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跟着菲斯特教授学被动房【六】

来源:沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心作者:沃尔夫冈·菲斯特

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《德国被动房基础理论》课程,共8节,由德国被动房研究所沃尔夫冈·菲斯特教授讲授,沈阳建筑大学夏晓东讲述,柴泽宾翻译,沈阳建筑大学建筑节能技术研究中心录制。本课程已获授权,转载必究。



第六节   建筑通风



课程PPT及讲义



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这节课我们来讲第六节,在开始之前我们通过这样一张图片来回顾一下前面几节课我们介绍的内容,也就是实现被动房的几个条件,主要包括围护结构的保温隔热、提高建筑的气密性、高性能的外门窗和避免热桥的内容,前面讲的这几部分内容都是与外围护结构直接相关的。


接下来要介绍的新风系统看起来与外围护结构不相关,但深层次的讲,新风系统与外围护结构是间接相关的,因为新风系统的布置要求是要和外围护结构尽可能的靠近布置。我们来看这张图片,由左上方这个绿颜色的新风管道进入到室内的空气温度与室外温度是一致的,比如冬季室外温度是零下15度,那么管道里的温度也是-15度,如果风管在室内布置的太长,就会对室内造成额外的热损失,也就是相当于我们增大了围护结构的表面积。


因此新风系统应该尽量靠近外围护结构布置,目前市面上已经有一些新风设备是与外围护结构相结合布置的系统设计。从这个角度来讲,新风系统的设备及进风管线部分是延伸的外围护结构部分。




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这节课我们先来介绍一下建筑通风、健康与室内空气品质的有关内容。




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我们谈到通风,很多人认为通风是和室内健康相关的。这里我们强调一下,我们说的通风不是室内的空气循环,而是将室外的新鲜空气送入到室内,同时将室内的污浊空气排出到室外的通风系统。



这里我们先介绍一下通风会给室内空气品质带来哪些好处。



第一个就是除湿,建筑室内的湿度较大会使室内的一些物品或部位发霉,将影响到人们的健康,同时湿度过大会对建筑物的质量和性能产生影响,甚至是破坏。这个之前介绍过了;



第二个是室内的污染物需要通风,比如说甲醛、氡气、灰尘等等对人的健康影响很大,我们要把这些污染物排出到室外,再把室外新鲜的空气补充进室内。那么室外空气中难免会有一些灰尘等污染物,我们可以在进风管道上加一个过滤装置,把这些颗粒过滤掉。



第三是室内舒适度方面,比如室内的一些气味、二氧化碳浓度升高等,都需要将这些气味或气体排到室外去。这些都需要通风来解决。




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我们先来看一下除湿方面的问题。这是在德国一些新建建筑中出现的问题照片,都是在建筑室内的一些部位出现发霉的现象,为什么会出现这样的问题呢?


至少有两种可能造成了发霉的问题,第一,前面的课程我们谈到过,发霉的部位都是因为湿度过大,而在室内的一些位置如果建筑保温不好,会使一些部位的温度低于水蒸气的露点温度,从而造成了结露,这些部位通常也是建筑的热桥部位。


第二是随着建筑气密性做得越来越好,室内外的换气量会降低很多,如果没有考虑通风,室内的湿度会逐渐增加,随着湿度的增加也会逐渐出现发霉问题。在德国一些地区要求外窗每天要开两次,但是这个要求还是不够,因为微风天气,室内的空气完全与室外交换,可能需要3个小时,那么每天开窗两次可能还是不够。为了更好地理解湿的问题,我们简要通俗地介绍一下水的蒸发和凝结现象。




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这里是一个里面装着部分水的密闭容器,在一个恒定的温度下,比如是20摄氏度,液态水中的水分子是一直在运动的,像这些箭头一样,各个方向在运动。




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有一些水分子运动的更激烈、更快一些,那么它可以离开液体的水,进入到了上面的空气部分,在空气中的水分子我们叫它水蒸气,这个现象就是蒸发,也就是水从从液态变成了气态。




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有些在空气中的水分子他的运动没有那么快,它还会回到液态水中,这个现象就是凝结,也就是水从气态又回到了液态。




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那么在这样一个密闭的容器中,蒸发与凝结会形成一个平衡,也就是空气的饱和含水量,在一个特定温度下,空气中容纳水蒸气的量是一定的,也就是空气中的含水量饱和了。




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比如在20摄氏度条件下,空气中的饱和含水量是17.3克每立方米,这是一个固定的值,也就是说空气中只能容纳下17.3g的水。




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不同的温度条件下,空气中的饱和含水量也是不同的,左侧是20摄氏度条件下,右侧是30摄氏度条件下,我们可以看到在30摄氏度条件下,空气中的饱和含水量达到了30.3克每立方米,温度越高水分子活动越剧烈,空气含水量也就越多。也就是说空气饱和含水量是与温度相关的。




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我们来看这张图表,它的横轴是温度,单位是摄氏度,纵轴是饱和状态下的空气含水量,单位是克每立方米。


通过这张表我们可以清晰地反映出温度与空气饱和含水量之间的关系,例如在20摄氏度条件下,空气中的饱和含水量是17.3克每立方米;在30摄氏度条件下,空气中的饱和含水量达到了30.3克每立方米;在10摄氏度条件下,空气中的饱和含水量达到了8-9克每立方米;它的基本规律是温度越高空气饱和含水量越高。




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我们来看一下相对湿度,相对湿度是空气中的水蒸气分压力与相同条件下水的饱和压力的比。前面讲的空气中的饱和含水量是在一个理想状态下的值,也就是密闭恒温条件下的空气中饱和含水量。


那么现实中由于没有这种理想状态,空气是流动的,室内外也是流通的,温度也是有变化的,那么这样的条件下,空气中的含水量只有饱和状态下的一半。比如20度条件下,空气中的饱和含水量是17.3克每立方米,实际空气中的含水量大约在8-9克每立方米。




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那么这个时候,把这个含水量放在10摄氏度条件下,根据相对湿度的定义,空气中的水蒸气分压力与相同条件下水的饱和压力的比,这个时候的相对湿度是92.5%。还是这么多含水量在20摄氏度条件下,相对湿度就是50%。


同样这个含水量,如果温度再继续降低,降到10摄氏度以下,相对湿度就将达到100%,也就是说空气中已经容纳不了这么多的水了,就开始从空气中脱离出来,冷凝也就产生了。这就是在温度比较低的部位湿度比较大的原因,当围护结构内表面温度低于露点温度时就会发生结露的现象。





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这张图是对我们前面讲到的结露和发霉的问题的一个分析,这是在2001年2月对一个卧室的室内空气相对湿度和外墙内表面相对湿度的监测曲线,绿颜色的是外墙内表面的相对湿度的变化曲线,黑色的是室内空气相对湿度的变化曲线。


那么我们来看一下绿色的外墙内表面的相对湿度,如果一栋建筑他的保温非常差,那么外墙内表面温度和室内空气温度可以相差八九度,外墙内表面的温度也就较低,他的相对湿度也就很大,因此监测的外墙内表面相对湿度在80-85%左右,这个湿度就足以产生发霉了。



室内环境20摄氏度时,当某一处围护结构的内表面温度较低时,冷凝和结露就会在这个位置发生。这就是解释一下为什么围护结构内表面会结露的原因。


那么如何避免这个问题呢?第一个有效的措施是把建筑的保温做好,使外墙内表面温度不要太低;第二个方法是降低室内的相对湿度,比如开窗通风,通过监测我们可以看到室内空气的相对湿度在上升,原因是通风不足造成的,当开窗通风时,相对湿度很快就降下来了,当把外窗关上后很快室内空气的相对湿度又上升了。这个住户每天开窗3次,但是从总体来看,开窗通风并没有降低室内的相对湿度,因此我们认为每天开窗两次是不够的。


所以我们推荐的通风方式应该是持续的,这样才能够降低室内的相对湿度。





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下面我们来看一下被动房的室内通风组织,首先需要将室内污浊的空气排出去,排风口通常是在卫生间里,这是排风区,图中红颜色的箭头表示排风,在主要使用空间比如卧室、起居室我们将新鲜的空气补充进来,风口的设置应该使新风能够覆盖整个房间,不要形成短路,然后经过一些小过厅、过道这样的过渡区,气流再进入排风区排出去。这样形成一个循环。





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如果使用持续的通风方式,可以有效地降低室内相对湿度,从而降低结露的可能性。这就是在被动房体系中我们需要一个持续的通风系统的原因,也就是说可以通过控制通风来控制室内的相对湿度。


只要室内相对湿度控制在62%以下,就没有任何结露的隐患。另外送风区尽量选择在湿度较低的空间,比如卧室、起居室;排风区选择在湿度比较高的空间,比如卫生间、厨房;这样有利于室内湿气的排出。




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下面我们来看一看室内空气污染问题,首先就是甲醛,HCHO是甲醛,它是一种致癌的物质,不同的组织有不同的标准,世界卫生组织将含量标准控制在60微克每立方米,当然还有一些更严格的标准可以达到20微克每立方米。


那么在室内装修或家具的板材的胶中通常都含有甲醛,常规的土建类建材基本都是钢材、水泥、玻璃、塑料等基本没有什么甲醛,那么主要的来源在室内装饰装修阶段,内墙涂料和家具是释放甲醛的主要来源。



我们在部分被动房建筑里进行过甲醛检测,1997年在德国达姆斯塔特的一栋被动房中,检测的结果是在8-70微克每立方米,平均浓度在34微克每立方米。2002年在德国纽伦堡的一栋被动房中,检测的结果是在10-40微克每立方米,平均浓度在21微克每立方米。



因此室内装修需要甲醛含量低的建材,才能实现20 - 40微克每立方米这个浓度。这里可以得出一个结论:持续舒适的通风可以降低室内污染物浓度,减少通风量是不可取的。




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还有一些室内的污染物我们称它为VOC,VOC是挥发性有机化合物(volatile organiccompounds)的英文缩写,他对人体健康也是有害的,左侧的一列是VOC中的一些有害成分,世卫组织,规定了相应的浓度标准,他的单位是毫克每立方米,这个I级是推荐的不影响健康的标准,II级是对人体产生健康影响的浓度标准。被动房是按照I级甚至更低浓度的标准执行的。



还有一些一氧化碳等等有害气体,那么所有室内有机气态物质称为TVOC,他的总含量应该控制在0.3毫克每立方米才不会影响健康。也就是空气中VOC和TVOC的浓度不超过300毫克每立方米时被认为是对人体没什么危害的。浓度达到1000mg时人体也没有什么明显的感觉。




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室内还有一种有害气体是氡气,它是一种放射性气体,它的浓度建议值是150-250贝可每立方米,氡气是来自于土壤中的,它是有名的致癌物质,会引起肺癌。这也就是我们在做绿色建筑评价时,建筑选址阶段需要检测土壤中氡的含量的原因。我们依然对前面检测的两栋被动房建筑进行了氡气含量检测,两栋建筑的氡气含量分别在23.5和20贝可每立方米。




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那么我们知道了氡是从土壤中来的,但它为什么能够进入室内呢?实际上土壤中会存在一些放射性物质。这里我们简要介绍一下氡是怎么形成的,先说铀238,铀238又叫贫铀,每一千个铀原子当中只有七个是铀235,其余的都是铀238。



铀238的半衰期时间非常非常非常的长,你感觉彩票中奖几率低吗?铀238的半衰期是468亿年,半衰期是放射性元素的原子核有半数发生衰变时所需要的时间。铀238经过半衰期后衰变成钍元素Th234,钍再经过一系列的复杂变化成为镭-226,镭在衰变过程中放出放射性气体氡气,氡气是由居里夫人发现的。镭不断地向土壤中放出放射性的氡气,氡可以穿透建筑的混凝土底板继续向室内辐射。





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在德国的平均放射性辐射剂量为每年4毫西弗(mSv)。毫西弗是剂量当量的单位,这种辐射主要来源有两种,一种是自然界的辐射,一种是人工的辐射。左侧就是人工的辐射,主要来自于核反应、核武器试验、科学研究和核反应堆的事故,还有很大一部分用在医学领域,氡可以杀死肿瘤细胞,也用在化疗里面。自然界的辐射包括宇宙的射线、甚至食物中、土壤中的辐射和室内的氡辐射这些是主要的来源。




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上面这个图就是从铀238衰变开始的一系列元素,大家了解一下就可以了。氡气会增加罹患肺癌的风险。Wichmann这位研究人员在2004发布了一项研究结果,在德国每年死亡84万人,其中死于肺癌的大约37000人,占比4.4%,因为吸烟导致死亡的大约32000人,占比3.9%,室内氡辐射引起的死亡大约2500人,占了0.3%。在德国室内氡的辐射量大约在50贝可每立方米。贝可是放射性活度单位。放射性元素每秒有一个原子发生衰变时,其放射性活度即为1贝可。




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这是在德国的死亡风险比例图,蓝色的部分是心脑血管疾病,占了47%,诱发因素主要是吃得太好,运动太少,太胖了。其他疾病占了24%,癌症占比19%,其中由吸烟引起的肺癌比例最大,占了3.9%,氡辐射引起的肺癌占了0.3%。


所以,建议吸烟的人士要戒烟,因为吸烟引起肺癌的比例非常大,死亡率也是非常高。这里值得注意的一点是,死于谋杀的比例非常的小,只有0.05%,这里还包括了恐怖袭击的死亡人数,人们对谋杀的关注非常的高,然而这只是非常非常小的比例,而对发生在身边的真正高死亡比例和高死亡率的问题却不够关注,这是人们的通病。


那么在德国死于氡辐射的大约2500人,而在中国呢,可能每年有几万人,只是大家并不知道这个原因。




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那么我们如何减少氡辐射对人们的影响呢,首先要知道它是如何进入室内的。我们来看这张图片,这是一个带有地下室的二层建筑,通常在大气中的氡气含量非常的少,大约只有15贝可每立方米,土壤中的含量相对较高,可以达到20000贝可,尤其是在矿场附近,氡含量会很高。


如果我们的建筑底板气密性不是很好或者有裂缝,氡气就会渗透进来,进入建筑的地下室,地下室内的氡含量可以达到300贝可每立方米,然后氡气会逐渐进入上部的建筑空间,含量在减少,大约在120贝可,而后再由一层进入二层,二层会达到50贝可每立方米。





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如何防止氡气进入室内呢?有效的方法还是做好建筑的气密性。如果做好了建筑气密性,向上进入一层空间的氡含量将下降到25贝可,到达二层的氡含量将只有17贝可,从这个方面考虑,做好建筑的气密性有助于降低室内的氡含量。




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这张图表反映了通风和室内氡含量导致肺癌的几率关系。纵轴是室内氡含量导致肺癌的几率,横轴是通风量。红颜色的曲线是建筑没有通风和围护结构没有与土壤做好气密性措施的曲线,它是比较高的。蓝色三角形的曲线是围护结构做好与土壤的气密性措施的曲线,这个几率明显下降了许多,绿颜色圆圈的曲线是增加通风后的曲线,同样也是降低了很多。




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前面我们介绍了氡的危害,那么降低室内氡含量我们推荐以下一些措施,实际上这些建议也是防止氡辐射的研究中心给出的建议。第一,建筑主体的围护结构应与土壤或地下室做好气密层;第二,如果氡气已经进入了地下室,那么地下室就要增强排风,排风使地下室内成为负压,其他空间的空气将向地下室流动,地下室的空气就不会向其他空间流动;第三,在建筑室内材料的选择上要避免氡含量较高的建材,比如说石材;第四,主要使用房间需要充分的通风,每人每小时25-35立方米的新风量比较合适,最少也要换气0.3次每小时;第五,新风与排风的平衡比单纯的排风效果要好。





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下面我们来看一下被动房里的氡含量。


这张图表的纵轴是氡含量,横轴是时间轴。这张监测的图表是由这位教授监测的,他也是研究控制氡辐射的专家。他选取了一个在德国土壤中氡含量较高的地区的一栋被动房进行监测,浅蓝色的是大气中的氡含量,红色的和黄色的曲线是被动房内两个不同的房间内的氡含量,大家可以看到在被动房里面的氡含量比限制标准的值低很多。


在蓝色的竖线这个位置,关闭了新风系统,氡含量会快速的升高,而且超过了限制标准。通过这个研究,可以看到没有充足的通风室内氡含量会快速升高。充足的通风还同样适用于其他的室内污染物,因为氡含量的检测比较容易,我们就用这张图表展示了被动房中通风的重要性。



氡含量的控制和被动房的原则很好地结合在了一起,也就是说被动房通风的原则可以有效控制室内氡含量,条件是通风系统工作时有轻微的超压。关闭通风系统会导致室内空气中氡的含量显著增加。



这节课我们介绍了室内空气品质和通风的重要性,那么下一节课我们将介绍怎样组织通风。


好,这节课我们就介绍到这里,谢谢!



点击回看:第一节   被动房概述


点击回看:第二节   围护结构的保温隔热


点击回看:第三节 围护结构的气密性


点击回看:第四节 建筑外门窗


点击回看:第五节 避免热桥