环境教授教你如何提升室内空气品质
《环境教授教你轻松防护雾霾 》刊出后，好评如潮。今天，翟教授再次和我们交流室内空气品质问题。
【作者简介】翟志强，美国科罗拉多大学伯德分校土木环境建筑工程系终身教授，建筑工程专业主任教授。清华大学工程力学学士（1994）、流体力学硕士（1995），流体力学博士（1999），美国麻省理工学院建筑技术博士（2003）。主要研究领域：可持续性建筑和能源技术发展以及室内外空气环境质量评估和优化。
环境教授教你如何提升室内空气品质
【导读】
· 恒温恒湿不利健康不利节能
· 雾霾天也要注意通风
· 密闭房间机械通风是可行方式
· 合格空气净化器能有效去除包括颗粒物在内的多种空气污染物
· 合适防尘口罩能减少直接颗粒物吸入
为什么恒温恒湿不好？
室内产生的热量（如人体、设备等），和通过墙体、玻璃、开口等与室外环境的热交换，以及太阳辐射等的影响，会改变建筑室内的温度和湿度，因此需要通过各种空调系统来维持舒适的环境。人体感觉舒适的温湿度范围实际上是非常大的，被世界上大多数国家认可的美国暖通制冷空调工程师协会（ASHRAE）的研究指出，夏天人体舒适的温度范围在22.5-27°C，而冬天的舒适温度为19.5-24.5°C（图1）。人体对于湿度的可承受范围更大（20-80%），日常情况下这个湿度基本都可以达到，这也是为何美国民用建筑没有明确规定湿度要求。事实上，人体对于环境温湿度的适应性和自动调节性是很大的，例如人体对于自然通风下的温度适应范围比在空调房内就要大得多，在室外30°C的夏天，80%的人感觉23.5-30.5°C范围内的室内环境都很舒适（图2）。保持恒温恒湿的室内环境不仅需要消耗大量的空调能源（例如在30°C的夏天，如果把室内温度从23°C调到27°C，可以节能约40%），还会逐渐消弱人体对于自然环境的自动调节机能，从而更容易感染感冒等疾病。同时恒温恒湿的环境，如果设计不好，还会导致或加快某些室内细菌的繁殖（因为细菌和人类一起获得了更为良好的生活环境）。
图1：美国暖通制冷空调工程师协会的人体室内舒适温湿度范围
（http://www.azosensors.com/Article.aspx?ArticleID=487）
图2：美国暖通制冷空调工程师协会对于自然通风下的室内外舒适温度关系
（美国暖通制冷空调工程师协会标准55）
为什么要通风？
我们平常所说的通风是指的通新风，也就是室外空气。通风的主要作用是提供氧气、带走二氧化碳、稀释和带走其他室内污染物包括湿气。我们一般感知的送到建筑里的风其实并不一定都是新风。除非是全新风系统，一般的全空气型空调系统中（图3），大部分的建筑送风都来自于建筑内部的回风，这主要是因为节能的考虑，毕竟把室外30°C的热风冷却到15°C的送风温度要比冷却25°C的回风温度要多花50%的能耗。大部分的送风量主要是为了满足空调需要（冷却或加热），只有一小部风是为了通新风，因为单个人体需要的新风量其实很小（10升/秒）。虽然回风也会被过滤和净化，但它毕竟不提供新的氧气，而且很多室内污染物不是很容易被过滤清除。因此选取合理的新风量必须综合考虑能耗和健康因素，比如医院手术室必须要考虑全新风系统。
图3：全空气型空调系统图示
去除污染源、通风净化和媒质净化处理是三个最基本的空气质量保障方法。通风净化的主要原理是稀释，就是用干净的空气稀释污染的空气，并通过流动把污染的空气带走。因此，通风净化的前提是室外空气干净。对于雾霾气候，这个好像不行，但事实上空气中的污染物有很多种，主要分为气相污染物（如COx、NOx、SOx），挥发性有机化合物，和颗粒物（图4）。其中除了颗粒物，其他基本上是室内的浓度要高于室外，这是因为室内具有各种污染源比如燃烧、洗洁、家俱、呼吸等。因此即使在雾霾天气，为了供氧和去除这些室内污染物，必要的通风还是需要的。但是因为室外空气质量的不理想，直接开窗通风就会在解决问题的同时带来新的问题。含空气净化处理措施的机械通风（风机灌风或抽风）就成为可能和必要的通风手段。
为什么要密闭房间？
既然通风是好的稀释和去除室内污染物的方法，那为什么要尽量密闭房间（尤其是不能开窗和要选择密封性好的门窗）。这里有两个原因，一个是之前提到的，通过窗户或者建筑漏缝进入的通风在去除部分污染物的同时又引进了新的污染物，这在雾霾天气尤其不利。另外一个原因是建筑物漏风，除非是室外温湿度合适，将导致大量的热量流失（冬天）或冷量流失（夏天），从而加大空调的负荷和能耗。我们曾经模拟的一个热带地区商业建筑能耗显示，建筑物漏风（infiltration）要耗掉14%的空调电能。北欧在1960年代大力提倡密闭式建筑以减少建筑能耗，但由于北欧人允许在室内抽烟，他们很快就发现了空气品质问题，不得不又用机械通风来输入新风，这样由于密闭式建筑带来的节能效果又被分机能耗部分抵消了。美国民用建筑建议保持一定的漏风量，以保证必要的新风要求，这样就不需要加入额外的机械通风系统，这对于有良好户外空气条件的地区应该是好的方案。最近的德国被动房又回到了密闭式建筑的思路，但他们通过在排风和新风之间（图3虚线）加入一个高效热交换器以回收利用流失的热量（冬天）或冷量（夏天）。这个方案似乎很有吸引力，目前中国很多地区试图引进类似概念。但密闭式建筑对于建造工艺和建筑工人技能提出很高要求，美国明确表示当前的美国建筑工人在民用建筑上（主要是木结构）难以达到德国的密封标准。机械通风的另外一个好处是可以有目的的引导空气到达需要的地方（比如床头），并且避免出现空气循环死角。
空气净化器是否有用？
机械通风一个主要好处就是可以集中净化空气然后再输入房间。空气净化设备按照不同净化原理可以主要分为以下几类：
· 物理式：就是通过各种物理过滤材料对污染物进行过滤，其中活性炭类主要吸附气体类污染物（如挥发性有机化合物），HEPA滤网（即高效率空气过滤器）由纤维制成(无纺布之类)，主要过滤颗粒物。通常物理式净化器净化效率不错，但需要定期更换过滤材料。
· 静电式：就是利用高压静电场使空气电离从而使颗粒物（包括带菌颗粒）带电吸附到电极上。静电式净化器效率高但对于不同粒径颗粒物效率不同，同时高压易产生臭氧造成二次污染。滤网定期冲洗可以再次使用。
· 化学式：通过不同的化学反应机理去除有害有机物、细菌和颗粒物,比如光触媒型通过紫外线催化降解作用分解化学污染物和微生物但无除尘功能；负离子型利用强静电场电离空气分子形成负氧离子使细小颗粒物集聚而沉降。一般化学式净化系统长期有效，但如设计或使用不当可能对人体产生伤害或造成二次污染。
一般来说空气净化设备需要经常更新或清洗，过度使用的净化设备不仅不能洁净空气，还会将已经沉积的污染物二次裹挟进空气。
类似原理的房间用空气净化器对于没有中央空气净化设备的楼宇是一个有力的补充。该类净化器不涉及新风，就是不断将房内现有空气吸入系统，经过过滤净化后再次返还给房间，因此房间空气净化器去除了部分污染物但并没有输入额外的氧气。目前市场上的净化器效率千差万别，但工作原理大同小异。图5是一个典型的完整空气净化器原理图。效率差异主要来自于系统设计优化（比如空气流量）和原材料质量。以雾霾为关注点的空气净化器的选取要考虑以下几个方面：（1）除尘效率；（2）空气流量；（3）噪音；（4）用电量；（5）使用和维护便利（包括清洗和更换滤网的周期）。理论上讲，过于便宜的净化器应该效果不会很好，这是因为一个商用高效HEPA过滤网（如MERV16）的单价就要约100美元。美国一家机构评定的2014年排名前四的空气净化器的单价在300-900美金之间。作为参考，图6列出了美国和上海两个独立机构分别在2009和2013年对于部分产品性能的一个测试比较和比价。
(http://airpurifiers1.blogspot.com/)
图6：美国和上海两个独立机构对于部分空气净化产品性能的测试比较和比价
（http://www.toranacleanair.com/AirPurifierTestData.html）
个人防护设施是否有用？
那么在室外或者一些公共建筑或空间里，如果担心雾霾的影响，佩戴一些个人防护设施是否有用呢？个人防护设施有很多种，从军警使用的呼吸器到普通布质口罩。比较普及并且性价比比较合适的是防尘口罩，其主要材料是类似于HEPA过滤器的纤维材料。一般来说防尘口罩为整体性半面型不能循环使用。比较和选择防尘口罩主要看三个方面：过滤效果、阻力、和泄漏性。
美国职业安全与健康国家研究院（NIOSH）统一测试并评定防尘口罩的过滤性能：
· N95：可以过滤至少95%的0.3微米以上颗粒物
· N99：可以过滤至少99%的0.3微米以上颗粒物
· N100：可以过滤至少99.97%的0.3微米以上颗粒物
相应的欧洲标准为：
· FFP1：可以过滤至少80%的0.3微米以上颗粒物
· FFP2：可以过滤至少94%的0.3微米以上颗粒物
· FFP3：可以过滤至少99%的0.3微米以上颗粒物
这些标识应当清楚印在销售的口罩（或包装盒）外面。所有通过检测的产品可以在NIOSH官网上找到（http://www.cdc.gov/niosh/npptl/topics/respirators/disp_part/）。
防尘口罩的阻力大小会影响人的呼吸，尤其对于小孩和老人，如长时间佩戴可能出现氧气不足呼吸困难等症状，防尘口罩的阻力会随着颗粒物吸附的增加而增加，如发现呼吸困难应及时摘除或换取新的口罩。
另外防尘口罩是否能真正起作用，还要看口罩空气侧漏的情况，也就是要选择和自己脸型合适的防尘口罩，尤其要注意鼻梁和两侧脸颊处这三个主要可能泄露的地方。
最后，作为一个参考，下面的网站给出了两家中国机构测试的目前市场上合格与不合规的防尘口罩产品：http://www.myhealthbeijing.com/children/awesome-trio-of-pollution-mask-tests-the-winners-and-losers/
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