绿色建筑与健康室内环境

绿色建筑与健康室内环境朱颖心清华大学建筑学院2017年11月27日吉林建筑大学建筑的原则古罗马的马可维特鲁威(MarcusVitruviusPollio)在其公元前一世纪发表的著作《建筑十书》中提出建筑三原则：坚固、适用、美观。2建筑的原则50年代，我国提出的建筑方针是：“适用、经济、在可能条件下注意美观”——14字方针；改革开放后，我国政府又重提建筑方针是：“适用、经济、美观”——六字方针；2016年2月21日发布的《中共中央国务院关于进一步加强城市规划建设管理工作的若干意见》中又提出了新的八字方针：“适用、经济、绿色、美观”。3习主席在气候变化巴黎大会开幕式上的讲话面向未来，中国将把生态文明建设作为“十三五”规划重要内容，落实创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，通过科技创新和体制机制创新，实施优化产业结构、构建低碳能源体系、发展绿色建筑和低碳交通、建立全国碳排放交易市场等一系列政策措施，形成人和自然和谐发展现代化建设新格局。携手构建合作共赢、公平合理的气候变化治理机制2015年11月30日绿色建筑是什么？四节一环保在建筑的全寿命周期内，最大限度地节省资源(节能、节地、节水、节材)，保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。——《绿色建筑评价标准GB50378》节能即是低碳！建筑环境与能源应用工程专业的重要任务！何为健康、舒适的建筑环境？

Healthybuiltenvironment恒温恒湿？室内空气质量达到医院ICU水平？高度自动化？如果避免“空调病”？6当前热舒适标准目前的热舒适标准是基于PMV指标，是在人工气候室内进行的稳态均匀环境下的人体实验得出来的ENISO7730A级，-0.2<PMV<+0.2，24.5±1.0CB级，-0.5<PMV<+0.5，24.5±1.5CC级，-0.7<PMV<+0.7，24.5±2.5C欧洲标准EN152517国际标准ISO7730美国标准ASHRAEStd55Fanger教授的PMV-PPD指标8国际标准ENISO-7730的A级热舒适范围越窄越好？

BC不满意百分比%PMV温度控制得越严格能耗越高Hoytetal.(2009)“Energysavingsfromextendedairtemperaturesetpointsandreductionsinroomairmixing.”InternationalConferenceonEnvironmentalErgonomics,Boston.供热供冷“恒温恒湿”对人真的好吗？旧金山旧金山节能率%迈阿密迈阿密德卢斯德卢斯美国ASHRAE赞助的一项对不同ISO设计等级办公室的实际满意率调查Office

ISO-7730Class满意率Satisfaction预测值Predicted

(100%-PPD)Townsville澳大利亚热湿季节Townsville澳大利亚温干季节Kalgoorlie

澳大利亚干热季节Kalgoorlie

澳大利亚温干季节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：调查所得满意率完全没有显著性区别！但成本相差很远。问题的提出2000年及2001年夏季，中国疾控中心分别在江苏省及上海市进行“使用空调对健康影响”的流行病学调查方法结果各种不适症状的发生与使用空调有关，特别明显地表现在暑期“伤风/咳嗽/流鼻涕”的发病率上；不适症状的发生率：

1.全空调组>4.无空调组

,特别是神经和精神类不适感最为显著；缺乏热适应经历的人群在注意力、反应速度、视觉记忆和抽象思维方面均表现较差。CaoBin,ShangQi,DaiZizhu,YingxinZhu.TheimpactofAir-conditioningusageonsickbuildingsyndromeduringsummerinChina.IndoorandBuiltEnvironment,2013;22;3:490–4971.家里办公室都空调2.仅办公室空调3.仅家里空调4.家里单位都没有空调神经系统消化系统呼吸系统皮肤黏膜不适症状的发生部位：2595个调查样本分为4组

基本理念：舒适=健康！12舒服啊，好舒服！但是我依然需要锻炼！13如何证明“舒适健康”？两组受试者，均在北京生活两年以上非空调组—男性10人，年龄20-30，家庭与工作环境无空调，或者每天在空调环境中逗留不超过2小时空调组—男性10人，年龄20-30，家庭与工作环境均开空调生理测量皮温心率血压体重（出汗率）血样26C36C人工气候室实验26℃1小时36℃1小时实验结果36C环境下，

空调组

体现了14平均皮温空调非空调胸足温差空调非空调出汗率(kg/p.h)心率变异性

(HRV)空调非空调空调非空调感觉更热和更不舒适皮温响应较慢，胸足温差较大

(热调节能力较差)较低的出汗率，较高的心率变异性——反映交感神经紧张程度高空调非空调TSV很热热有点热不冷不热有点冷冷很冷TCV空调非空调舒适稍不舒适

不舒适很不舒适HSP70(热应激蛋白70)HSP70

高表示热适应能力强血液中的热应激蛋白HSP70:非空调组>空调组结论：长时间逗留在恒温环境会导致人体的热应激能力退化190.3300.1JuanYu,QinOuyang,YingxinZhu,HenggenShen,GuoguangCao,WeilinCui,AComparisonoftheThermalAdaptabilityofPeopleAccustomedtoAirConditionedEnvironmentsandNaturallyVentilatedEnvironments,IndoorAir,2012;22:110–118非空调组空调组间歇使用空调对人体健康有害吗？实验室调查：分体空调vs.自然通风(华南理工大学)分体空调的间歇使用可以让人们根据自己的实际需求控制室内热环境，人们可接受的热环境范围变宽心理调节起作用分体空调的间歇使用没有使人体生理热调节能力发生显著变化16有空调无空调高低不同气候区的人的冬季室内采暖舒适温度有显著差别夏热冬冷地区严寒与寒冷地区北京上海17JuanYu,GuoguangCao,WeiliCui,QinOuyang,YingxinZhu,Peoplewholiveinacoldclimate:thermaladaptationdifferencesbasedonavailabilityofheating,IndoorAir,2013;23:303–310经常开到15℃以下经常达到22℃以上有点热不冷不热有点冷冷很冷舒适

稍不舒适不舒适很不舒适北京与上海人群热反应实验结果的区别18相比上海组，北京组感觉更冷ΔT=2.5ºC北京组觉得更不舒适热感觉投票TSV热舒适投票TCV上海组北京组上海组北京组分别在上海和北京进行了人工气候室的实验北京组：男性31人，年龄20-26岁上海组：男性26人，年龄20-26岁统一服装：棉质秋衣秋裤、厚毛衫、长裤、棉袜和拖鞋，1.1clo结果：北京组在18℃时热感觉与上海组15.5℃时一样。热中性区冷习服舒适区热习服舒适区代谢率环境温度+50%+20%舒适：使得人体节省能量轻微不舒适：可刺激代谢率增加褐色脂肪白色脂肪促进白色脂肪分解产热导致肥胖WoutervanMarkenLichtenbel教授

ToComfortornottoComfort?

在荷兰埃因霍温HealthyBuildingEurope2015国际会议上的大会主旨报告论文引出源：Thefutureofbrownadiposetissuesinthetreatmentoftype2diabetes,Diabetologia,DOI10.1007/s00125-015-3611-y,online偏冷暴露实验（无冷颤代谢补偿）环境温度14-15℃，每天暴露6小时，暴露10天所有受试者对冷环境的舒适感都提高了偏瘦体型的年轻人(9女8男)体内褐色脂肪增加身体产热量增加8位男性II型糖尿病患者血液中的胰岛素敏感性显著增加Lichtenbel:人类需要锻炼我们的热调节系统，并作为我们的健康生活方式的一部分，这样就能增强我们对极端天气条件的适应力。褐色脂肪增加冷习服前冷习服很舒适刚好舒适刚好不舒适很不舒适习服前习服后关于淮河两岸供暖区与非供暖区人群健康的调查《美国科学院院报》2013年8月作者：北大、清华经管学院、MIT和以色列多名学者合作选取淮河南、北两岸150公里以内地区，在气候、文化、教育、食物、习俗、建筑、衣着等条件均类似，唯一区别是北岸是供暖区，南岸是非供暖区；发现南岸居民的预期平均寿命比北岸居民要长5年左右；由于北岸有燃煤供暖，导致北岸室外冬季悬浮颗粒物的浓度比南岸高184μg/m3：354.7vs.551.6(196.9)由于作者认为有室内供暖对健康的影响是正面的，因此他们把导致北岸预期寿命损失的原因归于冬季的空气污染。但是，如果偏离舒适的较低供暖温度对健康的影响是正面的呢？21Y.Y.Chen,A.Ebenstein,M.Greenstone,H.B.Li,(2013)EvidenceontheimpactofsustainedexposuretoairpollutiononlifeexpectancyfromChina'sHuaiRiverpolicy,PNAS,2013(110):32-41人与环境之间的关系

人对环境有适应性2223自然通风时的室温分布空调时的室温分布Temperaturerang(C)Temperaturerang(C)Distribution(%)Distribution(%)北京夏季住宅的调研(有人在室期间)23自然通风期间人们可接受28-30℃空调期间室温控制在26-28℃24在自然通风条件下人们可以接受的温度上限高于常规空调下的值北京夏季调查结果

江苏、浙江和上海夏季调查结果（清华大学）（中国疾病控制中心）可接受温度上限90%接受率29C80%接受率30CAcceptance(%)Acceptance(%)25自然风与机械风在气流紊动特征上有显著差别V(m/s)自然风非关于平均值对称非线性非周期性变化，褐色噪声V(m/s)Time(min)1.20.90.60.300123456V(m/s)热压对流

居于二者之间？机械风关于平均值对称随机变化,白噪声26气流速度脉动的对数功率谱分析自然风：=1.2~1.66类似褐色噪声机械风：=0~1.1接近白噪声LogfLogE(f)LogflogE(f)LogfLogE(f)-2-10

0-2-4-6热压对流:=二者之间27混沌与分形分析——二维相空间重构自然风热压对流机械风

稳定正弦仿自然风随机

选择比例28偏热条件下，四种气流的接受程度投票实验受试者自己选择的风速(m/s)稳态方式模拟自然风正弦方式随机方式平均风速1.1±0.10.81±0.080.72±0.040.87±0.0929热感觉与吹风感29动态气流能提供更强的冷效应在偏热环境中，仿自然风引起的吹风感最小最小吹风感吹风感投票

稳态风仿自然风

正弦风

稳态风仿自然风

正弦风接受百分比中性偏暖环境，自然风接受度最高中性偏冷环境，稳态风接受度最高舒适伴随着不舒适的消除而产生在稳定无刺激的环境里是感觉不到舒适的一旦不适的刺激不复存在，舒适感也就消失了——只有适度刺激存在，才能维持舒适动态热环境关于“舒适”的哲学思辨Alliesthesia30Prof.RicharddeDear:Alliesthesia!(感觉变化)在海南省和东南亚非常普遍的设计没有空调，但宾客们却感到舒适这种室外环境为什么令人感到舒适？关于室外热舒适，目前还没有成熟的研究成果。就其开展深入的研究，探索该自然界赐予的秘密，对于如何在人工环境里实现类似的热舒适感具有很重要的意义。32争端频生，怎么办？33C个体控制是人类最早的热环境营造理念热带雨林高纬度地区第一层热环境调节手段：服装第二层热环境调节手段：建筑第一层的服装为第二层建筑环境的营造提供了很大的自由度！我们能否进一步提高第一层手段的能力，从而扩展第二层建筑环境营造的自由度？34空调建筑中，人员是否具有独立调控权，对舒适性也会有很大影响（无论用不用调控权）35FromProf.Ed.Arens,UCB传统方式考虑适应性个体控制集中供暖小区壁挂炉采暖小区对北京市集中供暖与分散供暖的调研集中供暖：城市热网，住户不可独立调节燃气壁挂炉：可独立调节36调查结果中性温度18.622.0集中供暖壁挂炉热感觉：壁挂炉用户觉得更暖和室内气温(C)微热微冷中性舒适区壁挂炉用户相同室温下觉得更暖和服装调节比较积极满意度更高热中性的温度比较低：18.6℃vs.22℃费用节省40%以上37BinCao,YingxinZhu,MinLi,QinOuyang:Individualanddistrictheating:Acomparisonofresidentialheatingmodeswithananalysisofadaptivethermalcomfort,EnergyandBuildings,78(2014):17-24服装热阻：壁挂炉用户调节得更积极集中供暖壁挂炉室内气温(C)环境控制力对热感觉影响的实验1在以下工况进行人工气候室内的人体热反应对比实验让受试者知道有空调/没有空调的对比付费空调/免费空调的对比(声称早开1℃扣除1/5的劳务费)受试者觉得需要开空调时就按铃Time(minute)Temp(C)Time(minute)Temp(C)CasewithACCasewithoutAC38没有环境控制能力，人的热感觉变差人的焦虑心情恶化了主观感觉如果人们认为自己能够控制环境，即便他们什么都没有调，TSV也能得到0.4~0.5的改善如果人们需要为空调付费，则TSV的改善作用就会打一些折扣，但影响不显著服装热阻：0.57cloZhouXiang,OuyangQin,ZhuYingxin,Experimentalstudyoftheinfluenceofanticipatedcontrolonhumanthermalsensationandthermalcomfort,IndoorAir,2014;24:171–17739很热热微热中性微冷没有空调付费空调免费空调受试者热感觉投票TSV室内空气温度℃环境控制力对热感觉影响的实验2有假的自行控制偏热偏冷中性微热微冷感知控制对热感觉的影响画饼真的可以充饥!很热很冷热冷微冷微热“画饼”前后20分钟的受试者反应对比不冷不热很满意很不满意热感觉趋向不冷不热满意度提高传统的个性化控制设备，日本的Kotatsu42可接受环境温度很低：8~14℃新的个性化热环境控制设备43UCB,Ed.Arens&HuiZhangP.O.Fanger个人自调节座椅（清华）调节方式：接触式传热可能的冷源方式半导体制冷微型压缩机相变材料44凉椅背的效果与热舒适性所要求的椅背温度比空气温度还高，因为接触式传热系数更大局部冷却必须严格进行人体热舒适与健康实验45有点热热中性绿色公共建筑的实际案例4647案例1.山东交通学院图书馆2007年建设部绿色建筑创新综合一等奖第一名全国第一个绿色建筑运行标识（2星级）2001年设计，2003年竣工运行气象条件：济南气象分区为寒冷地区，但夏季非常闷热，被称作新四大火炉之一最热月平均温度达到27.4℃，最高温度常超过40℃最冷月平均温度达到-1.4℃，最低温度低于-10℃被动式手段不能完全解决冷热问题，但能够降低能耗48济南49选址原址情况

废弃的采石场，被充当垃圾填埋场，覆盖4~5m深的垃圾，外加一个臭水池改造后

带有一个景观水池的7000m2

建设用地50北立面与拔风烟囱南立面51北立面屋顶的拔风烟囱西立面西墙的遮阳52主入口朝西室内环境控制策略热压诱导自然通风与夜间通风地道预冷新风利用人工湖代替冷却塔玻璃幕墙喷水降温合理的垂直与屋顶绿化自然采光设计雨水收集利用53夏季冬季中庭、南幕墙上的遮阳屋顶格栅遮阳东向退台遮阳54自然通风设计55过渡季和凉爽夏季的通风模式56夜间通风百页窗57地道风降温技术

1根80米长，2根45m长地道，宽2m，深2.5m室外新风通过地道预冷/预热后，送入空调箱处理夏季实测降温效果为最大8℃，可承担90％新风负荷地下风道剖面地道实景（内有排水、除湿措施）与室外进风百叶连接85米地道风的降温效果，夏季可承担90%的新风负荷（2006.7.5）8℃58中庭天然采光边庭天然采光加强天然采光、减少照明能耗5960阅览室与中庭之间的采光隔墙周边区域利用天然采光加强天然采光、减少照明能耗废旧物资回收利用61废旧日光灯管用作边庭顶部散射遮阳旧椅垫用作报告厅壁面吸声材料就地取材，减少装饰6263

实际效果实际年能耗比当地节能标准低20％全年总电耗：30kWh/m2夏季空调电耗：13.6kWh/m2采暖：7.8kg标煤/m2（63.4kWh/m2）建安费用为2150元/m2（2003年），增加不到3%案例2.深圳建科院大楼夏热冬暖地区建设部绿色建筑创新综合一等奖绿色建筑运行标识（3星级）建安费=4,200元/m22009年竣工建筑面积18170m264与当地其他同类建筑相比，空调期缩短了4.5个月当地同类建筑空调期间约10个月AprilNovOctMarJanFebDec空调期Toutdoor65其他建筑空调期同类办公楼