi)空氣品質(zhì)可以用空氣齡的大小來評價，空氣齡就是指新鮮空氣進入室內(nèi)后，在室內(nèi)停留的時間得長短，如果在室內(nèi)某地停留時間越短，則可以說明此處的空氣越新鮮，反之則相反，3戶農(nóng)宅的建筑結(jié)構(gòu)圖及平均空氣齡模擬結(jié)果見下圖1.

(a)1戶建筑結(jié)構(gòu)圖 (b)1戶平均空氣齡模擬圖

(c)2戶建筑結(jié)構(gòu)圖 (d)2戶平均空氣齡模擬圖

(e)3戶建筑結(jié)構(gòu)圖 (f)3戶平均空氣齡模擬圖

從模擬結(jié)果可以看出，1號農(nóng)宅和2號農(nóng)宅空氣齡與3號農(nóng)宅相比要大一些，說明1號農(nóng)宅和2號室內(nèi)空氣新鮮度要比3號農(nóng)宅差一些，因為1號農(nóng)宅和2號農(nóng)宅用煤和秸稈來供暖，煙氣中的CO、CO2、PM2.5等污染物氣體會釋放到室內(nèi)空氣中，所以空氣齡相比用電供暖來看要大一些，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)評價方式

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)分析方法對室內(nèi)空氣品質(zhì)進行評價.該方法主要是依據(jù)序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其之間的關(guān)聯(lián)性，如果兩曲線靠的越近，就可以說明關(guān)聯(lián)性越強，反之則相反[5].由于各種物質(zhì)的量綱不同，因此采用對數(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為國家標(biāo)準濃度值；k為有害物質(zhì)參數(shù)對應(yīng)的常數(shù)，k值采用文獻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)評價標(biāo)準，由公式(1)可以計算出無量綱的室內(nèi)污染物質(zhì)濃度和農(nóng)村室內(nèi)空氣品質(zhì)評價標(biāo)準，如下表4及表5所示：

表4 無量綱的室內(nèi)污染物質(zhì)濃度

表5 無量綱農(nóng)村室內(nèi)空氣品質(zhì)評價標(biāo)準

經(jīng)過初始化的數(shù)列為：

(2)

求兩級最大差與最小差：

(3)

(4)

求關(guān)聯(lián)系數(shù)：

(5)

計算關(guān)聯(lián)度：

依照灰關(guān)聯(lián)度的計算公式，從而可以計算出關(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號農(nóng)宅污染情況較嚴重，因為1號農(nóng)宅主要是用煤來供暖，煤的燃燒過程中會釋放出CO2，不完全燃燒會釋放CO，由于冬季為了維持室內(nèi)的溫度，所以大部分農(nóng)宅都很少開窗通風(fēng)，所以就導(dǎo)致了室內(nèi)的污染物沒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、清灰過程中都會給室內(nèi)帶來粉塵污染.2號和3號農(nóng)宅污染程度較低，3號采用了清潔能源，用電供暖減少了室內(nèi)的污染物濃度.

通過上述分析，要想提高室內(nèi)空氣新鮮度，可以減少用燒煤來供暖，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，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窗通風(fēng)，盡量使室內(nèi)污染物及時排到室外，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，說明用煤和秸稈供暖室內(nèi)空氣新鮮度要稍微差一些.因為煤和秸稈的燃燒會釋放出污染物質(zhì)，再加上冬季很少開窗通風(fēng)，所以使得污染物質(zhì)都留在了室內(nèi)沒有及時的排向室外.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.通過采用灰關(guān)聯(lián)分析法對室內(nèi)空氣品質(zhì)進行評價，可以看出由于煤和秸稈燃燒會釋放出污染物質(zhì)，從而相比于用電供暖會導(dǎo)致室內(nèi)空氣污染程度要大些.

由于大家對室內(nèi)污染物質(zhì)沒有很高的敏感度，可能對一些有色有味的污染氣體還能察覺到，但煙氣中也存在一些無色無味的污染物質(zhì)，室內(nèi)人員并不能在短期內(nèi)察覺到它們的存在，而對室內(nèi)人員的健康帶來危害.因此，如果使用煤或者秸稈供暖時，每天要開窗通風(fēng)，如果經(jīng)濟條件允許的情況下，可以采用清潔能源來供暖，從而可以提高室內(nèi)的空氣品質(zhì).