綠色建筑與健康室內環(huán)境

綠色建筑與健康室內環(huán)境朱穎心清華大學建筑學院2017年11月27日吉林建筑大學建筑的原則古羅馬的馬可維特魯威(MarcusVitruviusPollio)在其公元前一世紀發(fā)表的著作《建筑十書》中提出建筑三原則：堅固、適用、美觀。2建筑的原則50年代，我國提出的建筑方針是：“適用、經濟、在可能條件下注意美觀”——14字方針；改革開放后，我國政府又重提建筑方針是：“適用、經濟、美觀”——六字方針；2016年2月21日發(fā)布的《中共中央國務院關于進一步加強城市規(guī)劃建設管理工作的若干意見》中又提出了新的八字方針：“適用、經濟、綠色、美觀”。3習主席在氣候變化巴黎大會開幕式上的講話面向未來，中國將把生態(tài)文明建設作為“十三五”規(guī)劃重要內容，落實創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享的發(fā)展理念，通過科技創(chuàng)新和體制機制創(chuàng)新，實施優(yōu)化產業(yè)結構、構建低碳能源體系、發(fā)展綠色建筑和低碳交通、建立全國碳排放交易市場等一系列政策措施，形成人和自然和諧發(fā)展現(xiàn)代化建設新格局。攜手構建合作共贏、公平合理的氣候變化治理機制2015年11月30日綠色建筑是什么？四節(jié)一環(huán)保在建筑的全壽命周期內，最大限度地節(jié)省資源(節(jié)能、節(jié)地、節(jié)水、節(jié)材)，保護環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑?！毒G色建筑評價標準GB50378》節(jié)能即是低碳！建筑環(huán)境與能源應用工程專業(yè)的重要任務！何為健康、舒適的建筑環(huán)境？

Healthybuiltenvironment恒溫恒濕？室內空氣質量達到醫(yī)院ICU水平？高度自動化？如果避免“空調病”？6當前熱舒適標準目前的熱舒適標準是基于PMV指標，是在人工氣候室內進行的穩(wěn)態(tài)均勻環(huán)境下的人體實驗得出來的ENISO7730A級，-0.2<PMV<+0.2，24.5±1.0CB級，-0.5<PMV<+0.5，24.5±1.5CC級，-0.7<PMV<+0.7，24.5±2.5C歐洲標準EN152517國際標準ISO7730美國標準ASHRAEStd55Fanger教授的PMV-PPD指標8國際標準ENISO-7730的A級熱舒適范圍越窄越好？

BC不滿意百分比%PMV溫度控制得越嚴格能耗越高Hoytetal.(2009)“Energysavingsfromextendedairtemperaturesetpointsandreductionsinroomairmixing.”InternationalConferenceonEnvironmentalErgonomics,Boston.供熱供冷“恒溫恒濕”對人真的好嗎？舊金山舊金山節(jié)能率%邁阿密邁阿密德盧斯德盧斯美國ASHRAE贊助的一項對不同ISO設計等級辦公室的實際滿意率調查Office

ISO-7730Class滿意率Satisfaction預測值Predicted

(100%-PPD)Townsville澳大利亞熱濕季節(jié)Townsville澳大利亞溫干季節(jié)Kalgoorlie

澳大利亞干熱季節(jié)Kalgoorlie

澳大利亞溫干季節(jié)AClassPMV±0.2>94%80%77%84%84%BClass

PMV±0.5>90%78%79%86%83%CClass

PMV±0.7>85%78%77%86%84%EdArens,Humphreys,R.deDear&Zhang

:Are‘classA’temperaturerequirementsrealisticordesirable?BuildingandEnvironment,V45(1),4-10,2010ClassA、B、C：調查所得滿意率完全沒有顯著性區(qū)別！但成本相差很遠。問題的提出2000年及2001年夏季，中國疾控中心分別在江蘇省及上海市進行“使用空調對健康影響”的流行病學調查方法結果各種不適癥狀的發(fā)生與使用空調有關，特別明顯地表現(xiàn)在暑期“傷風/咳嗽/流鼻涕”的發(fā)病率上；不適癥狀的發(fā)生率：

1.全空調組>4.無空調組

,特別是神經和精神類不適感最為顯著；缺乏熱適應經歷的人群在注意力、反應速度、視覺記憶和抽象思維方面均表現(xiàn)較差。CaoBin,ShangQi,DaiZizhu,YingxinZhu.TheimpactofAir-conditioningusageonsickbuildingsyndromeduringsummerinChina.IndoorandBuiltEnvironment,2013;22;3:490–4971.家里辦公室都空調2.僅辦公室空調3.僅家里空調4.家里單位都沒有空調神經系統(tǒng)消化系統(tǒng)呼吸系統(tǒng)皮膚黏膜不適癥狀的發(fā)生部位：2595個調查樣本分為4組

基本理念：舒適=健康！12舒服啊，好舒服！但是我依然需要鍛煉！13如何證明“舒適健康”？兩組受試者，均在北京生活兩年以上非空調組—男性10人，年齡20-30，家庭與工作環(huán)境無空調，或者每天在空調環(huán)境中逗留不超過2小時空調組—男性10人，年齡20-30，家庭與工作環(huán)境均開空調生理測量皮溫心率血壓體重（出汗率）血樣26C36C人工氣候室實驗26℃1小時36℃1小時實驗結果36C環(huán)境下，

空調組

體現(xiàn)了14平均皮溫空調非空調胸足溫差空調非空調出汗率(kg/p.h)心率變異性

(HRV)空調非空調空調非空調感覺更熱和更不舒適皮溫響應較慢，胸足溫差較大

(熱調節(jié)能力較差)較低的出汗率，較高的心率變異性——反映交感神經緊張程度高空調非空調TSV很熱熱有點熱不冷不熱有點冷冷很冷TCV空調非空調舒適稍不舒適

不舒適很不舒適HSP70(熱應激蛋白70)HSP70

高表示熱適應能力強血液中的熱應激蛋白HSP70:非空調組>空調組結論：長時間逗留在恒溫環(huán)境會導致人體的熱應激能力退化190.3300.1JuanYu,QinOuyang,YingxinZhu,HenggenShen,GuoguangCao,WeilinCui,AComparisonoftheThermalAdaptabilityofPeopleAccustomedtoAirConditionedEnvironmentsandNaturallyVentilatedEnvironments,IndoorAir,2012;22:110–118非空調組空調組間歇使用空調對人體健康有害嗎？實驗室調查：分體空調vs.自然通風(華南理工大學)分體空調的間歇使用可以讓人們根據(jù)自己的實際需求控制室內熱環(huán)境，人們可接受的熱環(huán)境范圍變寬心理調節(jié)起作用分體空調的間歇使用沒有使人體生理熱調節(jié)能力發(fā)生顯著變化16有空調無空調高低不同氣候區(qū)的人的冬季室內采暖舒適溫度有顯著差別夏熱冬冷地區(qū)嚴寒與寒冷地區(qū)北京上海17JuanYu,GuoguangCao,WeiliCui,QinOuyang,YingxinZhu,Peoplewholiveinacoldclimate:thermaladaptationdifferencesbasedonavailabilityofheating,IndoorAir,2013;23:303–310經常開到15℃以下經常達到22℃以上有點熱不冷不熱有點冷冷很冷舒適

稍不舒適不舒適很不舒適北京與上海人群熱反應實驗結果的區(qū)別18相比上海組，北京組感覺更冷ΔT=2.5oC北京組覺得更不舒適熱感覺投票TSV熱舒適投票TCV上海組北京組上海組北京組分別在上海和北京進行了人工氣候室的實驗北京組：男性31人，年齡20-26歲上海組：男性26人，年齡20-26歲統(tǒng)一服裝：棉質秋衣秋褲、厚毛衫、長褲、棉襪和拖鞋，1.1clo結果：北京組在18℃時熱感覺與上海組15.5℃時一樣。熱中性區(qū)冷習服舒適區(qū)熱習服舒適區(qū)代謝率環(huán)境溫度+50%+20%舒適：使得人體節(jié)省能量輕微不舒適：可刺激代謝率增加褐色脂肪白色脂肪促進白色脂肪分解產熱導致肥胖WoutervanMarkenLichtenbel教授

ToComfortornottoComfort?

在荷蘭埃因霍溫HealthyBuildingEurope2015國際會議上的大會主旨報告論文引出源：Thefutureofbrownadiposetissuesinthetreatmentoftype2diabetes,Diabetologia,DOI10.1007/s00125-015-3611-y,online偏冷暴露實驗（無冷顫代謝補償）環(huán)境溫度14-15℃，每天暴露6小時，暴露10天所有受試者對冷環(huán)境的舒適感都提高了偏瘦體型的年輕人(9女8男)體內褐色脂肪增加身體產熱量增加8位男性II型糖尿病患者血液中的胰島素敏感性顯著增加Lichtenbel:人類需要鍛煉我們的熱調節(jié)系統(tǒng)，并作為我們的健康生活方式的一部分，這樣就能增強我們對極端天氣條件的適應力。褐色脂肪增加冷習服前冷習服很舒適剛好舒適剛好不舒適很不舒適習服前習服后關于淮河兩岸供暖區(qū)與非供暖區(qū)人群健康的調查《美國科學院院報》2013年8月作者：北大、清華經管學院、MIT和以色列多名學者合作選取淮河南、北兩岸150公里以內地區(qū)，在氣候、文化、教育、食物、習俗、建筑、衣著等條件均類似，唯一區(qū)別是北岸是供暖區(qū)，南岸是非供暖區(qū)；發(fā)現(xiàn)南岸居民的預期平均壽命比北岸居民要長5年左右；由于北岸有燃煤供暖，導致北岸室外冬季懸浮顆粒物的濃度比南岸高184μg/m3：354.7vs.551.6(196.9)由于作者認為有室內供暖對健康的影響是正面的，因此他們把導致北岸預期壽命損失的原因歸于冬季的空氣污染。但是，如果偏離舒適的較低供暖溫度對健康的影響是正面的呢？21Y.Y.Chen,A.Ebenstein,M.Greenstone,H.B.Li,(2013)EvidenceontheimpactofsustainedexposuretoairpollutiononlifeexpectancyfromChina'sHuaiRiverpolicy,PNAS,2013(110):32-41人與環(huán)境之間的關系

人對環(huán)境有適應性2223自然通風時的室溫分布空調時的室溫分布Temperaturerang(C)Temperaturerang(C)Distribution(%)Distribution(%)北京夏季住宅的調研(有人在室期間)23自然通風期間人們可接受28-30℃空調期間室溫控制在26-28℃24在自然通風條件下人們可以接受的溫度上限高于常規(guī)空調下的值北京夏季調查結果

江蘇、浙江和上海夏季調查結果（清華大學）（中國疾病控制中心）可接受溫度上限90%接受率29C80%接受率30CAcceptance(%)Acceptance(%)25自然風與機械風在氣流紊動特征上有顯著差別V(m/s)自然風非關于平均值對稱非線性非周期性變化，褐色噪聲V(m/s)Time(min)1.20.90.60.300123456V(m/s)熱壓對流

居于二者之間？機械風關于平均值對稱隨機變化,白噪聲26氣流速度脈動的對數(shù)功率譜分析自然風：=1.2~1.66類似褐色噪聲機械風：=0~1.1接近白噪聲LogfLogE(f)LogflogE(f)LogfLogE(f)-2-10

0-2-4-6熱壓對流:=二者之間27混沌與分形分析——二維相空間重構自然風熱壓對流機械風

穩(wěn)定正弦仿自然風隨機

選擇比例28偏熱條件下，四種氣流的接受程度投票實驗受試者自己選擇的風速(m/s)穩(wěn)態(tài)方式模擬自然風正弦方式隨機方式平均風速1.1±0.10.81±0.080.72±0.040.87±0.0929熱感覺與吹風感29動態(tài)氣流能提供更強的冷效應在偏熱環(huán)境中，仿自然風引起的吹風感最小最小吹風感吹風感投票

穩(wěn)態(tài)風仿自然風

正弦風

穩(wěn)態(tài)風仿自然風

正弦風接受百分比中性偏暖環(huán)境，自然風接受度最高中性偏冷環(huán)境，穩(wěn)態(tài)風接受度最高舒適伴隨著不舒適的消除而產生在穩(wěn)定無刺激的環(huán)境里是感覺不到舒適的一旦不適的刺激不復存在，舒適感也就消失了——只有適度刺激存在，才能維持舒適動態(tài)熱環(huán)境關于“舒適”的哲學思辨Alliesthesia30Prof.RicharddeDear:Alliesthesia!(感覺變化)在海南省和東南亞非常普遍的設計沒有空調，但賓客們卻感到舒適這種室外環(huán)境為什么令人感到舒適？關于室外熱舒適，目前還沒有成熟的研究成果。就其開展深入的研究，探索該自然界賜予的秘密，對于如何在人工環(huán)境里實現(xiàn)類似的熱舒適感具有很重要的意義。32爭端頻生，怎么辦？33C個體控制是人類最早的熱環(huán)境營造理念熱帶雨林高緯度地區(qū)第一層熱環(huán)境調節(jié)手段：服裝第二層熱環(huán)境調節(jié)手段：建筑第一層的服裝為第二層建筑環(huán)境的營造提供了很大的自由度！我們能否進一步提高第一層手段的能力，從而擴展第二層建筑環(huán)境營造的自由度？34空調建筑中，人員是否具有獨立調控權，對舒適性也會有很大影響（無論用不用調控權）35FromProf.Ed.Arens,UCB傳統(tǒng)方式考慮適應性個體控制集中供暖小區(qū)壁掛爐采暖小區(qū)對北京市集中供暖與分散供暖的調研集中供暖：城市熱網，住戶不可獨立調節(jié)燃氣壁掛爐：可獨立調節(jié)36調查結果中性溫度18.622.0集中供暖壁掛爐熱感覺：壁掛爐用戶覺得更暖和室內氣溫(C)微熱微冷中性舒適區(qū)壁掛爐用戶相同室溫下覺得更暖和服裝調節(jié)比較積極滿意度更高熱中性的溫度比較低：18.6℃vs.22℃費用節(jié)省40%以上37BinCao,YingxinZhu,MinLi,QinOuyang:Individualanddistrictheating:Acomparisonofresidentialheatingmodeswithananalysisofadaptivethermalcomfort,EnergyandBuildings,78(2014):17-24服裝熱阻：壁掛爐用戶調節(jié)得更積極集中供暖壁掛爐室內氣溫(C)環(huán)境控制力對熱感覺影響的實驗1在以下工況進行人工氣候室內的人體熱反應對比實驗讓受試者知道有空調/沒有空調的對比付費空調/免費空調的對比(聲稱早開1℃扣除1/5的勞務費)受試者覺得需要開空調時就按鈴Time(minute)Temp(C)Time(minute)Temp(C)CasewithACCasewithoutAC38沒有環(huán)境控制能力，人的熱感覺變差人的焦慮心情惡化了主觀感覺如果人們認為自己能夠控制環(huán)境，即便他們什么都沒有調，TSV也能得到0.4~0.5的改善如果人們需要為空調付費，則TSV的改善作用就會打一些折扣，但影響不顯著服裝熱阻：0.57cloZhouXiang,OuyangQin,ZhuYingxin,Experimentalstudyoftheinfluenceofanticipatedcontrolonhumanthermalsensationandthermalcomfort,IndoorAir,2014;24:171–17739很熱熱微熱中性微冷沒有空調付費空調免費空調受試者熱感覺投票TSV室內空氣溫度℃環(huán)境控制力對熱感覺影響的實驗2有假的自行控制偏熱偏冷中性微熱微冷感知控制對熱感覺的影響畫餅真的可以充饑!很熱很冷熱冷微冷微熱“畫餅”前后20分鐘的受試者反應對比不冷不熱很滿意很不滿意熱感覺趨向不冷不熱滿意度提高傳統(tǒng)的個性化控制設備，日本的Kotatsu42可接受環(huán)境溫度很低：8~14℃新的個性化熱環(huán)境控制設備43UCB,Ed.Arens&HuiZhangP.O.Fanger個人自調節(jié)座椅（清華）調節(jié)方式：接觸式傳熱可能的冷源方式半導體制冷微型壓縮機相變材料44涼椅背的效果與熱舒適性所要求的椅背溫度比空氣溫度還高，因為接觸式傳熱系數(shù)更大局部冷卻必須嚴格進行人體熱舒適與健康實驗45有點熱熱中性綠色公共建筑的實際案例4647案例1.山東交通學院圖書館2007年建設部綠色建筑創(chuàng)新綜合一等獎第一名全國第一個綠色建筑運行標識（2星級）2001年設計，2003年竣工運行氣象條件：濟南氣象分區(qū)為寒冷地區(qū)，但夏季非常悶熱，被稱作新四大火爐之一最熱月平均溫度達到27.4℃，最高溫度常超過40℃最冷月平均溫度達到-1.4℃，最低溫度低于-10℃被動式手段不能完全解決冷熱問題，但能夠降低能耗48濟南49選址原址情況

廢棄的采石場，被充當垃圾填埋場，覆蓋4~5m深的垃圾，外加一個臭水池改造后

帶有一個景觀水池的7000m2

建設用地50北立面與拔風煙囪南立面51北立面屋頂?shù)陌物L煙囪西立面西墻的遮陽52主入口朝西室內環(huán)境控制策略熱壓誘導自然通風與夜間通風地道預冷新風利用人工湖代替冷卻塔玻璃幕墻噴水降溫合理的垂直與屋頂綠化自然采光設計雨水收集利用53夏季冬季中庭、南幕墻上的遮陽屋頂格柵遮陽東向退臺遮陽54自然通風設計55過渡季和涼爽夏季的通風模式56夜間通風百頁窗57地道風降溫技術

1根80米長，2根45m長地道，寬2m，深2.5m室外新風通過地道預冷/預熱后，送入空調箱處理夏季實測降溫效果為最大8℃，可承擔90％新風負荷地下風道剖面地道實景（內有排水、除濕措施）與室外進風百葉連接85米地道風的降溫效果，夏季可承擔90%的新風負荷（2006.7.5）8℃58中庭天然采光邊庭天然采光加強天然采光、減少照明能耗5960閱覽室與中庭之間的采光隔墻周邊區(qū)域利用天然采光加強天然采光、減少照明能耗廢舊物資回收利用61廢舊日光燈管用作邊庭頂部散射遮陽舊椅墊用作報告廳壁面吸聲材料就地取材，減少裝飾6263

實際效果實際年能耗比當?shù)毓?jié)能標準低20％全年總電耗：30kWh/m2夏季空調電耗：13.6kWh/m2采暖：7.8kg標煤/m2（63.4kWh/m2）建安費用為2150元/m2（2003年），增加不到3%案例2.深圳建科院大樓夏熱冬暖地區(qū)建設部綠色建筑創(chuàng)新綜合一等獎綠色建筑運行標識（3星級）建安費=4,200元/m22009年竣工建筑面積18170m264與當?shù)仄渌惤ㄖ啾?，空調期縮短了4.5個月當?shù)赝惤ㄖ照{期間約10個月AprilNovOctMarJanFebDec空調期Toutdoor65其他建筑空調期同類辦公樓