基金项目:国家杰出青年科学基金(51325803)
第一作者:杨晶晶(1988-)女,博士,研究方向为西北地区草砖墙体优化设计研究. E-mail:1078353385@qq.com
(西安建筑科技大学 建筑学院,陕西 西安 710055)
(School of Architecture, Xi'an Univ. of Arch. & Tech., Xi'an 71005, China)
straw bale building; air temperature and humidity; wall surface temperature; MRT; CO2 concen-tration; particulate concentration
DOI: 10.15986j.1006-7930.2018.04.016
为了解草砖建筑热工性能和室内热环境,选取汤原县一草砖建筑和当地典型砖混民居进行冬季室内外热环境和室内空气质量对比测试,结果表明:相对于砖混建筑,草砖墙体具有保温节煤、调节室内湿度的作用.但草砖墙体内表面温度振幅较大,在夜间墙体壁面温度低于室内空气温度,易形成冷辐射.
To test thermal performance,indoor thermal environment and indoor air quality of straw bale buildings in northeast of China, a straw bale building built in 2002 and local typical brick dwellings built in 2008 were selected. Results showed that compared with brick wall of the same thickness, the straw bale walls functioned as adjuster of indoor air humidity and thermal insulation. The amplitude of inner surface temperature of straw bale walls were larger than that of brick walls, which was lower than it was at night, forming cold radiation to residents.
草砖建筑是以机械压力捆扎的麦草秸秆为构造性或非构造性墙体而建造的房屋,它最早起源于20世纪初的美国内布拉斯加州.目前正在加拿大、法国、澳大利亚、英国、荷兰、中国、蒙古、阿根廷、墨西哥和新西兰等40多个国家推广应用,具有保温节能、造价低廉、生态环保、隔声、抗震性能好、节能高效、有机的室内环境等优点.[1]草砖房尤以其保温性能最为明显,资料[2]显示,草砖的导热系数为0.11 W/(m·K),是粘土砖墙的1/7,普通混凝土墙的1/14.而我国东北地区冬季严寒漫长,室内采暖每年需消耗大量的煤炭,在东北地区应用草砖建筑有很大的节能潜力.最早把草砖技术引进国内的是中国21世纪议程管理中心与安泽国际救援协会合作1999 年起在我国北方农村地区开始实施“节能草砖房建设与示范工程”.草砖建筑的发展促进了国内外学者对其的研究,文献[3-5]系统介绍了草砖的性能特点和草砖建筑建造方法,为自建者和建筑师提供了系统指导.中国建筑科学研究院防火研究所王礼[6]首次在国内进行了非承重草砖墙体防火实验研究,揭示了草砖墙体防火的原因,为草砖建筑在国内的推广奠定了基础.段文峰[7]提出了承重高密度秸秆草砖隼接型和插筋型墙体,拓宽了草砖作为建筑围护结构的应用形式.哈尔滨工业大学金虹老师团队[8-11]提出了草砖墙体三种构造做法,建成示范建筑并研究其热工性能,推动了草砖建筑在东北地区的进一步推广.新疆农业大学[12-13]针对棉花秸秆墙体分别进行了热工性能、力学性能的研究.为了解草砖建筑在东北地区特定气候条件下草砖建筑冬季室内热环境和室内空气质量,课题组于2017年1月15日~1月21日对黑龙江省佳木斯市汤原县一栋草砖建筑进行热环境现场实测,并选取常见砖混建筑进行对比.
课题组于2017年1月15日~1月20日在黑龙江省汤原县兴华村选取3号草砖建筑和当地一典型砖混建筑进行对比测试,测试建筑构造做法如表1所示.
图3为2017年1月17日~1月20日期间测试的水平面总太阳辐射照度值,可以看出,测试期间太阳辐射峰值为378.76 W/m2,出现在11:30.日出时间07:00,日落时间16:00,每天日照时间9小时,虽然日照时间较短,但汤原县冬季干旱少雨,以晴天居多,太阳辐射资源稳定.特别对于东北寒冷的气候条件来说,太阳能资源弥足珍贵,并且在我国现行标准GB/T50824-2013《农村居住建筑节能设计标准》[14]中东北地区属于太阳能资源可利用区,因此可以考虑利用被动式太阳房改善民居室内热环境.
综合考虑农村生活习惯和经济水平等因素,我国现行标准GB/T50824-2013《农村居住建筑节能设计标准》[14]中规定严寒和寒冷地区农村居住建筑采暖期室内适宜温度为14~16 ℃.图4为2017年1月15日~17日期间测得的草砖建筑和砖混建筑室内外空气温度.
厨房是建筑中主要的热量来源,室内温度主要受耗煤量和围护结构热工性能的影响,两栋建筑中厨房面积大小相近,朝向相同,且建筑中常驻人口相同,因此对比两个厨房中室内空气温度来分析草砖墙体的保温性.可以看出,草砖建筑厨房室内最高22.1 ℃,平均18.13 ℃.砖混建筑厨房室内最高18.6 ℃,平均15.19 ℃,并且调研中发现草砖建筑每年耗煤量为2 t左右,而砖房建筑每年耗煤量为4 t左右,因此可以得出草砖建筑保温性能良好且节约耗煤量.
文献[15]认为室内湿度应在40%~70%范围内,超过70%时,霉菌和壁虱极容易繁殖,而低于40%时,流感传染病就会增加,并且由于眼、鼻和口腔粘膜干燥,人会感到不适甚至生病,且容易产生静电.图5为2017年1月15日~1月17日测试所得室内外空气湿度,结果显示草砖建筑卧室1室内空气湿度为8%~25%,卧室2室内空气湿度为21%~44%,砖混建筑卧室室内空气湿度为13%~40%.
可以看出两栋建筑室内空气湿度均偏低,室内空气特别干燥.此外,对比分析两栋建筑厨房室内空气湿度可以看出,草砖建筑厨房室内空气湿度为18%~40%,平均值为27.34%,波幅为11%; 砖混建筑厨房室内空气湿度为20%~69%,平均值为32.53%,波幅为24.5%.可以看出,在相同的条件下,砖混建筑厨房室内空气湿度明显大于草砖建筑厨房室内空气湿度,且湿度波动大.因此可以得出草砖墙体具有调节室内空气湿度的作用.
选取两栋建筑中南向卧室测试其室内壁面温度,图6~7所示为1月18日13:00~20日13:00两栋建筑南向卧室室内壁面温度.可以看出草砖建筑卧室2室内壁面温度整体大于砖房卧室室内壁面温度,但是壁面温度波幅均大于砖房卧室内(如表3所示),在草砖卧室内夜间采暖结束后温度下降较快,会低于室内空气温度,在白天高于室内空气温度.而砖房卧室室内壁面温度一直高于室内空气温度.砖房卧室黑球温度变化较大,这是因为砖房南向玻璃外没有加塑料薄膜,太阳光总投射比较大,因此室内黑球温度随着太阳辐射的影响较大.
房间周围壁面与人体之间所产生的辐射热交换对人体冷热感影响很大,MRT 是影响室内热舒适性的重要因素,在室内微气候中,气温与周围壁面温差相差很大时,热辐射的影响就非常大,产生平均辐射温度问题.因此,在分析MRT对室内热舒适性影响时必须与室内空气温度综合考虑.MRT是通过测量室内空气温度、风速以及黑球温度计算得到的,如式1.
MRT=tg+2.4V0.5(tg-ta)(1)
其中,tg为室内黑球温度,℃; ta为室内空气温度,℃; V为室内空气流速,m/s.由于冬季室内空气流速均小于0.02 m/s,操作温度可认为是空气温度ta与平均辐射温度tr的平均值[16],如式2.
to=(MRT+tg)/2(2)
计算得到草砖建筑和砖混民居室内的平均操作温度和室内空气温度的关系如图8所示.从图中可以看出,砖房卧室MRT一直高于室内空气温度,并且在09:00~13:00太阳辐射强时,MRT远高于室内空气温度,因此不会对人体形成冷辐射.但是在草砖建筑南向卧室内,白天室内MRT大于室内空气温度,但是夜间室内MRT小于室内空气温度,对人体形成冷辐射.这是因为草砖建筑墙体蓄热系数较小,室内壁面温度波幅较大.
CO2属于呼吸中枢兴奋剂,一般不对人体产生毒害作用.但当CO2含量超过一定量时会使人精神不振,工作效率低下.国标GB/T18883-2002《室内空气质量标准》[17]中规定CO2的日均值不应高于1 000 μL/L.图9为2017年1月17号~1月20号测定的室内CO2浓度,选取两栋建筑中和厨房相连的卧室进行对比测试,结果显示:草砖房卧室2日平均值稍微大于标准要求.砖房卧室内CO2浓度日均值均达到标准要求.并且两栋建筑中白天CO2含量明显低于晚上,这是因为约在晚上9.00开始会持续烧煤采暖,持续向室内释放CO2,等到煤燃尽时,室内CO2含量达到峰值,尽管晚上人们回家人体呼吸也会释放CO2,这和烧煤排放的CO2量相比还是很少的.并且发现尽管砖混建筑一年耗煤量大于草砖建筑,砖混建筑室内CO2浓度低于草砖建筑室内CO2浓度,这是因为现代砖房建筑面积偏大,内部空间开放易于CO2的扩散,而建于2000年的草砖建筑属于扶贫项目,建筑面积偏小,室内空间布局不利于通风从而限制了CO2的扩散.表4为室内CO2浓度峰值出现的时间,可以看出,CO2浓度主要是由取暖烧煤产生.而室内颗粒物主要来源于做饭时燃烧薪柴和取暖烧煤共同产生.
图9 室内CO2浓度日均值
Fig.9 Interior daily CO2 concentration
表4 颗粒物浓度、CO2浓度最大值及出现时间
Tab.4 Maximum value and emerging time of CO2 and particulate concentration
东北地区室内烧煤取暖一个最直接的负面影响就是室内颗粒物浓度的增加,PM2.5和PM10浓度是常见的衡量室内空气质量的参数之一,两者均可通过呼吸系统进入人体内,PM2.5更是可以深入肺泡,在肺部沉积,对人体造成不可逆转的伤害.世界卫生组织关于颗粒物、臭氧、二氧化氮和二氧化硫的空气质量准则中规定PM2.5的准则值为日平均值25 ug/m3,PM10的准则值为日平均值50 ug/m3.并且PM2.5检测网的空气质量新标准,把不同PM2.5浓度含量划分为不同的空气污染等级,如表5.
图 10为2017年1月17日—1月20日测定的两栋建筑室内的PM2.5和PM10浓度含量,草砖建筑卧室2日均值分别超标12.3、15、15.8倍.PM10日均值分别超标11.44、13.6、15倍.砖混建筑卧室内PM2.5日均值分别超标8.3、8.1、9.12倍.PM10日均值分别超标4.7、4.5、5.2倍.按照标准对空气污染等级的划分,草砖建筑室内环境属于严重污染,砖混建筑室内环境属于重度污染.并且从出现峰值的时间可以看出,室内颗粒物主要来源于做饭时燃烧薪柴和取暖烧煤产生.
佳木斯市汤原县新型生态民居建设树立了可持续发展的观念,根据当地的自然条件和经济状况,探索研究了生态建筑的适宜技术,引导了新农村建设中的科学建设和用能模式.对于东北地区的新农村建设具有重要的参考价值.但是由于受到当时经济条件和东北寒冷气候条件的限制,仍然存在一定的问题.
①由于自主取暖,东北民居室内空气温度在人体舒适范围内,相对相同厚度的粘土砖墙体,草砖墙体保温性能较好.
②东北民居室内空气相对湿度偏低,空气干燥.草砖墙体有一定的调节室内湿度的作用.
③草砖墙体因其蓄热系数较小,室内壁面温度波幅较大,在夜间草砖建筑室内MRT低于室内空气温度,对人体形成冷辐射.
④室内CO2浓度受采暖耗煤量、建筑平面布局、建筑气密性影响较大,在较宽敞的砖房民居中室内CO2浓度是可以达到标准要求的.东北草砖建筑属于扶贫项目,建筑面积小,平面布局局促不利于通风,不利于CO2的扩散,室内CO2浓度稍高于标准要求.
⑤东北民居白天和夜晚采暖阶段室内颗粒物含量均远超过国家标准限值,室内空气污染严重.且室内CO2主要来源于取暖烧煤,而室内颗粒物主要来源于做饭时燃烧薪柴和取暖烧煤的共同作用.