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疫情之下 | 對超低能耗建筑技術路線的思考2020-06-10 14:26來源：高性能建筑作者：于震 吳劍林
2020年的新冠疫情對全社會的沖擊是近百年來所罕見的，時至今日，全球的生活和經濟秩序仍然沒有全面恢復，后續(xù)會不會有長期多次的疫情反復？新冠肺炎是否會象SARS一樣基本消失，或長期在人群中存在？這些問題仍然懸而未決。面對著疫情的沖擊，全社會各行各業(yè)都在反思所在領域和疫情的關系，建筑行業(yè)也不例外。 各國科研人員在疫情期間，針對疫情開展了大量的研究。目前主要觀點是新冠病毒主要通過呼吸和接觸傳染，在室內的傳播風險遠大于在室外，主要傳播方式包括飛沫傳染、接觸傳染，也有一些研究提出了新冠病毒可通過氣溶膠傳染，但氣溶膠傳染的風險大小和具體方式等各方仍有不同的意見。 我國建筑環(huán)境領域的科研人員在疫情期間舉辦了多次研討，并結合2003年SARS期間的研究成果，開展了大量的研究工作。 在最緊急的時刻，全行業(yè)最關注的是如何控制院內感染、方艙醫(yī)院的感染控制、以及在疫情期間必須開放的交通工具、公共建筑內部的防控措施和手段。 隨著我國疫情的好轉，目前復工復產成為主要工作，公共建筑的空調、通風是目前重點關注的對象。在疫情期間，中國建筑科學研究院環(huán)能院緊急組織編制了《疫情防控期間公共建筑空調通風系統(tǒng)運行管理指南》[1]，以保障公共建筑空調通風系統(tǒng)的安全合理使用，防止因空調通風系統(tǒng)的不合理運行導致新型冠狀病毒傳播的擴散。 在5月17日下午，北京市西城區(qū)疾控中心接到轄區(qū)醫(yī)療機構發(fā)熱門診報告，西城區(qū)復興門內大街55號出現33例集中發(fā)熱病例，經連夜排查，已排除新冠肺炎病例，多數患者自述發(fā)熱與近期使用中央空調有關，初步確定為共同暴露因素導致的集體性發(fā)熱，病原體初步判斷為A組乙型溶血性鏈球菌[2]。盡管這次集中發(fā)熱情況不是由于新冠引起的，仍然為公共建筑的疫情后運維敲響了警鐘。 超低能耗建筑和近零能耗建筑是國內外建筑行業(yè)發(fā)展的熱點，超低能耗建筑除了可以大幅降低建筑能源消耗、減小環(huán)境足跡外，同樣非常重要的是超低能耗建筑能夠營造更舒適健康的室內環(huán)境。 在疫情的背景下，需要更全面地重新審視超低能耗建筑的技術路線，分析在特殊情況下，超低能耗建筑是否能夠有效應對疫情或其他緊急情況，分析在平時情況下，超低能耗建筑技術體系能否更好地創(chuàng)造健康的室內環(huán)境。 根據《近零能耗建筑技術標準》GB∕T 51350-2019，超低能耗建筑具有高保溫、高性能門窗，高氣密性、新風熱回收等與常規(guī)建筑不同的技術特點，以實現超低能耗的目標。 這些技術特點是超低能耗建筑區(qū)別于常規(guī)建筑的關鍵要素，他們除有助于節(jié)能降耗外，是否與營建健康的室內環(huán)境矛盾？是否適應在類似新冠疫情的特殊情況下的非常規(guī)情況運維，是否會存在一些未考慮到的風險？ 下面，作者嘗試從幾個方面進行討論，由于時間和水平的限制，不一定系統(tǒng)和準確，拋磚引玉，供行業(yè)內的專家討論。 關于高效熱回收新風系統(tǒng) 高效熱回收系統(tǒng)是超低能耗建筑的重要技術措施之一。尤其是在嚴寒和寒冷地區(qū)，高效熱回收新風系統(tǒng)能有效降低新風負荷，是超低能耗建筑供暖能耗降低的重要原因。然而，在疫情情況下，大多數技術指南建議關閉回收新風機組或采用全新風工況運行。 在公共建筑中，對于全熱回收新風機組來說，通常采用金屬轉輪或傳熱傳質薄膜進行熱濕交換，兩種方式都可能無法完全避免回風中的病毒通過熱濕交換界面，進入到新風內，返回輸送到室內進行傳播。 對于顯熱交換的新風機組來說，原則上送風和排風經過板式、板翅式換熱器采用非接觸方式進行換熱，新風回風不接觸，不會產生病毒傳播。 但是由于普遍存在的漏風情況，仍然不能說絕對安全。出于盡量降低傳播風險的原則，多數指南建議關閉。如果漏風率很低，是否仍然需要關閉顯熱交換式新風熱回收機組呢？在ASHRAE的指南中，仍然建議顯式熱交換機組運行在旁通工況，其目的主要是可以減少通風阻力，以引入更多的干凈的室外新風。 對于居住建筑來說，目前超低能耗建筑多數采用分散式新風機組，但也存在一些采用集中式新風系統(tǒng)的項目。 對于戶式系統(tǒng)來說，一戶一個系統(tǒng)，由于家庭人員日常緊密接觸的導致病毒傳播風險遠遠高于由于新風熱回收導致的傳播風險，因此除非有個別人員單室隔離，否則戶式系統(tǒng)可常規(guī)開啟。 如果采用了集中式的新風系統(tǒng)，來為超低能耗建筑進行新風供應，考慮到多個戶型匯總其他家庭中可能有感染人員，不管是考慮到新風熱回收裝置的漏風和傳質風險，還是考慮長距離風系統(tǒng)正負壓平衡失控的風險，都不建議開啟集中熱回收新風系統(tǒng)送新風，除非能夠確保所有新風的流向和壓力平衡。 總體而言，除非有特殊的設計和工程技術保障，超低能耗建筑系統(tǒng)更適合采用分散式的新風熱回收系統(tǒng)。在疫情或流感季節(jié)，建議關閉非獨立空間的新風熱回收系統(tǒng)。 是否應提高暖通空調系統(tǒng)過濾等級 在美國制冷與空調工程師學會（ASHRAE）針對新冠疫情發(fā)布的文件中[3]，認為暖通空調系統(tǒng)有助于減少新冠病毒的濃度并降低空氣傳播的污染。并認為空氣過濾器能夠通過降低空氣中其他污染物從而有效降低病毒傳播。 我國學者在SARS期間也進行了通過提高空調過濾等級進而控制醫(yī)院病毒傳播的嘗試[4]，取得了良好的效果，研究表明，風機盤管或AHU回風口設置高效過濾，有助于攔截飛沫和氣凝膠載體，減少病毒傳播風險。當然，目前研究的實驗樣本量較少，主要還是基于理論分析得到結論。
ASHRAE關于新冠疫情的主頁 （https://www.ashrae.org/about/news/2020/ashrae-issues-statements-on-relationship-between-covid-19-and-hvac-in-buildings） 總體來說，盡管對于是否開啟中央空調系統(tǒng)不同的機構給出了不同的建議，但對于提高空調風系統(tǒng)的過濾等級，可以減少病毒傳播風險并無太多爭議。 對于超低能耗建筑來說，在應急期間提高回風過濾器等級，有助于降低室內病毒傳播風險，在非應急期間，也類似于安裝了額外的空氣凈化器，是有益于改善室內環(huán)境的措施。 是否應該在空調濾網處設置紫外消毒？過濾網是否會增加病毒傳播概率？ 另一個非常敏感的問題就是空調系統(tǒng)的清洗和消毒問題。直觀感覺上，空調系統(tǒng)的風道，尤其是過濾器容易堆積灰塵，進而也會聚集病毒，是造成病毒二次污染的原因。 紫外線消毒是常見的病毒殺消方法，是否可以考慮在過濾器設置紫外燈進行消毒呢？在SARS期間，世界衛(wèi)生組織明確不建議對空調設備進行紫外消毒，據說主要考慮的原因是紫外線無法保障100%殺消病菌（這一原因是否有依據，需要更多的文獻和研究證明），當無法保障完全殺消時，反而有可能促使病毒發(fā)生變異。基于此假設，在過濾網設置紫外燈可能不是一個非常安全的選擇。 另外，灰塵長期聚集在過濾網表面，感覺病毒都聚集在了一起，這時是否會增加病毒傳播概率呢？在香港大學團隊于3月27日在medRxiv發(fā)表的文章中來看[5]，新冠病毒在光滑紙表面或紙巾表面僅能存活不到幾十分鐘到3個小時，但在光滑的塑料和不銹鋼表面可存活多天。 盡管目前還沒有針對不潔凈的空調過濾器表面的實驗結果，但沒有明顯結果可以表明在空調濾網上可能產生短時間二次污染概率的增加。值得注意的是，長期的污染物在潮濕條件下的聚集會導致有害微生物的增加，因此濾網定期清洗應該是必要的，但從目前研究看，不能直接得出過濾網的使用會增加新冠病毒室內污染的結論。
在不同表面新冠病毒存活時間的實驗結果[5] 衛(wèi)生間污染物控制 除了空氣傳播外，衛(wèi)生間污染物控制也是本次疫情期間社會廣泛關注的重點。2003年SARS期間香港淘大花園總計有331名患者感染非典，死亡42人，是全球著名的非典重災區(qū)。 根據事后的調查，淘大花園每棟建筑都有8條直立式污水管，用于收集整棟樓同一房間編號的污水。這條直通整樓的排污管，是病毒傳播的重要通道。 由于大部分住戶是用拖把而非沖水清洗地面，所以地臺的U型聚水器干涸，未能夠發(fā)揮隔氣作用[6]。因此應保持地漏集水彎有效，避免設置干區(qū)地漏，避免衛(wèi)生間負壓過高，合理使用馬桶蓋。在歐洲暖通空調學會指南中“REHVA COVID-19 guidance document”，得到了較高的重視。指南建議衛(wèi)生間保持7×24小時通風。 對于采用戶式熱回收（熱泵）新風機組的超低能耗住宅來說，多在衛(wèi)生間設置排風口，一方面避免衛(wèi)生間污濁空氣外泄，另一方面也可以循環(huán)室內空氣，維持衛(wèi)生間室內溫度。需要注意的是，衛(wèi)生間門需要保持敞開或者有安全的衛(wèi)生間通往居室或走廊的通風通道，避免衛(wèi)生間負壓過低導致污染物吸入。 在居住使用時，衛(wèi)生間實際上存在著噪聲控制的要求，因此在長時間關門使用衛(wèi)生間時，衛(wèi)生間同時有排風和降噪的需求，因此，衛(wèi)生間設置消聲溢流通道是同時可以滿足以上兩個需求，并且避免了因關門排風導致同樓污染物從地漏進入衛(wèi)生間的風險，有利于維持健康安全的衛(wèi)生間環(huán)境。在未來的超低能耗建筑設計時，應考慮對以往的設計思路進行優(yōu)化。
REHVA關于新冠疫情的主頁 （https://www.rehva.eu/activities/covid-19-guidance?no_cache=1）
REHVA COVID-19 guidance document中圖示的病毒傳播途徑[7] 對于公共建筑或者采用集中式熱回收新風機組的項目來說，考慮到衛(wèi)生間污染物濃度更大，從衛(wèi)生間進行回風，并進行熱回收的風險大于其他位置。 因此，在疫情期間，如非必要，不宜從衛(wèi)生間回風進行熱回收。在德國，對公共衛(wèi)生間進行熱回收是被允許的，然而從公共衛(wèi)生的角度講，最好使用完全非接觸式換熱（熱管或其他方式）的方式，避免由于漏風、傳質而導致污染物循環(huán)擴散。 關于較小的供冷供熱容量與應急運行之間的關系 超低能耗建筑由于使用了多種主被動節(jié)能措施，其最大冷熱負荷，尤其是熱負荷顯著低于常規(guī)建筑。 在很多項目中，超低能耗建筑的單位面積冷熱指標僅為常規(guī)建筑的一半甚至更低。通常，超低能耗建筑冷熱指標是基于動態(tài)能耗模擬確定的，這一指標依賴于計算時設定的運行模式。 比如，新風熱回收裝置是否開啟、遮陽是否合理使用、是否開窗等。在疫情情況下，建筑物的主要目標是提供健康、安全的室內環(huán)境,降低病毒室內傳播的風險，這時的運行工況遠遠偏離效率優(yōu)先的預設工況，如果在超低能耗建筑設計時，不預考慮這些情況，就會難以維持該狀態(tài)下的建筑室內熱環(huán)境。 如果沒有冗余設計，超低能耗建筑相對常規(guī)建筑，容錯率更低。比如，當疫情發(fā)生在冬天或夏天時，當不能開啟熱回收系統(tǒng)時，新風系統(tǒng)如果不能運行，由于超低能耗建筑氣密性更好，需要開啟外窗，以保障室內空氣質量，這時超低能耗建筑負荷大于實際情況，應該怎么辦？設計時，應該怎么考慮、是否應該考慮這種情況。 是否應設置應急備用系統(tǒng)或使得暖通空調系統(tǒng)設計更有韌性/彈性？我們認為，應結合氣候分區(qū)和建筑性質，確定應急方案。 比如，對于嚴寒地區(qū)，且必須在疫情期間使用的建筑，比如醫(yī)院、住宅等，必須考慮這些風險，應在設計時嚴格評估，確保在不同類型的特殊情況下，能確保室內環(huán)境的安全、健康和溫度可控。 建筑氣密性和室內溫濕度 在本次疫情期間，建筑通風被認為是降低室內病毒傳播風險的最主要手段。鐘南山院士和張文宏主任在多次采訪中多次強調通風的必要性。 超低能耗建筑參考德國被動房，比常規(guī)建筑具有更好地氣密性，那是不是說超低能耗建筑就通風不好，不利于疫情下運行呢？這就回到之前多次回復過的問題，超低能耗建筑鼓勵在適宜時開窗通風，在天氣不好不宜開窗時使用高效新風熱回收系統(tǒng)。 開窗通風的自然通風換氣次數遠大于機械通風引入新風的換氣次數。在特殊情況下，需要開窗通風時，超低能耗建筑可與常規(guī)建筑一樣，實現同樣的通風效果。 此外，在一些項目的現場測試中可以發(fā)現，超低能耗建筑由于有了更好地氣密性，在嚴寒和寒冷地區(qū)，冬季室內濕度比常規(guī)建筑更高，并且通常具有更高的室內溫度。從香港大學相關實驗可以看出，新冠病毒在低溫環(huán)境下存活更久[5]。
不同溫度新冠病毒的存活率[5] 一些學者對于武漢疫情期間的病死率與室外溫度和濕度進行了相關性分析[8]，并得出了一些初步結論。但是，在疫情期間，病程的發(fā)展、醫(yī)療方式的改變、入院時間和醫(yī)療資源的改變也是隨著時間變化的，在排除這些影響因素的前提下，才能明確獲得室外溫濕度與新冠肺炎相關性的準確關系，目前數據仍稍顯不足。 對于病毒所在環(huán)境的濕度與病毒存活時間的影響，在2020年針對兩種冠狀病毒的研究表明，在50%相對濕度下，病毒的存活率低于20%或80%相對濕度下的存活率，存活率和相對濕度不是單調相關。 過干或過濕的環(huán)境不僅讓人感到不舒適，還有可能延長病毒的存活時間。目前業(yè)界的基本共識是濕度低會影響空氣中塵?；虿《据d體的傳播，且低濕度會影響人體鼻腔粘膜的健康情況，增加病毒進入人體的機會。 高濕度會提高病毒繁殖能力和生存時間，也會增加其他微生物污染概率，健康的濕度范圍是40-60%。
20%相對濕度，50%相對濕度和80%相對濕度下冠狀病毒的存活率[9]
相對于常規(guī)建筑，超低能耗建筑能更好地維持室內濕度，具有一定優(yōu)勢。從溫度來說，實驗表明室內溫度更高，病毒存活時間越低，超低能耗建筑冬季普遍具有更高的室內溫度和圍護結構表面溫度均勻性，有利于降低病毒存活時間（由于溫度差異不大，可能效果有限）。 【討論】 建筑行業(yè)需要積極反思新冠疫情帶來的啟示，在設計建造時預留特殊情況下盡量保持正常運行的能力，并且積極創(chuàng)造更安全、健康的室內環(huán)境。 結合新冠疫情的相關問題和可查閱到的有限文獻，文章重新審視了超低能耗建筑技術體系，得出以下初步建議，供行業(yè)思考，由于水平有限，研究深度不足，本文結論僅供大家參考、討論和指正。在工程實踐中，仍應具體問題具體分析。 01 除非有特殊的設計和工程技術保障，超低能耗建筑系統(tǒng)更適合采用分散式的新風、空調系統(tǒng)。在有呼吸道傳染病疫情或流感季節(jié)，建議關閉非獨立空間的新風熱回收系統(tǒng)。全熱換熱機組需考慮使用抗菌、抗病毒材料，各類新風熱回收機組應盡量降低漏風率，或采用無接觸傳熱機理。 02 超低能耗建筑在應急期間提高回風過濾器等級，有助于降低室內病毒傳播風險，在非應急期間也是有益于改善室內環(huán)境的措施，未來空調機組設計可考慮更多的室內污染物控制附加措施，而不限于加大引入新風。但不宜在過濾裝置處安裝紫外消毒裝置。 03 衛(wèi)生間噪聲管理和負壓控制應在設計時避免存在矛盾。衛(wèi)生間設置消聲溢流通道可以同時滿足以上兩個需求，并且避免了因關門排風導致同樓污染物從地漏進入衛(wèi)生間的風險，有利于維持健康安全的衛(wèi)生間環(huán)境。在未來的超低能耗建筑設計時，應考慮對以往的設計思路進行優(yōu)化。 04 如非必要，不宜從公共衛(wèi)生間回風進行熱回收。從公共衛(wèi)生的角度講，最好使用完全非接觸式換熱（熱管或其他方式）的方式，避免由于漏風、傳質因此得污染物循環(huán)擴散。 05 必須在疫情期間使用的建筑，比如醫(yī)院、住宅等，在供冷供熱能力選型時，需考慮非正常運行時的工況，應在設計時嚴格評估，確保在不同類型的特殊情況下，能確保室內環(huán)境的安全、健康和溫度可控。 06 相對于常規(guī)建筑，由于有更好的氣密性，超低能耗建筑能更好地維持室內濕度，從有限的文獻來看，這有助于降低病毒存活時間。從溫度來說，超低能耗建筑冬季普遍具有更高的室內溫度和圍護結構表面溫度均勻性，有利于降低病毒存活時間（由于溫度差異不大，可能效果有限）。 【參考文獻】 [1] 中國建筑科學研究院 《疫情防控期間公共建筑空調通風系統(tǒng)運行管理指南》. http://www.bjzlxh.org.cn/art/2020/2/3/art_11844_448541.html [2] 北京一單位33人集中發(fā)熱, 已排除“新冠”, 與使用中央空調有關. https://www.sohu.com/a/396178922_321136 [3] ASHRAE, Statements on Relationship between Covid-19 and HVACiBuildings. https://www.ashrae.org/about/news/2020/ashrae-issues-statements-on-relationship-between-covid-19-and-hvac-in-buildings [4] 沈晉明, 劉云祥, 唐喜慶. 上海某醫(yī)院SARS病房改造. 暖通空調. 2004, 34(4), 61-64 [5] Alex W.H. Chin et.al. Stability of SARS-CoV-2 in different environmental conditions, medRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2020.03.15.20036673, March 27, 2020. [6] 17年前香港淘大花園抗疫事件 對今天啟示是什么？http://news.sina.com.cn/c/2020-02-02/doc-iimxxste8335208.shtml [7] REHVA, COVID-19 guidance document. https://www.rehva.eu/activities/covid-19-guidance?no_cache=1 [8] Yueling Ma et al. Effects of temperature variation and humidity on the mortality of COVID-19 in Wuhan, medRxiv preprint doi: https://doi.org/10.1101/2020.03.15.20036426, March 18, 2020. [9] Lisa M. Casanova et.al. Effects of Air Temperature and Relative Humidity on Coronavirus Survival on Surfaces. Applied and Environmental Microbiology, May 2010, p. 2712–2717 下一篇： 被動房 | 法國幼教建筑
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