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建筑环境管理技术 东南大学能源与环境学院制冷与人工环境系陈振乾 室内空气品质简介 1 室内空气环境 室内热湿环境 室内空气品质2 室内空气品质的定义 客观 空气品质等价于一系列污染物浓度指标 主观 空气品质反映人们的满意程度 满意 高品质 反之 低品质 Fanger ASHRAE 良好的空气品质应该是 空气中没有已经的污染物达到公认的权威机构所确定的有害物浓度指标 且处于这种空气中的绝大多数人 80 对此没有表示不满意 ASHRAE62 1989 满足可接受室内空气品质的通风 1996发展 ASHRAE62 1989R 可接受的室内空气品质和可接受的感知室内空气品质 室内空气品质简介 3 室内空气品质研究回顾与进展 NO2 60年代开始 荷兰人Biersteker1965年研究发现室内浓度NO2高 烹饪产生NO2对人的负面影响 英国人Melia 吸烟影响 甲醛 70年代 研究发现甲醛是导致哮喘的重要源头 氡 50年代在室内研究发现 病态建筑综合症 80年代 从案例分析 有机有害挥发物 总暴露评估方法 TEAM 室外与室内有机有害挥发物暴露对人体的影响 室内空气品质研究 暖通空调 化学 生物学 建筑 热流体 生理 卫生 医学 4 为什么要研究建筑的空气环境 人们有超过90 的时间是在室内度过的 室内空气环境比室外还要重要 5 SBS SickBuildingSyndrome病态建筑综合症 现代都市病 症状头痛 恶心疲乏 失眠 记忆力衰退皮肤 粘膜有刺激感 眼红 流泪 咽干等 呼吸紊乱特点离开病态建筑一段时间后即恢复正常只有症状 难以进行医学确诊 无法确定病源 6 BRI BuildingRelativeIllness建筑关联病 可由医学认定的病原体所引起的特定疾病 可进行医学确诊 如 过敏性肺炎过敏性鼻炎哮喘军团病有机尘中毒肺癌 7 室内空气质量下降的原因 强调节能导致的建筑密闭性增强和新风量减少新型合成材料在现代建筑中大量应用散发有害气体的电器产品的大量使用传统集中空调系统的固有缺点以及系统设计和运行管理的不合理厨房和卫生间气流组织不合理室外空气污染 中国16亿m2 年的竣工面积使得室内空气质量问题显得尤为重要 8 1 NIOSH的调查 2 WHC的调查问题种类数量 数量 新风量不足2525271052内部污染物771616512外部污染物48101259建筑材料204272微生物污染26560 4无IAQ问题611232924 1 NIOSH 美国国立劳动安全卫生研究所 1987年发表的对484所办公建筑物的调查结果 2 WHC 加拿大卫生和福利机构 1990年发表的对1362所办公建筑物的调查结果 9 正常大气组分 常量 组分符号含量 ppm 氮气N2780840 00氧气O2209460 00氩气Ar9340 00氖气Ne18 18氦气He5 14氪气Kr1 14氢气H20 50 10 室内空气污染物的来源之一 室外来源 大气的易变量组分符号含量 ppm 水蒸气H2O130000二氧化碳CO2350甲烷CH41 67一氧化碳CO0 19臭氧O30 04氨气NH30 004二氧化氮NO20 001二氧化硫SO20 001一氧化氮NO0 0005 11 室内空气污染物的来源之一 室外来源 燃料的燃烧 交通工具 工业企业 城市垃圾等造成的 NOx SOx H2S 悬浮颗粒物 烟雾等地层放射性污染被污染的水 12 室内空气污染物的来源之二 室内来源 生产工艺工程 有机溶剂的蒸汽 燃烧产生的有毒气体 刺激性气体 生产性粉尘等人员活动厨房燃烧产物卫生间污染设计或管理不良的HVAC系统化学品污染建材 装修材料 日用化学产品家具和办公用品 13 家居活动污染 14 建材 装修材料 日化产品 15 空调设备与管道污染 过滤器 表冷器 风道 风机 16 室内污染物的来源 17 污染物类型CO2与其他有害气体 新陈代谢气味 汗液蒸发 呼吸 有机物排泄 微生物分解 氨气等悬浮颗粒物人体呼吸道排气污染149种 CO2 氨 苯 甲苯 苯乙烯 氯仿等病毒 细菌 室内空气污染物的来源之三 人体生物污染 18 室内空气污染物的来源之三 人体生物污染 人体其他污染物皮肤排泄物 CO2 CO 丙酮 苯 甲醛 甲烷 皮屑 英国 占室内灰尘的90 毛发等衣服上的灰尘 细菌烟草的烟气 尼古丁 甲醛 CO等 室内空气污染途径 1 室内空气污染源 化学污染 物理污染 生物污染化学污染物 主要包括从装修材料 化妆用品 涂料 厨房等地方释放或排放出来 有害燃烧产物 氮氧化物 硫氧化物 碳氧化物等无机污染物有机挥发物 VOC 苯 二甲苯等 中毒 头晕 VOC 除CO2 碳酸 金属炭化物 碳酸盐以及碳酸铵等一些参与大气中光化学反应之外的含碳化合物 主要包括甲烷 乙烷 丙酮 甲基乙酸和甲基硅酸等 TVOC 室内空气污染途径 化学污染物 主要包括从装修材料 化妆用品 涂料 厨房等地方释放或排放出来 甲醛 浓度超过0 6mg m3时 开始对人眼产生刺激 喉咙不适和疼痛 肺 肝 呼吸 氨 室内空气污染途径 物理污染 光声污染 包括室外交通工具产生的噪音 室内灯光照明不足或过亮等 热污染 温湿度过高或过低所引起的相关问题等 大气颗粒物污染 由室外进入或厨房烹饪过程中产生的颗粒物 它们往往由于吸附一些能导致人体癌变的化学物质而被人类所普遍关注 同时人们在梳妆或搔痒过程中产生的一些皮屑也可归于此类 尘埃 碳黑 石棉 二氧化硅 铁 铝 镉 砷等130多种有害物质 纤维污染 保温隔热材料 如石棉 玻璃纤维和纸浆 放射性污染 主要是来自从混凝土中释放出来的氡气及其衰变子体 还有由石材制成品如大理石台面 洁具 地板等释放的 射线 如氡气 物理污染 放射性污染 氡气 室内空气污染途径 室内空气污染途径 生物污染 病毒 细菌 真菌主要指由于室内清洁工作没有作好及在湿度较大和通风较差的情况下 一些没有经常光顾到的角落在适当的温度和湿度下产生一些真菌等微生物 如衣服没有甩干就置于晒衣间 蒸发的水分在通风不良时就可促使微生物生长 此外由于室内一些花卉而导致的花粉过敏也可属于生物污染 特点 个体小 繁殖快 分布广 种类繁多 容易变异 对温度适应性强 SARS病毒 室内空气污染途径 2 室内空气污染途径 室内空气污染途径 2 室内空气污染途径 室外空气污染 工业污染 交通污染 光化学污染 植物 环境微生物 灰尘 建筑装修装饰污染 无机材料和再生材料 大理石 水泥等 合成绝热板材 壁纸和地毯 人造板材和家具 涂料 粘合剂 吸声和隔音材料 空调系统 新风口 混合间 过滤器 加湿器 风道系统 室内空气污染途径 2 室内空气污染途径 家具和办公用品 家具 甲醛 甲苯 打印复印 有害颗粒 电脑 有害气体 室内空气污染途径 2 室内空气污染途径 厨房燃烧产物 家具CO CO2 NOx SO2 醇 苯 颗粒物等 室内人员 呼出气 CO2 苯类 氨 氯仿等 皮肤代谢 CO2 CO 苯类 丙酮 甲烷等 吸烟 大小便等 其他 日用化学品 宠物 人的习惯 28 室内空气质量下降的危害 危害居住者健康降低劳动效率1985年美国数据 每年因呼吸道感染每年损失医疗费用达150亿美元每年缺勤损失高达590亿美元 29 CO2 常用指标 室内来源主要为人体代谢过程 人体呼出的空气中约占4 与人体代谢率有关 儿童为成年人的50 排出CO2越多 同时排出其它代谢废气也越多 有机物燃烧过程 炊事 抽烟在室外空气中的浓度CO2为300 400ppm O2为209460ppm目前居住建筑的控制标准高级客房 700ppm普通居住空间 1000ppm过渡空间 2000ppm 30 人体的呼吸代谢 不同活动强度下人体的耗氧量 CO2的排出量与人体代谢率关系的实验式VCO2 0 04MAD 31 CO2 常用指标 作用一般浓度下 无毒 无臭 超过700ppm 敏感者能觉察到人体的其它代谢污染 超过1000ppm 较多人感到不舒服 超过10 000ppm 呼吸深度显著增加 超过40 000ppm 4 出现呼吸困难 头痛 头晕 意识水平降低 正常情况下 肺泡气中的CO2的浓度为52 603ppm 超过100 000ppm 10 窒息死亡 为什么测CO2作指标 易测反映了其它人体代谢污染物产生的水平不能反映其它过程产生污染物的水平 32 氨 特性 无色 有强烈刺激性气味 碱性物质 可感觉最低浓度为5 3ppm 来源 冬季施工过程中在混凝土中添加氨水作为防冻剂 释放期较长 危害大 装饰材料中的添加剂和增白剂 释放期较短 危害较小 33 氨 危害浓度超过0 5 1 0mg m3时 对人的口 鼻粘膜及上呼吸道有很强的刺激作用 造成流泪 咳嗽 呼吸困难严重可发生呼吸窘迫综合症 通过三叉神经末梢反射作用引起心脏停搏和呼吸停止 通过肺泡进入血液 破坏运氧功能 防止污染措施禁止使用氨作防冻剂 34 氡 Rn Radon 氡是一种无色 无味 自然界唯一的天然放射性惰性气体 由镭蜕变产生 在放射疗法中可用作辐射源 在科研中可用于制造中子 它最稳定的同位素是Rn222 半衰期为3 82天 原子序数86 熔点 71 沸点 61 8 比重 固态 4 来源地基土壤中有镭 花岗岩 水泥 石膏 部分天然石材中含有镭 天然气中含有氡 35 氡 Rn Radon 危害物理性危害易扩散 溶于水和脂肪 极易进入人体呼吸系统造成放射性损伤 肺癌的第二大诱因 潜伏期15年以上 防护建材局与卫生部1993年的天然石材的放射性控制标准 A类可居室内使用 C类只能在外表面使用表面涂层可阻挡氡的逸出 加大通风换气次数 降低室内氡气浓度 36 VOC VolatileOrganicCompounds 常见种类数10种到上百种 主要由脂肪族碳水化合物 芳香族碳水化合物组成 例如酒精类 甲醛 甲苯 四氯化碳等 主要对人体的呼吸器官和神经器官有影响 根据沸点不同可分50 100 VVOC VeryVOC 100 260 VOC260 400 SVOC Semi VOC 400 以上POM Particulateorganicmatter 37 VOC VolatileOrganicCompounds 特点单独浓度不高 但多种微量VOC的共同作用不可忽视 长期低剂量释放 对人体危害大 引起头痛 恶心等症状 来源 各种漆 涂料 胶粘剂 阻燃剂 防水剂 防腐剂 防虫剂室内建材家具 38 VOC VolatileOrganicCompounds 影响室内IAQ的主要是VVOC VOC和SVOC由于VOC种类很多 难以检测和分类 世界卫生组织WHO在1987年给出了一个室内总VOC TVOC 的含量不能超过0 3mg m3的上限值 我国民用建筑工程室内环境指标TVOC指标为0 5mg m3 疑问 IAQ差 超标 浓度指标合适吗 39 甲醛 HCOH 特点无色 有强烈刺激性气味 水溶液为福尔马林大气中平均浓度0 005 0 01mg m3 低于0 03mg m3 新装修宾馆可达0 85mg m3 控制标准为0 12mg m3来源工业废气 汽车尾气 光化学烟雾建筑材料 地毯 人造板 泡沫树脂保温板 装修材料 胶粘剂 涂料 日化产品 清洁剂 消毒剂 液化石油气 40 甲醛 危害浓度0 1mg m3有异味影响0 6mg m3以上刺激粘膜 眼 呼吸道等 产生变态反应 眼红 流泪 咽干等 恶心 胸闷等 6 5mg m3以上引起肺炎 肺水肿 甚至导致死亡 有致畸 致癌作用 对神经系统 免疫系统 肝脏都有危害 释放特性释放期长 3 15年 高温 高湿条件下甲醛散发力度加大 41 气味 分子污染 影响空气的新鲜度和IAQ的可接受性 低浓度污染 不会超过权威机构的上限值 分子的重量为1 m微粒的1 1010倍 扩散速度极快 难以控制 因此源控制最重要 来源厨房 卫生间人体生物污染烟草烟雾低浓度VOC和其它有气味的污染物 42 包括烟气 大气尘埃 纤维性粒子及花粉直径为10 100 m的微粒称作总悬浮颗粒物 TotalSuspendParticle 简称TSP 直径小于10 m PM10 的微粒称为可吸入颗粒物 可吸入并沉积在呼吸道中 造成矽肺和肺癌直径小于2 5 m PM2 5 的微粒称为细微粒 会进入肺泡粒径分布 按质量计 大气尘中PM10占72 工业过程产尘 PM10占30 室内可吸入颗粒物以细微粒为主 几乎都是PM10粒径 7 0 m的粒子占95 以上粒径 3 3 m的粒子占80 90 以上粒径 1 1 m的粒子占50 70 悬浮颗粒物 43 不同粒径的颗粒物对人体的影响 44 来源室外来源花粉 交通生产过程大气污染室内来源人员活动 抽烟石棉建材SVOC颗粒附加危害成为病毒 细菌的传播附着物VOC附着物一 二次扬尘和室内湿度过低是其产生的主要原因 避免扬尘 增强过滤 控制湿度等方式以及控制产生源等手段来避免污染 悬浮颗粒物 45 微生物 病毒和细菌附于悬浮颗粒物上传播 是传染病的来源霉菌 滋生于潮湿阴暗的土壤 水体 空调设备中军团病 legionnaires disease 一种大叶性肺炎1976年在美国费城的宾西法尼亚美军军团会议的参加者中发生的军团病是典型的例子 死亡率高达15 20 军团肺原菌是一种普遍存在的嗜水性需氧细菌 Legionella 可通过风道 给水系统进入室内空气 军团菌 霉菌 真菌 SARS冠状病毒 46 与空调系统有关的急性传染病 1976年美国首次发现军团菌病以来 许多国家和地区都相继有该病的散发及爆发 多次爆发与空调系统冷却塔有关 WHO的资料表明 从发现至今 全球已经发生50起爆发流行案例 病死率在5 30 之间 遍布欧洲 美洲 大洋州 亚洲 美国调查估计 1 5 2万感染 年 全球由于空调引起的20多起感染2000人 死亡130多人 47 微生物 尘螨适宜环境20 30 75 85 空气不流通场所可引起哮喘 过敏性鼻炎 过敏性皮炎孳生地 纯毛地毯 床垫控制方法 通风换气 保持清洁 显微镜下的尘螨 48 烟草烟雾 最常见的室内空气污染 危害 刺激和臭味香烟烟气的典型组成成分 mg 支 成分主流烟气二次烟气燃过的烟草350400全部颗粒2045尼古丁11 7一氧化碳2080二氧化碳6080氧化氮0 010 08丙稀醛0 08 产生烟气时间20s550s 49 臭氧 臭氧 O3 一种刺激性气体 主要来自室外的光化学烟雾 室内的电视机 复印机 激光印刷机 负离子发生器等在使用过程中也都能产生臭氧 性质 可氧化空化合物而还原 可杀菌 可被橡胶 塑料等吸附 臭氧对眼睛 粘膜和肺组织都具有刺激作用 能破坏肺的表面活性物质 并能引起肺水肿 哮喘等 标准0 16mg m3 室内空气品质标准 1 国外室内空气品质标准 ASHRAE 2 国内室内空气品质标准 1 污染源头治理 清除室内污染源 减少室内污染源挥发强度 污染源附近局部排风 2 通新风稀释和合理组织气流 CO2允许浓度为标准的必要换气量 以氧气为标准的必要换气量 人体活动所需氧量0 423m3 h 人 消除臭气必要的换气量 室内空气污染控制方法 3 空气净化 室内空气污染控制方法 空气过滤吸附方法紫外灯杀菌静电吸附纳米材料光催化等离子放电催化臭氧消毒灭菌利用植物净化空气 吸附方法 吸附是由于吸附质和吸附剂之间的吸附力而使吸附质聚集到吸附剂表面的一种现象 分为 物理吸附 常见吸附质和吸附剂之间不发生化学反应 对所吸附的气体选择性不强 吸附过程快 参与吸附的各相之间瞬间达到平衡 吸附过程为低放热反应过程 放热量比相应气体的液化潜热稍大 吸附剂与吸附质间吸附力不强 在条件改变时可脱附对分子量小的化合物作用不明显 吸附方法 化学吸附空气中的污染物在吸附剂表面发生化学反应对分子量小的化合物作用显著 吸附对于室内VOCs和其他污染物是一种比较有效而又简单的消除技术 目前比较常用的吸附剂是活性炭 物理吸附固体材料吸附能力的大小取决于固体的比表面积 即1g固体的表面积 比表面积越大 吸附能力越强 吸附方法 活性炭纤维 20世纪60年代发展起来的一种活性炭新品种 含大量微孔 其体积占了总孔体积的90 左右 因此有较大的比表面积 多数为800 1500m2 g 与粒状活性炭相比 活性炭纤维吸附容量大 吸附或脱附速度快 再生容易 不易粉化 不会造成粉尘二次污染 对无机气体如SO2 H2S NOx等和有机气体如 VOCs 都有很强的吸附能力 特别适用于吸附去除10 9 10 6g m3量级的有机气体 在室内空气净化方面有广阔的应用前景 活性炭的吸附性能 物质名称饱和吸附量 SO210Cl215CS215C6H6 苯 24O3能还原为O2烹调臭味30厕所臭味30 化学吸附 普通活性炭对分子量小的化合物 如氨 硫化氢和甲醛 吸附效果较差 故一般采用浸渍高锰酸钾的氧化铝作为吸附剂进行化学吸附 浸渍高锰酸钾的氧化铝和活性炭对一些空气污染物吸附效果比较表 紫外灯杀菌 UltravioletGermicidalIrradiation UVGI 紫外辐照杀菌是常用的空气中杀菌方法 在医院已被广泛使用 紫外光谱分为UVA 320 400nm UVB 280 320nm 和UVC 100 280nm 波长短的UVC杀菌能力较强 185nm以下的辐射会产生臭氧 一般紫外灯安置在房间上部 不直接照射人 空气受热源加热向上运动缓慢进入紫外辐照区 受辐照后的空气再下降到房间的人员活动区 在这一过程中 细菌和病毒会不断被降低活性 直至灭杀 紫外灯杀菌需要一定的作用时间 一般细菌在受到紫外灯发出的辐射数分钟后才死亡 静电吸附 屏蔽板 激化纤维 7000V直流电压 激化纤维 空气 静电吸附 双级 电子净化格栅 导带 价带 TiO2是一种N型半导体 有很强的氧化性和还原性 在光化学反应中 以TiO2作催化剂 在太阳光尤其是紫外线的照射下 使得TiO2固体表面生成空穴 h 和电子 e 空穴使H2O氧化 电子使空气中的O2还原 在此过程中 生成OH基团 OH基团的氧化能力很强 可使有机物 VOC 被氧化 分解 最终分解为CO2和H2O 光催化降解VOCs H2O VOCs 光催化纳米材料 TiO2 甲醛光降解反应中的主要氧化还原反应 氧化反应 还原反应 原理总结 HCHO H2O 4h O2 4e HCOOH 2H 2h O2 4e CO2 4H O2 4e 2H2O CO2 光催化材料 UV灯 关 UV灯 开 氧化反应 还原反应 降解甲醛反应过程 光催化降解VOCs及微生物原理图 光源要求 一般在紫外光照射下VOCs才会发生光催化降解光催化反应器中采用的光源多为中压或低压汞灯 紫外光谱分为 UVC 100 280nm UVB 280 320nm UVA 320 400nm 杀菌紫外灯波长一般在UVC波段 特别在254nm附近 不同方法空气净化效果比较 0 07次 h 光催化材料 高压电 高压放电 平板电极 平板电极 带电粒子冲击 电场应力及其热效应 UV光催化 等离子体放电催化 利用高能电子 5eV 20eV 轰击反应器中的气体分子 NOx SOx O2和H2O等 经过激活 分解和电离等过程产生氧化能力很强的自由基 OH HO2 原子氧 O 和臭氧 O3 等 这些强氧化物质可迅速氧化掉NOx和SO2 在H2O分子作用下生成HNO3和H2SO4 把VOCs分解为H2O和CO2 等离子体放电催化消除甲醛 初始浓度6ppm 3 初始浓度229ppm 3 等离子体放电催化消除微生物污染 稀释比为1 1000情况下未经放电处理的细菌生长迹象 稀释比为1 1000情况下经 8kV 放电处理的细菌生长迹象 光催化和等离子放电催化的优点 广谱 可消除空气中的多种污染物如VOCs 无机有害物以及微生物等 安全 催化剂无毒 无腐蚀 主要最终产物为CO2 水等无害气体 稳定 无需再生 可连续工作 节能 反应所需能耗低 臭氧杀菌消毒臭氧 一种刺激性气体 是已知的最强的氧化剂之一 其强氧化性 高效的消毒作用使其在室内空气净化方面有着积极的贡献 臭氧的主要应用在于灭菌消毒 它可即刻氧化细胞壁 直至穿透细胞壁与其体内的不饱和键化合而杀死细菌 这种强的灭菌能力来源于其高的还原电位 常见的灭菌消毒物质的还原电位表 空气中杀菌消毒所需时间紫外照射 纳米光催化 等离子体放电催化和臭氧杀菌所需时间一般都为数分钟 利用植物净化空气 美国宇航局科学家威廉发现绿色植物对居室和办公室的污染空气有很好的净化作用 24小时照明条件下 芦荟吸收了1m3空气中90 的醛 90 的苯在常青藤中消失 龙舌兰则可吞食70 的苯 50 的甲醛和24 的三氯乙烯 吊兰能吞食96 的一氧化碳 86 的甲醛 威廉的实验证实 绿色植物吸入化学物质的能力