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疫情之下 | 对超低能耗建筑技术路线的思考

来源:高性能建筑作者:于震 吴剑林


2020年的新冠疫情对全社会的冲击是近百年来所罕见的,时至今日,全球的生活和经济秩序仍然没有全面恢复,后续会不会有长期多次的疫情反复?新冠肺炎是否会象SARS一样基本消失,或长期在人群中存在?这些问题仍然悬而未决。面对着疫情的冲击,全社会各行各业都在反思所在领域和疫情的关系,建筑行业也不例外。


各国科研人员在疫情期间,针对疫情开展了大量的研究。目前主要观点是新冠病毒主要通过呼吸和接触传染,在室内的传播风险远大于在室外,主要传播方式包括飞沫传染、接触传染,也有一些研究提出了新冠病毒可通过气溶胶传染,但气溶胶传染的风险大小和具体方式等各方仍有不同的意见。


我国建筑环境领域的科研人员在疫情期间举办了多次研讨,并结合2003年SARS期间的研究成果,开展了大量的研究工作。


在最紧急的时刻,全行业最关注的是如何控制院内感染、方舱医院的感染控制、以及在疫情期间必须开放的交通工具、公共建筑内部的防控措施和手段。


随着我国疫情的好转,目前复工复产成为主要工作,公共建筑的空调、通风是目前重点关注的对象。在疫情期间,中国建筑科学研究院环能院紧急组织编制了《疫情防控期间公共建筑空调通风系统运行管理指南》[1],以保障公共建筑空调通风系统的安全合理使用,防止因空调通风系统的不合理运行导致新型冠状病毒传播的扩散。


在5月17日下午,北京市西城区疾控中心接到辖区医疗机构发热门诊报告,西城区复兴门内大街55号出现33例集中发热病例,经连夜排查,已排除新冠肺炎病例,多数患者自述发热与近期使用中央空调有关,初步确定为共同暴露因素导致的集体性发热,病原体初步判断为A组乙型溶血性链球菌[2]。尽管这次集中发热情况不是由于新冠引起的,仍然为公共建筑的疫情后运维敲响了警钟。


超低能耗建筑和近零能耗建筑是国内外建筑行业发展的热点,超低能耗建筑除了可以大幅降低建筑能源消耗、减小环境足迹外,同样非常重要的是超低能耗建筑能够营造更舒适健康的室内环境。


在疫情的背景下,需要更全面地重新审视超低能耗建筑的技术路线,分析在特殊情况下,超低能耗建筑是否能够有效应对疫情或其他紧急情况,分析在平时情况下,超低能耗建筑技术体系能否更好地创造健康的室内环境。


根据《近零能耗建筑技术标准》GB∕T 51350-2019,超低能耗建筑具有高保温、高性能门窗,高气密性、新风热回收等与常规建筑不同的技术特点,以实现超低能耗的目标。


这些技术特点是超低能耗建筑区别于常规建筑的关键要素,他们除有助于节能降耗外,是否与营建健康的室内环境矛盾?是否适应在类似新冠疫情的特殊情况下的非常规情况运维,是否会存在一些未考虑到的风险?


下面,作者尝试从几个方面进行讨论,由于时间和水平的限制,不一定系统和准确,抛砖引玉,供行业内的专家讨论。


关于高效热回收新风系统


高效热回收系统是超低能耗建筑的重要技术措施之一。尤其是在严寒和寒冷地区,高效热回收新风系统能有效降低新风负荷,是超低能耗建筑供暖能耗降低的重要原因。然而,在疫情情况下,大多数技术指南建议关闭回收新风机组或采用全新风工况运行。


在公共建筑中,对于全热回收新风机组来说,通常采用金属转轮或传热传质薄膜进行热湿交换,两种方式都可能无法完全避免回风中的病毒通过热湿交换界面,进入到新风内,返回输送到室内进行传播。


对于显热交换的新风机组来说,原则上送风和排风经过板式、板翅式换热器采用非接触方式进行换热,新风回风不接触,不会产生病毒传播。


但是由于普遍存在的漏风情况,仍然不能说绝对安全。出于尽量降低传播风险的原则,多数指南建议关闭。如果漏风率很低,是否仍然需要关闭显热交换式新风热回收机组呢?在ASHRAE的指南中,仍然建议显式热交换机组运行在旁通工况,其目的主要是可以减少通风阻力,以引入更多的干净的室外新风。


对于居住建筑来说,目前超低能耗建筑多数采用分散式新风机组,但也存在一些采用集中式新风系统的项目。


对于户式系统来说,一户一个系统,由于家庭人员日常紧密接触的导致病毒传播风险远远高于由于新风热回收导致的传播风险,因此除非有个别人员单室隔离,否则户式系统可常规开启。


如果采用了集中式的新风系统,来为超低能耗建筑进行新风供应,考虑到多个户型汇总其他家庭中可能有感染人员,不管是考虑到新风热回收装置的漏风和传质风险,还是考虑长距离风系统正负压平衡失控的风险,都不建议开启集中热回收新风系统送新风,除非能够确保所有新风的流向和压力平衡。


总体而言,除非有特殊的设计和工程技术保障,超低能耗建筑系统更适合采用分散式的新风热回收系统。在疫情或流感季节,建议关闭非独立空间的新风热回收系统。


是否应提高暖通空调系统过滤等级


在美国制冷与空调工程师学会(ASHRAE)针对新冠疫情发布的文件中[3],认为暖通空调系统有助于减少新冠病毒的浓度并降低空气传播的污染。并认为空气过滤器能够通过降低空气中其他污染物从而有效降低病毒传播。


我国学者在SARS期间也进行了通过提高空调过滤等级进而控制医院病毒传播的尝试[4],取得了良好的效果,研究表明,风机盘管或AHU回风口设置高效过滤,有助于拦截飞沫和气凝胶载体,减少病毒传播风险。当然,目前研究的实验样本量较少,主要还是基于理论分析得到结论。


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ASHRAE关于新冠疫情的主页

(https://www.ashrae.org/about/news/2020/ashrae-issues-statements-on-relationship-between-covid-19-and-hvac-in-buildings)


总体来说,尽管对于是否开启中央空调系统不同的机构给出了不同的建议,但对于提高空调风系统的过滤等级,可以减少病毒传播风险并无太多争议。


对于超低能耗建筑来说,在应急期间提高回风过滤器等级,有助于降低室内病毒传播风险,在非应急期间,也类似于安装了额外的空气净化器,是有益于改善室内环境的措施。


是否应该在空调滤网处设置紫外消毒?过滤网是否会增加病毒传播概率?


另一个非常敏感的问题就是空调系统的清洗和消毒问题。直观感觉上,空调系统的风道,尤其是过滤器容易堆积灰尘,进而也会聚集病毒,是造成病毒二次污染的原因。


紫外线消毒是常见的病毒杀消方法,是否可以考虑在过滤器设置紫外灯进行消毒呢?在SARS期间,世界卫生组织明确不建议对空调设备进行紫外消毒,据说主要考虑的原因是紫外线无法保障100%杀消病菌(这一原因是否有依据,需要更多的文献和研究证明),当无法保障完全杀消时,反而有可能促使病毒发生变异。基于此假设,在过滤网设置紫外灯可能不是一个非常安全的选择。


另外,灰尘长期聚集在过滤网表面,感觉病毒都聚集在了一起,这时是否会增加病毒传播概率呢?在香港大学团队于3月27日在medRxiv发表的文章中来看[5],新冠病毒在光滑纸表面或纸巾表面仅能存活不到几十分钟到3个小时,但在光滑的塑料和不锈钢表面可存活多天。


尽管目前还没有针对不洁净的空调过滤器表面的实验结果,但没有明显结果可以表明在空调滤网上可能产生短时间二次污染概率的增加。值得注意的是,长期的污染物在潮湿条件下的聚集会导致有害微生物的增加,因此滤网定期清洗应该是必要的,但从目前研究看,不能直接得出过滤网的使用会增加新冠病毒室内污染的结论。


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在不同表面新冠病毒存活时间的实验结果[5]


卫生间污染物控制


除了空气传播外,卫生间污染物控制也是本次疫情期间社会广泛关注的重点。2003年SARS期间香港淘大花园总计有331名患者感染非典,死亡42人,是全球著名的非典重灾区。


根据事后的调查,淘大花园每栋建筑都有8条直立式污水管,用于收集整栋楼同一房间编号的污水。这条直通整楼的排污管,是病毒传播的重要通道。


由于大部分住户是用拖把而非冲水清洗地面,所以地台的U型聚水器干涸,未能够发挥隔气作用[6]。因此应保持地漏集水弯有效,避免设置干区地漏,避免卫生间负压过高,合理使用马桶盖。在欧洲暖通空调学会指南中“REHVA COVID-19 guidance document”,得到了较高的重视。指南建议卫生间保持7×24小时通风。


对于采用户式热回收(热泵)新风机组的超低能耗住宅来说,多在卫生间设置排风口,一方面避免卫生间污浊空气外泄,另一方面也可以循环室内空气,维持卫生间室内温度。需要注意的是,卫生间门需要保持敞开或者有安全的卫生间通往居室或走廊的通风通道,避免卫生间负压过低导致污染物吸入。


在居住使用时,卫生间实际上存在着噪声控制的要求,因此在长时间关门使用卫生间时,卫生间同时有排风和降噪的需求,因此,卫生间设置消声溢流通道是同时可以满足以上两个需求,并且避免了因关门排风导致同楼污染物从地漏进入卫生间的风险,有利于维持健康安全的卫生间环境。在未来的超低能耗建筑设计时,应考虑对以往的设计思路进行优化。


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REHVA关于新冠疫情的主页

(https://www.rehva.eu/activities/covid-19-guidance?no_cache=1)


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REHVA COVID-19 guidance document中图示的病毒传播途径[7]


对于公共建筑或者采用集中式热回收新风机组的项目来说,考虑到卫生间污染物浓度更大,从卫生间进行回风,并进行热回收的风险大于其他位置。


因此,在疫情期间,如非必要,不宜从卫生间回风进行热回收。在德国,对公共卫生间进行热回收是被允许的,然而从公共卫生的角度讲,最好使用完全非接触式换热(热管或其他方式)的方式,避免由于漏风、传质而导致污染物循环扩散。


关于较小的供冷供热容量与应急运行之间的关系


超低能耗建筑由于使用了多种主被动节能措施,其最大冷热负荷,尤其是热负荷显著低于常规建筑。


在很多项目中,超低能耗建筑的单位面积冷热指标仅为常规建筑的一半甚至更低。通常,超低能耗建筑冷热指标是基于动态能耗模拟确定的,这一指标依赖于计算时设定的运行模式。


比如,新风热回收装置是否开启、遮阳是否合理使用、是否开窗等。在疫情情况下,建筑物的主要目标是提供健康、安全的室内环境,降低病毒室内传播的风险,这时的运行工况远远偏离效率优先的预设工况,如果在超低能耗建筑设计时,不预考虑这些情况,就会难以维持该状态下的建筑室内热环境。


如果没有冗余设计,超低能耗建筑相对常规建筑,容错率更低。比如,当疫情发生在冬天或夏天时,当不能开启热回收系统时,新风系统如果不能运行,由于超低能耗建筑气密性更好,需要开启外窗,以保障室内空气质量,这时超低能耗建筑负荷大于实际情况,应该怎么办?设计时,应该怎么考虑、是否应该考虑这种情况。


是否应设置应急备用系统或使得暖通空调系统设计更有韧性/弹性?我们认为,应结合气候分区和建筑性质,确定应急方案。


比如,对于严寒地区,且必须在疫情期间使用的建筑,比如医院、住宅等,必须考虑这些风险,应在设计时严格评估,确保在不同类型的特殊情况下,能确保室内环境的安全、健康和温度可控。


建筑气密性和室内温湿度


在本次疫情期间,建筑通风被认为是降低室内病毒传播风险的最主要手段。钟南山院士和张文宏主任在多次采访中多次强调通风的必要性。


超低能耗建筑参考德国被动房,比常规建筑具有更好地气密性,那是不是说超低能耗建筑就通风不好,不利于疫情下运行呢?这就回到之前多次回复过的问题,超低能耗建筑鼓励在适宜时开窗通风,在天气不好不宜开窗时使用高效新风热回收系统。


开窗通风的自然通风换气次数远大于机械通风引入新风的换气次数。在特殊情况下,需要开窗通风时,超低能耗建筑可与常规建筑一样,实现同样的通风效果。


此外,在一些项目的现场测试中可以发现,超低能耗建筑由于有了更好地气密性,在严寒和寒冷地区,冬季室内湿度比常规建筑更高,并且通常具有更高的室内温度。从香港大学相关实验可以看出,新冠病毒在低温环境下存活更久[5]


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不同温度新冠病毒的存活率[5]


一些学者对于武汉疫情期间的病死率与室外温度和湿度进行了相关性分析[8],并得出了一些初步结论。但是,在疫情期间,病程的发展、医疗方式的改变、入院时间和医疗资源的改变也是随着时间变化的,在排除这些影响因素的前提下,才能明确获得室外温湿度与新冠肺炎相关性的准确关系,目前数据仍稍显不足。


对于病毒所在环境的湿度与病毒存活时间的影响,在2020年针对两种冠状病毒的研究表明,在50%相对湿度下,病毒的存活率低于20%或80%相对湿度下的存活率,存活率和相对湿度不是单调相关。


过干或过湿的环境不仅让人感到不舒适,还有可能延长病毒的存活时间。目前业界的基本共识是湿度低会影响空气中尘埃或病毒载体的传播,且低湿度会影响人体鼻腔粘膜的健康情况,增加病毒进入人体的机会。


高湿度会提高病毒繁殖能力和生存时间,也会增加其他微生物污染概率,健康的湿度范围是40-60%。

     

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20%相对湿度,50%相对湿度和80%相对湿度下冠状病毒的存活率[9]

相对于常规建筑,超低能耗建筑能更好地维持室内湿度,具有一定优势。从温度来说,实验表明室内温度更高,病毒存活时间越低,超低能耗建筑冬季普遍具有更高的室内温度和围护结构表面温度均匀性,有利于降低病毒存活时间(由于温度差异不大,可能效果有限)。


【讨论】


建筑行业需要积极反思新冠疫情带来的启示,在设计建造时预留特殊情况下尽量保持正常运行的能力,并且积极创造更安全、健康的室内环境。


结合新冠疫情的相关问题和可查阅到的有限文献,文章重新审视了超低能耗建筑技术体系,得出以下初步建议,供行业思考,由于水平有限,研究深度不足,本文结论仅供大家参考、讨论和指正。在工程实践中,仍应具体问题具体分析。


01


除非有特殊的设计和工程技术保障,超低能耗建筑系统更适合采用分散式的新风、空调系统。在有呼吸道传染病疫情或流感季节,建议关闭非独立空间的新风热回收系统。全热换热机组需考虑使用抗菌、抗病毒材料,各类新风热回收机组应尽量降低漏风率,或采用无接触传热机理。


02


超低能耗建筑在应急期间提高回风过滤器等级,有助于降低室内病毒传播风险,在非应急期间也是有益于改善室内环境的措施,未来空调机组设计可考虑更多的室内污染物控制附加措施,而不限于加大引入新风。但不宜在过滤装置处安装紫外消毒装置。


03


卫生间噪声管理和负压控制应在设计时避免存在矛盾。卫生间设置消声溢流通道可以同时满足以上两个需求,并且避免了因关门排风导致同楼污染物从地漏进入卫生间的风险,有利于维持健康安全的卫生间环境。在未来的超低能耗建筑设计时,应考虑对以往的设计思路进行优化。


04


如非必要,不宜从公共卫生间回风进行热回收。从公共卫生的角度讲,最好使用完全非接触式换热(热管或其他方式)的方式,避免由于漏风、传质因此得污染物循环扩散。


05


必须在疫情期间使用的建筑,比如医院、住宅等,在供冷供热能力选型时,需考虑非正常运行时的工况,应在设计时严格评估,确保在不同类型的特殊情况下,能确保室内环境的安全、健康和温度可控。


06


相对于常规建筑,由于有更好的气密性,超低能耗建筑能更好地维持室内湿度,从有限的文献来看,这有助于降低病毒存活时间。从温度来说,超低能耗建筑冬季普遍具有更高的室内温度和围护结构表面温度均匀性,有利于降低病毒存活时间(由于温度差异不大,可能效果有限)。


【参考文献】


[1] 中国建筑科学研究院 《疫情防控期间公共建筑空调通风系统运行管理指南》. http://www.bjzlxh.org.cn/art/2020/2/3/art_11844_448541.html

[2] 北京一单位33人集中发热, 已排除“新冠”, 与使用中央空调有关. https://www.sohu.com/a/396178922_321136

[3] ASHRAE, Statements on Relationship between Covid-19 and HVACiBuildings. https://www.ashrae.org/about/news/2020/ashrae-issues-statements-on-relationship-between-covid-19-and-hvac-in-buildings

[4] 沈晋明, 刘云祥, 唐喜庆. 上海某医院SARS病房改造. 暖通空调. 2004, 34(4), 61-64

[5] Alex W.H. Chin et.al. Stability of SARS-CoV-2 in different environmental conditions, medRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2020.03.15.20036673, March 27, 2020.

[6] 17年前香港淘大花园抗疫事件 对今天启示是什么?http://news.sina.com.cn/c/2020-02-02/doc-iimxxste8335208.shtml

[7] REHVA, COVID-19 guidance document. https://www.rehva.eu/activities/covid-19-guidance?no_cache=1

[8] Yueling Ma et al. Effects of temperature variation and humidity on the mortality of COVID-19 in Wuhan, medRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2020.03.15.20036426, March 18, 2020.

[9] Lisa M. Casanova et.al. Effects of Air Temperature and Relative Humidity on Coronavirus Survival on Surfaces. Applied and Environmental Microbiology, May 2010, p. 2712–2717