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China Building Environment and Energy Engineering

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一、建筑环境的基本科学概念     建筑环境与能源应用工程专业的任务就是要为人类创造健康、舒适、高效的用于生活、工作活动的建筑环境和生产工艺要求的建筑环境,同时实现最高效率地利用资源、最低限度地影响地球环境的目的。那么我们首先需要搞清楚的是人类到底需要什么样的建筑环境。     在建筑领域,“建筑环境”这个术语在不同的专业有着不同的含义。对于室内装饰设计专业来说,“建筑环境”主要意味着美学环境,其度量靠的是人的主观感受。对于建筑设计专业来说,“建筑环境”涉及建筑的空间设计,除了其相关的美学环境以外,可以用空间尺度来进行客观度量。而对于我们建筑环境与能源应用工程专业来说,“建筑环境”指的是在建筑围合、半围合空间中的热湿环境、空气品质、声环境、光环境。这些环境的优劣是可以用物理参数、化学参数和微生物参数等客观参数作为评价指标来进行定量描述的。实际上很多非建筑的围合环境,如交通工具(飞机、汽车、轮船、航天器、潜艇等)的内部环境也有相同的问题,不同的只是它们的外部环境具有各自的特点,也就是对室内环境的影响因素有所不同而已。所以这些全都是我们这个专业研究的对象,更准确地说,我们要研究的不只是建筑环境,而是所有围合空间的Built Environment——人工环境。  1、本专业需要涉及的基本科学概念     在这些环境参数中,最直接影响人们的生活品质的首先是热湿环境,因为具有适宜的热湿环境是人类生存的必要条件。所以从将近一个世纪前,人们就开始研究人体热舒适理论,即研究人体对各种不同的热环境的反应是什么样的,在什么条件下人们才会感到舒适,逐渐形成了人体热舒适理论。     我们在研究建筑室内热湿环境的时候,还必须关注室外气候。因为室外气候是影响室内热湿环境的最重要的因素之一。针对不同的室外气候,为建筑采取的应对策略也是不同的。第一章中就介绍了人类在不同的地域气候条件下为了创造宜居的室内环境采取了不同的建筑气候策略,因而导致地球上不同的地域建筑特征的千差万别。因此,我们需要对不同地域的室外气候特征,以及这些气候特征是怎么样影响建筑环境的有比较清晰的了解。为了描述一些地域气候的共性,人们提出了气候分区的概念,把具有类似气候特征的地域划分为同一个气候分区。一般来说,同一个气候分区中的建筑具有类似的热工性能,在建筑设计上具有类似的气候应对策略。因此,我们还需要掌握一些气候分区的规定和划分的方法。     为了控制建筑的热湿环境,其实建筑环境工程师们面对的处理对象主要的我们周围的空气。但这些空气从严格科学定义的角度上来说,应该称作“湿空气”,因为空气中不仅含有氧气、氮气等主要的气体成分,而且还含有水蒸气。水蒸气的含量有时低有时高,所以才会使得人们觉得有时干燥有时潮湿。所以我们不仅需要调节空气的温度,而且还需要调节空气的湿度,即有时需要除湿,有时需要加湿。但是空气的温度和湿度在变化时往往会互相牵制,使得人们并不容易达到目的。怎么样才能把空气的温度和湿度都处理到居住者需要的水平呢?所以我们还需要掌握湿空气的物理性质,才能够找到适合的方法来达到调控空气温度和湿度的目的。     人们盖房子是为了创造一个空间,在这个空间中人们可以营造自己需要的与室外不同的环境。但房子的墙、门窗、屋面、地板都不是绝热的。房子的墙、门窗、屋面、地板被统称为“围护结构”。热量会通过围护结构从室内传到室外,或者从室外传到室内,所以才使得人们需要给房间供暖,或者开空调给房间降温。需要给房间供暖需要的热量叫做热负荷,需要给房间降温需要的冷量叫做冷负荷。到底应该给室内供多少热,或者供多少冷,是需要经过计算的,否则就无法知道应该为建筑设置多大的供热供冷设备才能满足要求。所以建筑环境工程师还需要对围护结构的传热性质了如指掌,才能准确地算出通过围护结构会传递多少热量,同时还能够帮助建筑师选择适合的围护结构材料,以避免建筑的冷热负荷太大而不节能。     室内空气品质是有关人体健康的最重要的建筑环境要素,是近三十年来人们关注的对象,而且越来越受到重视,而之前并不是人们关心的重要问题。室内空气品质下降主要是因为新型合成材料和散发有害气体的电器产品在现代建筑中大量应用;为了节能,增强建筑密闭性导致进入室内的新鲜清洁的空气(工程上称为新风)量不足;室外空气污染致使我们丧失改善室内空气品质的基本条件。 建筑环境中还有声环境和光环境,也是我们需要关注的问题。我们需要避免室内环境控制系统在室内产生不愉快的噪声,我们还可能采用一些主动的方法来对抗一些无法消除的噪声,或者创造令人愉悦的声环境。照明灯具往往需要消耗大量的能源,同时又会在夏季给空调系统带来更大的负荷,导致建筑能耗的双重增加。这些都是我们需要解决的问题。 同样关注建筑热、声、光环境的另一个专业是大家可能都听说过的建筑物理专业。建筑物理是建筑学一级学科下的一个二级学科,目前已经改称作“建筑技术”专业,与建筑环境与能源应用专业具有类似的学科基础,但前者关注的是建筑物本体的性能,即被动式的环境调控方法,而后者则会更多地运用主动的手段如采用空调、通风和采暖设备系统等去调控环境。     绿色建筑是近十几年来大家越来越关注的话题,到底什么是绿色建筑?又与我们这个专业有什么关系?与我们那些专业基础和专业技术有关?本章也会就这个问题给予简介。    2、人需要的建筑热湿环境     人类是一种高度复杂的恒温动物。人体的生理机能要求体温必须维持近似恒定才能保证人体的各项生理功能正常,所以人体的生理反应总是尽量维持人体重要器官的温度相对稳定。因此,自从人类在世界上出现以来,寻求和创造适合生存的热环境一直是人类的一个重要任务,也是保证人类能够在地球上繁衍下去的一项重要任务。 在人类还没有掌握用火和有效地保存火种之前,其生存范围主要局限在热带雨林和热带草原的交接地带。热带雨林主要分布于赤道南北纬 5~10°以内的热带气候地区。其气候特点是全年高温多雨,无明显的季节区别,年平均温度在 24℃以上,最冷月平均温度在18 ℃ 以上,极端最高温度多数在 36 ℃ 以下。年降水量通常超过 2000mm,全年雨量分配均匀,常年湿润。     人类在漫长的进化过程中,形成了适应气候变化的生理机能。人体为了维持正常的体温,必须使产热和散热保持平衡。在炎热的环境中,人体会通过提高皮肤温度和促进出汗液蒸发来带走热量;而在寒冷的条件下,人体会收缩皮下毛细血管来减少体表层的血流量,或者通过冷颤来增加代谢率以保持体温。由于人类的祖先生活在热带雨林,因而人体对偏热环境的适应能力显著胜于偏冷环境。即使是闷热潮湿的气候,如极端最高温度在36 ℃ 以下热带雨林气候,也至多使人感觉不适,一般不会造成生命危险。因为在这种条件下,人体可以通过出汗蒸发散热来维持体温处于正常范围。但如果将人裸身置于寒冷环境中,例如气温接近0℃的环境,就很可能由于过于寒冷而濒临死亡,至少一些人体器官的生理功能会严重受损。在寒冷环境下,人体很难仅借助身体的热调节能力来维持正常的生存,而冷颤、血管收缩等调节方法仅能在小范围内产生作用,因此,必须借助服装、建筑或者生火等方法来维持体温不至于过低,以保护人体正常功能不会受损。 考古学家发现,人类活动的发展是从低纬度地区向高纬度地区扩展的。越是高纬度的地区,人类活动遗址的时间就越晚。在热带雨林,人类不需要建筑或者衣物就可以生存。当人类的活动逐渐向两极移动时,衣物是人类抵御寒冷环境的第一道屏障。伴随着人类活动向两极的移动,人类逐渐采用兽皮、树叶来覆盖身体,逐渐发展出各类织物,形成今日的服装。但在温带、寒带气候区,尤其是在寒冷的冬天,衣物并不足以为人类提供可靠的保障,只有作为掩蔽所的建筑物才有可能为人类提供适合生存和生活的热环境。因此可以说,建筑是人类适应相对寒冷气候的产物。人类从低纬度的热带雨林地区向寒带高纬地区逐渐迁徙的过程,利用建筑来适应不同气候,是人类适应与抗衡自然环境的最初体现。 建筑是人类与大自然(特别是恶劣的气候条件)不断抗争的产物。在功能上,建筑是人类作为生物体适应气候而生存的生理需要;在形式上,是人类启蒙文化的反映。因此,世界上比较古老的文明,如古埃及、古巴比伦、古印度和古代中国,都位于南北纬20°-40°之间,即所谓中低纬度文明带。从人类历史发展过程可见,人类的文明发展是与人类孜孜不倦地谋求适宜生存的热环境密切相关的。 在引入现代工业技术之前,人们已经懂得如何获得热量来保持居室温暖,因为通过燃烧燃料就可以达到目的。但为居室降温的手段却是非常有限的,如果没有机会获得天然冰的话,人们最多只能把室温降到室外温度的水平。然而在大部分情况下,取暖涉及到人类生存的问题,而降温更多的是涉及到人类舒适与健康的问题,受到关注的程度也有所不同。人们首先要先解决保证生存的问题,当经济发展到一定程度了,又会关注舒适的问题,再进一步就是关注健康的问题了。 二十世纪空调技术的发展,很大程度上提高了人们的生活品质。随着空调在生产、办公、居住环境中的普遍应用,设计人员急需了解室内环境参数应该控制在怎样的范围内,才能使得居住者感到满意,所以就出现了热舒适标准应该怎么制定的问题。 “人体热舒适”主要研究人对周围环境是“冷”还是“热”的感觉,以及对热环境的满意与否,即热舒适。因为人体热感觉和热舒适是不能用任何直接的方法来测量,只能通过邀请受试者在特定环境里回答关于冷热刺激与自己感受的关系问卷才能获得。但是,由于受遗传和生长环境的交互影响,人的个体之间在生理和心理方面存在着显著的个体差异。人们经常可以看到在同一个季节或者在同一个环境中,有人穿得短衣短裤不觉得冷,有人穿毛衣外套也不觉得热。甚至同一个人在不同时间处于同样的热环境下也可能产生不同的感觉,其影响因素非常复杂。这种复杂性是由人体的生理和心理交叉影响的特点决定的,这就使得对人的热舒适感的研究变成一个很复杂的课题,不像一般的物理实验或者化学实验那样有很强的结果重复性和明确的结论,而是需要大量的统计数据,还要对实验数据进行很多处理才能得到比较确定性的结论。 对热舒适标准的探讨早在20世纪初就开始了。最早人们通常把注意力放到温度上,以为只有温度影响人的冷热感觉。之后才逐渐认识到热辐射、风速和湿度对人体的舒适性也有影响。因此,人们就开始把这些参数组合在一起,通过实验室的受试者人体实验,来确定这些参数在人体热感觉方面的影响程度。例如,把干球温度和辐射组合在一起的“合成温度”,把干球温度、空气流速和湿度综合在一起的“有效温度”等等。当然,这些热环境的物理参数必须与人体本身的代谢率和衣着的热阻水平结合在一起共同对人体的热感觉发生作用。迄今为止,现有的研究成果揭示了影响人体热舒适主要有六个要素,即空气温度、湿度、风速、辐射(在室内就主要是远红外辐射)、着装量和活动量。除了大家都知道的温度越高会越热以外,潮湿会导致偏热的环境感觉更闷热,而在偏冷的环境感觉更冷。此外风速越高人会感到越冷,热辐射越强人就感到越热。人本身的状态也是重要的因素,比如着装厚重或者活动量大,人就会感到热。 由于人的个体差异很大,同一个人也有可能由于身体或者精神的条件变化而感觉有所变化,但这些差异都是正态分布的,或者说特殊的人总是少数群体。所以需要通过大量对不同受试者的测试,得出绝大多数人的平均热感觉来作为人体对一个环境参数组合的冷热评价的结论。 由于人体的热感觉和热舒适的程度受多个独立参数影响,人们又希望了解每一个独立参数的影响程度,例如湿度的影响有多大?辐射的影响有多大?因而人们不得不在实验中把一个个独立参数对结果的影响隔离开来进行研究,即只允许在不同的实验工况中改变一个参数的设置,其他参数均控制不变,这样就可以通过每个实验工况的结果知道这些单个的参数对于人体热舒适来说有多大作用了。在实验中,所有的参数都必须是稳定不变的,即所谓的稳态工况。由于受试者存在非常大的个体差异,而研究成果却要求是确定的和定量的,所以只能采用统计学意义上的概念如平均值、接受百分比、满意率等来描述人群的整体感觉,或者大部分人的感觉。因此,目前国际上正式发表的环境参数对人体热舒适影响的研究成果绝大部分都是稳态工况下的实验研究成果,而且被公认为经典并被纳入标准的也都是稳态热环境下人体热舒适的研究成果。目前空调采暖设计都是依据这些标准来做的。不过实际上我们所处的实际环境很少有参数稳定不变的,绝大部分都是处在变动的过程。在变动的动态热环境中人体的热舒适情况是怎么样的,还处于研究的起步阶段。由于动态热环境比稳态热环境的影响因素更复杂,因此研究的难度要大得多。 使用空调所引发的一些人体健康与舒适问题也引起了研究者的关注。长期在空调环境下生活,会削弱人体对偏热环境的耐受能力,增加机体生理调节系统的负担,从而使人体出现各种不适的生理性反应和感觉,是引发病态建筑综合症的重要原因。中国疾病预防控制中心曾于2000年、2001年在我国江苏和上海对使用空调的人群和不使用空调的人群进行了流行病学调查,发现包括神经和精神类不适感、消化系统类不适感、呼吸系统类不适感、皮肤黏膜类不适感在内的12类人体常见不适感,空调人群的发生率均高于非空调人群,且特别明显地表现在暑期“伤风/咳嗽/流鼻涕”的发病率上;使用空调的人群对热的耐受力较不使用空调的人群要差;缺乏热适应经历的人群在注意力、反应速度、视觉记忆和抽象思维方面均表现较差。很多已经公开发表的研究成果也表明,空调环境过低的室内温度和较大的室内外温差是引起病态建筑综合症的主要因素。这些研究成果还指出病态建筑综合症或者“空调病”与长期使用空调导致的人体热适应能力、热应激能力衰退有关。怎么样避免这些问题,也是我们需要研究的问题。 所以我们这个专业要面对这些问题,要认识这些问题,还要解决这些问题。除了现有已经成熟的热舒适标准以外,由于有很多具有新功能的建筑出现,其中的室内环境标准怎么制定还需要进一步探讨。目前我国很多热环境设计标准都是参照国外成果制定的,但他们的采用的受试者基本都是欧美人种,因此对中国人是否适用也是存疑的,因为很多研究已经证明了人种和气候适应性会导致差别很大的热舒适需求。所以我们一方面要学会用好现行的热舒适标准,另一方面还要进一步开展深入的研究,发展和完善我国的热舒适标准体系,不仅对设计有帮助,而且对空调采暖设备的开发、生产、运行控制也有关键的作用。另外,由于室内热环境标准对建筑的暖通空调能耗影响很大,因此热舒适的问题不仅影响室内环境品质,而且还会影响建筑能耗。  3、 关于室内空气品质 室内空气品质(Indoor Air Quality, IAQ)是指空气的成分以及各成分的浓度是否满足室内人员的舒适与健康的要求,空气的成分及其浓度决定着空气的品质。现代社会中人们约有90%的时间在室内度过,所以室内空气品质是至关重要的。清新的室外空气是维持室内空气品质的基本条件,因此室外空气品质也是同等重要的。…

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