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建筑师如何设计空气?

2019-05-15 18:19

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建筑师如何设计空气?


人类可以在不进食的情况下存活30天,不喝水的情况下存活3天,而在不呼吸的情况下仅能存活3分钟。当然,我们对空气的需求是永恒不变的,我们在室内和室外随时都依赖着空气,尽管它往往不如我们希望的那么洁净。难闻的气味使我们意识到空气质量不好,但影响我们健康的许多刺激物和不健康气体并不容易通过气味察觉。气味是最明显的信号,因为它们能够被大脑和神经系统有意识地感知,让我们能够判断身处的环境。


我们需要更深入地了解糟糕的室内空气质量从哪里来,为什么它在建筑环境中需要被重视,以及如何通过设计获得良好的室内空气质量和舒适度。

各种现代化产品(涂料、地毯、地板、家具饰面、化妆品、喷雾剂等)中的化合物所释放出的气体对健康有着各种各样的不利影响,从注意力和意识易间断,到包括呼吸系统疾病和癌症在内的重大长期健康问题。然而,有时化学和生物污染物以及其他无气味物质,甚至是房间的窒闷,都会影响我们的健康和舒适度,并引发头痛、疲劳、过敏和其他不适症状。


我们一边从城市受到污染的新闻中了解到室外空气质量的重要性,一边理所当然地认为室内空气质量良好(尤其是在使用空调的建筑物中)。但不幸的是,室内空气通常也并不洁净,还会在我们不知情的情况下对我们造成伤害。然而,设计师的职责恰恰是确保这些工作环境的质量并消除这种威胁。因此,你需要知道的是:


建筑师如何设计空气?


室内空气质量( IAQ:Indoor Air Quality )包括温度、湿度、污染物浓度等多种因素。然而,一般来说,室内空气质量指的是建筑使用者的舒适度、健康和幸福感。因此,虽然可以客观地测量出污染物和颗粒物,但空气质量指数也受主观因素影响。年龄、性别、甚至国籍和文化等因素都会影响个人对空气质量的感知方式。人类主要通过气味感知空气质量,因为其他类型的感官系统需要更重的污染效果才能被刺激。但是,即使在无意识的情况下,糟糕的空气质量也会对建筑使用者的健康造成短期和长期的危害。


它为什么重要?

建筑的功能以及它的占用率,可以决定室内空气质量的接受标准和可能产生的后果。例如,糟糕的空气质量会对医院和学校的弱势人群造成更大危害。医院内恶劣的空气质量不仅会导致病人感染和疾病传播,这也会对医护人员造成影响,使得他们的工作效率和有效护理能力下降。据研究,自然通风和日光照射有助于病后恢复,改善患者的心理健康 [1, 2]。


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对于学校亦是如此,糟糕的室内空气质量会影响到学生和教员。糟糕的空气质量可能导致学生缺勤,哮喘和其他呼吸道疾病的加重,并造成注意力和学习效率的下降。处于发育阶段的儿童会比成人吸入更多比例的空气,因而他们更容易受到环境污染的影响。同时,糟糕的空气质量也会影响教员的出勤和教学质量 [3]。


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在家或办公室中,空气污染的后果同样难以察觉,因为很多症状都很难被明确归因于特定原因。比起在家,人们更难把控办公室内的环境,因此更容易造成注意力和工作效率的下降。在办公大楼或通风不良的会议室里,高浓度的二氧化碳会使人感到晕眩和疲倦,从而影响员工的决策能力 [4]。如果家中的空气质量过差,可能导致闷气或其他不适,影响睡眠质量,同时引发呼吸道疾病和头痛。


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它要如何测量?

室内空气的污染源可以分为四类。‘户外污染源’包括交通和工业污染。‘使用者相关的活动和产品’包括由烹饪、吸烟、个人护理和使用打印机产生的污染。与建筑相关的两类是‘建材和家具’以及‘通风系统部件’。‘建材和家具’包括由胶合板、涂料、家具和地板墙面带来的污染,‘通风系统部件’则指滤网、通风管和加湿器造成的污染。


这些污染源在与其它产品接触后,或在其运作中,释放本身固有的微粒与/或气体。风率、风速、温度、相对湿度、空间内的活动、暴露在污染中的频率与时间等因素影响着污染物产生的作用,也对感知室内空气质量有综合性的影响。


建筑师如何设计空气?


在评估建筑物的室内空气质量时,需要考虑窒闷程度、气体污染物和气味的数量、颗粒物的数量等因素。空气的窒闷程度通常通过检测二氧化碳的水平来决定,污染物则通过空气中的 VOCs(挥发性有机化合物 )来判断。例如,室外空气中二氧化碳的正常浓是 250-350 ppm(百万分之),而室内通风良好的话一般在 350-1000 ppm 这个区间里。当二氧化碳浓度超过 1000 ppm 时,使用者可能会开始抱怨空气变糟而且容易犯困。当二氧化碳浓度达到 2000-5000 ppm 时,空气会明显变得不新鲜,使人感觉沉闷和阻塞,并且可能导致头痛、犯困、注意力不能集中、心跳加速和轻微的眩晕呕吐感。在大多数司法管辖区,工作场所的二氧化碳浓度在 8 小时内不能超过 5000 pm。此外,室内 VOC 的水平通常是室外的 2-5 倍,因为很多家用产品会释放这些化学物。


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空气中的颗粒物包括“可吸入悬浮颗粒”和“极细颗粒”,这两种颗粒尺寸不同,并且在不同的量级引起身体不适感并导致健康隐患。较大的颗粒(小于 10 微米)在每立方米空气 20 微米的水平下是有危害的。2.5 微米以下的颗粒则不能超过每立方米 10 微米。这类测量是常用于判断大城市空气质量指数的标准。雾霾和烟雾主要是由这些较小的颗粒引起的,并且是可以肉眼观察到的户外空气质量差的证据。在室内的话,判断空气质量最明显的因素是气味。然而,评估气味在某种程度上比其他测量更为主观,因为它不仅包括其浓度和强度的分析,还要考虑其带来的愉悦程度(气味是否被认为是令人愉快或者不快)。


如何通过设计保证优质的室内空气质量:

在较严酷的气候条件下,通常的做法是尽量将建筑物的室内与室外隔绝。但是保温和气密会让污染物滞留在建筑物内,导致室内空气质量不佳,这便引出了良好通风系统的重要性。通风系统可以利用自然通风,机械通风以及两者结合。通风系统影响着空气质量,其最重要的便是要有足够高的换气率把新鲜空气供应到有需要的地方。


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在机械通风系统中,可以通过自动或手动的监测器来决定何时需要在空间里进行通风。自动化系统是最高效的方法,因为可以设定时间或设定程序以检测污染物,例如二氧化碳的水平。然而,手动控制则可以根据使用者对舒适度的感知而进行调控。机械系统中另外一个重要的人为因素是维护和保养。如果没有定期维护,比如更换空气滤网,即使是设计得再好的通风系统也不会按照预期发挥作用。


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另一种选择便是自然通风,这消减了使用机械通风时其设备和管道系统产生的昂贵费用,同时也降低了运作成本。从心理上讲,建筑使用者很享受在室内也能感受到大自然的体验。诚然,自然通风是不可控的,因此自然通风的供给并不时时都是充足的。对一些特定的地域、气候以及建筑类型而言,仅依赖自然通风会为其增加额外的风险,主要包括室外空气和噪音污染,以及极端的室内外温差。


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眼下的许多通风系统是将自然通风和机械通风两方面相结合,因此也被称为混合系统。今天,可持续性认证系统认可了室内空气质量和新鲜空气的重要性,并将其纳为规范项。BREEAM( 英国绿色建筑认证 )中的“健康与幸福感”规范项指出,能减少空气污染源和具有自然通风潜力的设计都是评估建筑可持续性的加分项。同样的,由美国绿色建筑协会( USGBC )所推行的 LEED (绿建认证)也对在建筑设计中包含但不局限于仅包含自然通风的良好空气质量实行嘉奖。WELL( WELL 建筑标准 )对室内空气质量有更为整体性的要求,作为该标准中七个核心概念之一的“空气”里有多个可认证的“规范项”,包括禁烟、清洁规程、湿度控制等。


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这些认证系统可作为指南,引导建筑师和设计师为建筑提供健康的空气。综合来看,改善室内空气质量的最佳做法是从源头减少污染,并在室内改善通风和净化空气。一个切实的着手点便是仔细筛选零污染材料和设备,以此来尽可能地消除空气中的 VOCs,但各种客观因素可能使这变得不切实际,甚至不可行。


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接下来需考虑的是通风,这要确保每小时有充足的换气量充盈整个空间。换气量会受到空间内的使用和活动等因素的影响。进入室内的空气应是被净化过的,被过滤掉颗粒物质的。这里值得注意的是,如果滤网缺乏维护,其自身将变成污染源。


还有一种方案是将植物融入建筑设计,例如绿植墙或室内植物区。植物不仅能过滤空气中的二氧化碳和一些有害的化学物质,而且人类天性热爱生命,多与大自然接触有利于身心健康,但仅仅依靠植物自身是很难解决建筑空气质量问题的。一些可以净化空气的建筑材料,比如含 Activ’Air 技术(将甲醛转化为惰性混合物以达到消除的目的)的产品,也能通过吸收空气中的甲醛来提高室内空气质量。


建筑师如何设计空气?

今天,空气污染成为最普遍的环境杀手,尤其是在发展中国家,全球每年约有 700 万人因此死亡。新建筑有机会在其设计阶段加入室内空气质量的考量,但许多老建筑,或那些不曾在意室内空气指数的建筑,仍可通过翻新来改善室内环境,并从中受益良多。我们大部分时间都是待在室内,所以室内空气质量值得我们的努力和投资,以确保每一口我们所呼吸到的空气都是健康的。


翻译:侯丹,田山佳惠,蔡文欣,唐久乐


参考文献:


[1]https://www.payette.com/research-innovation/exploring-natural-ventilation-in-the-healthcare-setting/

[2] https://www.healthdesign.org/chd/research/impact-light-outcomes-healthcare-settings

[3] https://www.epa.gov/iaq-schools

https://www.architectmagazine.com/technology/architecture-and-the-airpocalypse_o

[4] Satish U, Mendell MJ, Shekhar K, Hotchi T, Sullivan D, Streufert S, Fisk WJ. Is CO2 an indoor pollutant? Direct effects of low-to-moderate CO2 concentrations on human decision-making performance. Environmental Health Perspectives, 2012, 120(12): 1671-1677

https://www.designingbuildings.co.uk/wiki/Air_quality_in_the_built_environment

https://www.designingbuildings.co.uk/wiki/Volatile_organic_compounds_VOC

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/16948709

https://www.thebesa.com/indoor-air-quality/?platform=hootsuite

https://www.epa.gov/indoor-air-quality-iaq/introduction-indoor-air-quality

https://ac.els-cdn.com/S1877705811048193/1-s2.0-S1877705811048193-main.pdf?_tid=2a05d5fa-bb0c-4214-a3ea-3749a8eedacd&acdnat=1551231424_3ecb68615e3a3b13f075cf848a8a0efc

https://pdfs.semanticscholar.org/a669/e30eee7d83cc2d203ca9bbfa12b3c65e7ff4.pdf

https://www.breeam.com/BREEAMUK2014SchemeDocument/content/05_health/hea02.htm

https://www.usgbc.org/credits/new-construction-commercial-interiors-core-and-shell-schools-new-construction-retail-new-c-8

https://standard.wellcertified.com/air?_ga=2.243972805.1755569716.1551232649-1499642030.1551232649

https://www.nachi.org/plants-indoor-air-quality.htm

https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm


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