室内空气污染包括物理污染、化学污染和生物污染,来源于室内和室外两部分。如将污染源头进行汇总,应从室内和室外两方面考虑。调查表明,现代人平均 90%的时间生活和工作在室内,65%的时间在家里。因此,人们受到的空气污染主要来源于室内空气污染。
美国专家研究表明,室内空气的污染程度要比室外空气严重 2 ~ 5 倍,在特殊情况下可达百倍。室内空气中可检出 500 多种挥发性有机物,其中 20 多种是致癌物,某些有害气体浓度可高出户外十倍乃至几十倍。所以,美国已将室内空气污染归为危害公共健康的五大环境因素之一。专家认为,继“煤烟型”“光化学烟雾型”污染后,现代人正进入以“室内空气污染”为标志的第三污染时期。据统计,全球近一半的人处于室内空气污染中,室内环境污染已引起35.7%的呼吸道疾病,22%的慢性肺病和 15%的气管炎、支气管炎和肺癌。目前,中国每年由室内空气污染引起的超额死亡数已经达到 11.1 万人,超额急诊数达 430 万人次,直接和间接经济损失高达 107 亿美元。
室内污染的来源主要包括日用消费品和化学品的作用、建筑材料和个人活动,主要为以下6 个方面。
①各种燃料燃烧、烹调油烟及吸烟产生的CO、NO 2 、SO 2 、悬浮颗粒物、甲醛、多环芳烃等。
②室内淋浴、加湿空气等产生的卤代烃等化学污染物。
③建筑、装饰材料,家具和家用化学品释放的甲醛、挥发性有机化合物(VOCs),以及放射性氡等。
④家用电器和某些办公设备导致的电磁辐射等物理污染和臭氧等。
⑤通过人体呼吸、排汗、大小便等排出的CO 2 、氨类化合物、硫化氢等内源性化学污染物,呼出气中排出的苯、甲苯、苯乙烯、甲醇、二硫化碳、氯仿等外源性污染物;通过咳嗽、打喷嚏等喷出的流感病毒、结核杆菌、链球菌等生物污染物。
⑥室内用具产生的生物性污染,如在床褥、地毯中滋生的尘螨等。
由于病态建筑综合征或建筑相关疾病的暴发,人们开始反思建筑节能与建筑室内环境质量的关系,认识到建筑节能不能以牺牲室内空气品质为代价。
节能建筑的关注焦点包括室内热环境方面,尤其在建筑光环境设计方面,建筑节能同样大有可为。
首先是天然采光方面,应仔细考虑窗的面积及方位,并可设置反射阳光板或光导管等天然光导入设备;建筑内装修可采用浅色调,增加二次反射光线,通过这些手段保证获得足够的室内光线,并达到一定的均匀度,由此减少白天的人工照明,节省照明能耗,以及随之产生的、由于照明设备散热而增加的空调负荷。
对于太阳的热辐射问题,可视经济条件,合理设置遮阳设备,从最简单的遮阳板,到智能控制,还可采用热反射镀膜玻璃等材料,在夏季尽可能减少太阳辐射热进入室内,冬季又要有利于太阳光进入室内。门窗设置还要有利于自然通风、带走热量等。
在人工光环境设计方面同样有许多节能手段,首先是确定合理的照明标准和节能标准。我国于 2004 年 12 月 1 日起开始实施最新的《建筑照明设计标准》(GB 50034—2004),该标准不仅规定了各类房间与场所应达到的照明水平,而且还提出了与照度值对应的照明功率密度(单位面积上的照明安装功率,含光源、镇流器或变压器)值,除住宅外,公共建筑照明功率密度值的相关规定均为强制性条文,这将使我们在设计阶段就能有效控制照明能耗的总量;其次,在设备选择上,应采用高光效的光源,选用发光效率高、配光合理的灯具;对大面积的办公空间来说,将灯具与空调设备结合,直接将照明设施产生的热量带走,减少空调负荷也是有效的节能手段;再次,可采用光控、时控、红外监控等自动控制手段,在天然采光已达到人工照明的照度标准的地方与时段,关闭一部分人工照明,避免简单处理造成能源浪费。
随着节能技术的日臻完善,建筑节能目标已由昔日的通过牺牲舒适性标准或降低空气质量要求来实现节能,转变为在保证舒适性要求的前提下通过提高能源利用率来实现节能。针对我国能源利用率低、暖通空调能耗大的特点,这种以有效利用能源为节能目标的观念转变无疑是我国暖通空调行业在建筑节能市场的一大机遇。我国建筑总能耗占据社会终端能耗的20.7%,建筑能耗对国家、社会造成了能源负担,也在一定程度上制约了我国经济的可持续发展。根据能源界的研究和实践,普遍认为建筑节能是各种节能途径中潜力最大、最直接、最有效的方式之一。
现代建筑中广泛采用了空调、给(排)水、照明、电梯等耗能设备。空调一直是建筑能耗中的大户,约占整个建筑能耗的 35%以上。空调系统的能耗主要有两个方面:一是为了供给空气处理设备冷量和热量的冷热源能耗,如压缩式制冷机耗电,吸收式制冷机耗蒸汽或燃气,锅炉耗煤、燃油、燃气或电等;二是为了给房间送风和输送空调循环水,风机和水泵所消耗的电能。所以,建筑空调系统的节能主要包括降低设备能耗及运行控制能耗两大方面。
减少冷热源的能耗是关键。冷热源的能耗由建筑物所需要的供冷量和供热量决定,建筑物空调制冷量和需热量的影响因素主要为冷热负荷大小,包括室外气象参数(如室外空气温度、空气湿度、太阳辐射强度等),室内空调设计标准,外墙门窗的传热特性,室内人员、照明、设备的散热、散湿状况以及新风量等方面。冷热源能耗的减少可以通过以下 3 种形式实现。
(1)降低冷热负荷
冷热负荷是空调系统最基础的数据,制冷机、供热锅炉、冷热水循环泵以及给房间送冷、送热的空调箱、风机盘管等产品规格型号的选择都是以冷热负荷为依据的。如果能减少建筑的冷热负荷,不仅可以减小制冷机、供热锅炉、冷热水循环泵、空调箱、风机盘管等产品的规格,降低空调系统的初投资,而且这些设备规格减小后,所需的配电功率也会减少,有利于减少变配电设备初投资以及空调设备日常运行耗电量,降低运行费用。减少冷热负荷是商业建筑节能最根本的措施。房间内冷热量的损失主要通过房间的墙体、门窗等传递出去,减少建筑物的冷热负荷就是要改善建筑的保温隔热性能。
(2)合理降低系统设计负荷
目前,我国多数设计人员在设计空调系统时往往采用负荷指标进行估算,并且出于安全的考虑往往取值过大,造成了系统的冷热源、能量输配、设备末端换热设备的容量都大大超过实际的需求,形成了“大马拉小车”的现象,既增加了投资也不节能。
(3)控制新风量与降低室内温湿度设计标准
在有些建筑的空调系统中,需要大量引入新风以满足室内空气品质的要求。根据新风的引入方式,可以通过在过渡季节和冬季直接引入室外的温湿度相对较低的新风来带走房间内所产生的各项热湿负荷,无须使用集中制冷系统,从而达到“免费”供冷的节能效果。
在夏季时,利用夜间相对低温的新风,可以在非营运时间预先冷却室内空气。带走部分室内热量,减少白天工作时间的室内冷负荷,实现间歇性的免费预冷。从空调系统空气处理过程中可以看出,夏季室内温度和相对湿度越高,冬季室内温度及相对湿度越低,系统耗能就越大。为了节约能耗,空调房间的室内温湿度基数在满足生产要求和人体舒适的条件下,可降低室内温湿度设计标准,例如,温度在 17 ~ 28℃、相对湿度为 40%~ 70%,夏季取高值,冬季取低值。控制和正确使用新风量是空调系统的有效节能措施,在满足卫生、补偿排风、稀释有害气体浓度、保持正压等要求的前提下,不要盲目增大新风量,也可以采用CO 2 浓度控制器控制新风进风量。
空调系统节能关注两大方面,除努力减少建筑物的冷热源能耗之外,最重要的就是暖通空调系统在建筑节能中的优化。目前,可以通过采用变流量技术和增大送风温差和供回水温差的办法来提高系统能效。
(1)采用变流量技术
变风量(VAV)空调系统可以通过改变送风量的办法来控制不同房间的温湿度。同时,当各房间的负荷小于设计负荷时,变风量系统可以调节输送的风量,从而减小系统的总输送风量。这样,空调设备的容量也可以减小,既可以节省设备费的投资,也可以进一步降低系统的运行能耗。而风量的减小又节约了处理空气所需的能量。有资料显示,采用变风量系统可节约能源达 30%,并可同时提高环境的舒适性。该系统适用于楼层空间大而且房间多的建筑,尤其是办公楼,更能发挥其操作简单、舒适、节能的效果。据统计,采用变风量空调系统,全年空气输送能耗可节约 1 /3,设备容量可减小 20%~30%。
(2)增大送风温差和供回水温差
若系统中输送冷(热)量的载冷(热)介质的供回水温差采用较大值,则当它与原温差的比值为 N 时,从流量计算式可知,采用大温差时的流量为原来流量的 1 / N ,而管路损耗即水泵或风机的功耗则减小为原来的 1 / N 2 ,节能效果显著。故应在满足空调精度、人体舒适度和工艺要求的前提下,尽可能加大温差,但供回水温差一般不宜大于 8℃。
随着自动控制技术和变频技术的逐渐广泛,空调系统运行管理的自动控制,不仅可以保证空调房间温湿度精度要求和节约人力,而且可防止系统多余能量损失及节约能量。空调自动控制系统包括冷热源的能量控制、焓值控制、新风量控制、设备的启停时间和运行方式控制、温湿度设定控制、自动显示、记录等内容,可通过预测室内外空气状态参数(温度、湿度、焓值等)以维持室内舒适环境为约束条件,把最小耗能量作为评价函数,来判断和确定需要提供的冷热量、冷热源和空调机、风机、水泵的运行台数以及工作顺序、运行时间和空调系统各环节的操作运行方式,以达到最佳节能运行效果。不同类型的机组都有较完善的自动控制调节装置,能随负荷变化自动调节运行状况,保持高效率运行。空调机组、末端设备和水泵等设备采用变频控制,可以使该部分设备的能耗减少 30%以上。