建筑,作为人类活动的主要承载者,陪伴着我们度过了一生中90%的时间。建筑环境质量对人们的健康、舒适、工作效率有着直接且重要的影响。建筑的健康化问题很早就引起了全球范围的关注。1987年3月,世界卫生组织(World Health Organization)在巴塞罗那召开的会议中,首次提出了健康社区评价体系,旨在将健康相关问题纳入城市建筑的发展规划和日常管理工作中,改善人居环境。2020年,新冠疫情全球大流行,让人们对建筑、空间、居住的健康与安全有了更深刻的认识。今日,在建筑的基础功能之上,我们进一步提出“健康建筑”的概念:建筑应当保证,并进一步促进室内人员的身心健康,不仅避免出现病态建筑综合症(SBS),更需要营造健康舒适的室内环境,满足人员的生理与精神的健康需求。建筑已经不仅仅是一堆钢筋混凝土,而是为我们营造健康、安全、舒适空间的载体。
人们约90%的时间在建筑环境中度过,建筑环境对于人们的舒适和健康至关重要。不良的室内环境会导致病态建筑综合症(Sick Building Syndrome),产生头痛、恶心、疲乏失眠、记忆力衰退、呼吸紊乱等症状,严重者还可能引发过敏性肺炎、过敏性鼻炎、哮喘、军团病等疾病。
大量研究证明,引起病态建筑综合症的并非某一种室内污染物的单独作用,也并非完全由室内空气中的污染物所致,而是多种因素的综合作用。建筑环境包括空气环境、光环境、热环境等,这些因素会对室内人员生理和心理上产生综合影响。
近年来,我国多个城市发生过不同程度的大气污染,例如:重度雾霾、室外臭氧超标等问题。人们对空气品质的关注度和需求也日益增强。尽管目前政府和研究机构已经对室外大气污染建立了动态监控系统,但人们对于通过建筑通风和围护结构渗透进入室内的污染却几乎一无所知。实际上,由于室内环境受到室外环境和室内人员活动的双重影响,并且由于室内环境的封闭性导致小型的污染源对室内空气质量的影响非常显著，室内的空气环境往往比我们所想的更加糟糕,例如:PM2.5等颗粒物超标、甲醛等挥发性有机物(VOCs)超标、不新鲜的空气以及过高的二氧化碳浓度、甚至是在新冠疫情期间因室内病菌造成的交叉感染问题所引起的恐慌。
图1：室内空气污染来源【5】
PM2.5的来源主要有室外的污浊空气渗入和室内人员活动。在雾霾天,即使建筑门窗紧闭,细小的PM2.5粉尘颗粒仍然能够通过门窗缝隙等处从室外渗入室内,尤其对于密封性不好的房间,室内的颗粒物浓度与室外的雾霾环境相差无几。此外,室内因抽烟、做饭等问题同样会产生大量的PM2.5污染物。近年来大量的实验早已证明,高浓度的PM2.5对人体呼吸系统有很大损害,易引发哮喘、支气管炎等方面的疾病。
图2（图片来源：http://www.nasa.gov/）
图3：室内PM2.5浓度变化曲线
【数据来源：EIC环境平台】
在雾霾天、冬季和夏季,房间门窗通常会关闭,此时对于缺少机械通风系统的建筑,室内人员的活动很容易导致室内CO,浓度过高。另一方面，一些建筑为了实现节能、降低运行费,刻意大幅度降低室内新风供应量,导致室内污染物长时间、大空间地在室内环境中积累,造成CO气体等人体散发污染物浓度严重超标,与舒适健康的要求背道而驰。
超过限值的CO,浓度会使人们产生胸闷头晕、注意力分散、嗜睡、记忆力减退等症状,活动效率迅速下降。与此同时,CO2本身也是室内空气新鲜程度的一个重要指标,在CO,浓度过高的环境中,甲烷、硫化氢等其他人体散发污染物也往往累积到了人体可感知到的水平,对室内人员的健康产生直接影响。
下图是某中学的实际测量数据,在校期间,教室有50%的时间段存在CO;严重超标,最高浓度可达4500ppm,将严重影响学生的健康与效率。
图4：某中学教室内二氧化碳浓度变化曲线
【数据来源：EIC环境平台】
室内装饰材料等会直接导致室内环境长时间处在有机物的污染下。一些新型合成材料由于价格低廉、性能优越而被作为建筑构件、保温材料和建筑装修材料广泛应用，但其中一些会散发对人体有害的气体,包括甲醛、苯、其他VOCs等。大多数VOCs具有令人不适的特殊气味,并对人体的神经系统、免疫系统、肝脏产生危害,易诱发血液性疾病,同时增加哮喘病的发病率。
图5:建材、家具[图片来源网络]
尽管市场上已有多种对建筑装饰材料的甲醛挥发量的测量与认证,但研究表明,即使我们采用的都是最低挥发浓度的E0级别的建材,但由于使用数量的不确定,最终仍然可能导致累计的甲醛等污染物超标。在已有的实验中,尽管被测房间已经经过了一年多的正常使用,但仅仅四个小时没有通风后,房间中的VOCs浓度就已经逼近人体健康的最高限值!
图6：研究文献【6】
传染性病菌的传播也是室内环境污染的一个体现。呼吸道疾病的传播依赖于含有病毒颗粒的气溶胶的形成。人在说话、唱歌和正常呼吸时都可能产生气溶胶,特别是咳嗽和打喷嚏可导致此类气溶胶大量喷出。一次咳嗽时可能会产生数百个小液滴,一个突然爆发的喷嚏则可能产生高达2万个小液滴。《国家科学院院刊》上的一项名为“大学校区季节性流感患者呼气中的传染性病毒”的研究提供了新证据,证明了空气传播的潜在重要性,因为研究人员在流感患者的呼气中发现了大量的传染性病毒。马里兰大学公共卫生学院环境健康教授、主要研究者Milton博士解释说:“我们发现,流感患者仅仅通过呼吸,无需咳嗽或打喷嚏,就已经污染他们周围的空气。’
由于室内空间有限,人员密集,在这样一个湿度偏高,PM2.5较高的环境下，人们咳嗽、打喷嚏,甚至说话都会产生大量携带病菌的微小飞沫。如果没有有效的过滤、通风的手段，一些高传染性的细菌、病毒,如新冠病毒等就很容易通过飞沫散布进行传播,给室内人员造成极高的感染风险。
国际照明委员会《室内工作场所照明》标准中指出,照明质量会导致人视觉在三方面发生变化:短时间的辨认、引起视觉疲劳、心理满意度。光环境不仅对视觉舒适度,也会对非视觉(包括心理和生理)产生直接影响。
现有的研究已经证明,哺乳动物体内维持着一个大约以24小时为周期的生物系统,和外界的昼夜变化一致。2002年,美国Brown大学的Berson等人发现了哺乳动物视网膜的第三类感光细胞,视网膜特化感光神经节细胞(ipRGC);这类感光细胞能参与调节许多人体非视觉生物效应,包括人体生命体征的变化激素的分泌和兴奋程度。
研究表明,这类感光细胞不仅参与调节人体的生物周期节律,同时影响人体褪黑激素的分泌,褪黑激素水平不仅影响人们的睡眠质量,同时还与抑制癌细胞的生长有关。对于正常人来说,日间光线强,褪黑素分泌受到抑制,皮质醇激素分泌则相反的提升,人就会感到警觉和振奋;夜间光线暗下来,褪黑素分泌达到高峰,人就会平静放松的进入睡眠。由此维持与外界同步的昼夜周期。
由此室内照明质量的评价由原来单一视觉效果评价逐步过度到视觉效果和非视觉效果的双重评价,非视觉效果与人体健康密切相关。埃因霍温科技大学一项持续一年的实验研究表明,个体接受的光量与活力显著相关,暴露在更多光线下的人会体验到更多的活力和更好的睡眠。
图8：图片来源licht.de
在现代社会,人们长期在室内停留,室内光环境的营造对于人的健康和舒适尤为重要。受季节、天气和建筑设计的影响,很多时候人眼接受的自然光都不充足。因此,如何在室内营造更加健康的人工光环境不仅对视觉舒适度,也对人体的生理周期健康引导至关重要。
现有研究表明,适当的照度和合理的色温是营造健康光环境的两大要素。在适当的高照度情况下,人的警觉度提升,学习和工作效率都可以得到很大的提高。灯光的唤醒照明已经应用于睡眠障碍、季节性情感障碍的治疗。
色温也对人员的觉醒度和情绪有着直接的影响。和视觉系统不同,视网膜感光神经节细胞(ipRGCs)的光谱敏感度峰值向短波长偏移到480nm左右,也就是说,蓝光波段对生物钟的刺激是最有效的。例如在相同的100lx明视觉照度下,485nm的单色LED(蓝光)对褪黑素分泌的抑制会比592nm的单色LED(橙光)高60%。而在日常使用场景中,灯光色温越高，它所含蓝光波段的比例就越高,能够更高效的作用于人的昼夜节律系统。
图9：实测光谱分布
与目前流行的恒温恒湿建筑理念相反,真正的健康、舒适的室内环境应该维持一定的冷热变化。
人体的热舒适的存在是以变化为前提的。由于人体自身具有一定自动适应外界环境的能力,必要的热环境刺激有利于保持人体的热调节系统正常运行，扩展可接受的热环境范围。同时,人体的热舒适是存在个体差异性的。大量研究表明,人员在不同的场景、季节、时间下,对于热环境的需求会存在着明显的个体偏好差异性。
影响人体热舒适感觉的因素有空气温度、空气相对湿度、空气流速、平均辐射温度、人的新陈代谢率、衣服热阻和个人心理因素,前4个因素为室内物理因素,后3个因素为个人因素。当某一要素达不到预期的要求时,可以在一定范围内通过调节其它要素来弥补所造成的不利影响,实现个性化热舒适,保证每个人的生理、心理健康。
而不舒适的热环境将直接影响人员的工作效率和身体健康。一项研究中,在非通风房间内工作的受试者在一个小时后就开始感到房间内过热。同时,他们的注意力也开始下降,精神状态变差,出现明显的疲劳感,最直接的后果是每个受试者都开始表现出程度不一的头痛。更严重的情况下,这种疲劳感带来的头痛会一直持续到深夜,甚至是第二天醒来的时候。
图10:不舒适热环境[8)
建筑环境对人们的舒适和健康至关重要,然而,真正实现健康环境需要综合考虑多方面要素且实现过程是非常复杂的。这主要由于以下三方面:
A\健康环境是多维度的,包括而不局限于空气环境、光环境、热环境等等;
B\健康效果的保障是一个持续的动态过程;
C\健康环境的偏好是有个体差异性的;
因此需要建筑通过“环境监测一环境评价一一环境控制”形成闭环系统，才能最终保障环境效果的呈现。通过安装传感器建立室内环境参数和控制现状的数字化监控;根据建筑室内环境控制需求部署合适、高效的硬件治理设备;通过云端数据和算法进行实时数据挖掘和分析,建立智慧环境管理平台,为建筑提供安全、科学、高效的环境监管。
人体对外界环境的感知手段其实相当有限:不仅颗粒物往往处于肉眼不可见的尺度,甲醛等挥发性有机物污染也无形无色,能够引起人体嗅觉感知的浓度已经远远超过了保障人体健康的最低浓度限值。甚至有时,我们对冷热的感觉都有可能并不准确,导致最终出现身体不适。这时我们只有借助专业的仪器设备才能够更加清晰、全面地了解我们所处的环境。另一方面,随着我们营造健康舒适的室内环境的手段越来越多,环境感知及评估系统正承担着整个环境治理系统的耳鼻角色,实时的环境监测数据无疑对设备的运行有着重要意义。
实时精准的环境数据依赖于经权威检测机构标定的传感器,确保所有设备准确一致的环境感知数据输出。监测的环境参数需要包括PM2.5浓度、空气温度、空气湿度、二氧化碳(CO)浓度、TVOC浓度、甲醛浓度等。部署智能环境监测单元,提供7*24小时的室内环境数字化监控,并且实时上传至基于物联网的环境监测管理平台。
以环境监测系统为载体,通过对室内外环境历史数据、客户使用反馈信息、人员健康情况等数据进行对比分析,可以构建建筑室内环境质量管理评估系统,对室内环境各个时刻下的健康状况有一个清楚全面的判断:同时,可对室内环境参数提供可视化展示平台,对室内空气质量进行实时评级,对室内二氧化碳浓度、PM2.5浓度与环境健康风险指标进行精准识别,通过风险识别、风险预警、风险处置实现环境闭环管理。
图11:图片来源于网络
建筑环境品质的改善离不开相应的硬件治理设备的加持:专业级净化机组能有效祛除PM2.5、甲醛等污染物以及祛除异味,保障室内空气的洁净度;在空调末端增设消毒除菌装置,对于新冠疫情的防控和室内空气安全有着至关重要的意义;增加新风机组联动控制模块,合理化开启新风机组,在保障空气新鲜度的同时提高运维人员管理效率减少不必要能耗;采用高品质LED照明灯具,提高使用者用眼舒适度,避免降低用眼疲劳保护视力。
图12:高效空气净化机组
基于已有的环境数据监测及环境评估系统,我们可以进一步联动环境控制设备,建立基于空气照明、热舒适等耦合环境算法,智能化调节控制智能化调节暖通和环境设备(空调、新风、净化等)的运行状态,实现环境自适应自学习调节控制。此外,环境治理系统可根据用户及环境实际情况进行场景设定,方便用户一键开启预设场景,轻松便捷地实现智能化运行联动设备。
智慧建筑环境管理通过对建筑空气环境、光环境、热环境历史数据和用户习惯的学习与训练,动态优化调节控制算法,使其逐步迭代以符合不同环境场合和人员使用习惯,其中包括:动态环境场调节,增强环境体验,改善场景内人员健康及工作学习效率;环境场自适应算法,通过对环境使用场景、环境历史数据、用户主观满意度、以及热湿环境与光环境耦合算法进行综合分析,提供建筑环境调节策略,简化运维,提升服务效率;无线控制集群,易于部署,免除有线控制实施成本和复杂性,简化使用者和管理者操作复杂性。