第1章绪论1.1研究背景现代人至少有80%的时间在室内环境中,尤其是在家里,家庭室内环境是人们生活的重要组成部分。室内环境中存在很多污染物。近几十年,随着我国现代化和城市化的快速发展,数以亿计的中国人正经历着室内环境的急剧变化,各种新型合成建材、家具材料、个人护理用品和室内清洁用品已广泛应用于住宅建筑中,成为室内污染源,导致我国住宅普遍存在室内空气品质问题。某些室内污染物会产生气味或引起刺激,通过吸入、皮肤暴露等途径对居住者造成健康影响。建筑通风的目的是将室内污染物有效排出,保证在室人员的舒适性,满足在室人员对新鲜空气的需要。通风的本质是利用室外污染物浓度低的空气来稀释室内污染物浓度高的空气。建筑通风从实现机理上分为两种,即自然通风和机械通风。自然通风是利用自然的手段,如热压、风压等,来实现空气流动而进行的通风换气方式。机械通风是利用机械驱动的设备（如电动机驱动的风扇和鼓风机）产生压差来促使空气流动的通风换气方式。测量建筑通风量有多种方法,应根据建筑的通风类型选择合适的方法。在住宅建筑的通风量测量过程中,需要尊重居住者的隐私,对居住者的干扰应该降到最低,不能破坏居住者日常行为习惯,从而获得真实生活条件中的数据,因此很多常规的测量方法并不适用。目前,住宅建筑的通风量通常采用以全氟化碳为示踪气体的PFT方法或示踪气体衰减法进行测量。然而,由于现存方法的局限性,住宅建筑的通风量测量依然面临困难和挑战。随着人们对室内各类污染物的深入认识,有关通风量的标准被逐步提出。但目前最小通风量的规定是针对可接受的室内空气品质,而非直接针对居住者的健康。室内污染物对人体健康的影响具有低浓度、累积性、长期性等特征,即使污染物的浓度低于相关标准仍然会对人体健康造成危害。到目前为止,室内环境与健康效应的关系尚不明确,无法确定“健康环境”的边界,也没有相关的标准或研究确定达到健康标准的最小通风量。因此,研究通风量健康效应可以为国家和行业的标准制定提供理论依据,而住宅建筑通风量的测量则是对研究通风量健康效应的一个重要前提。1.2文献综述1.2.1通风测量方法建筑物通风测量方法取决于该建筑的通风系统。我国住宅建筑多采用自然通风,对于自然通风建筑,目前有三种评估建筑通风的技术,即模型技术、气密性测量技术和示踪气体技术。模型技术主要基于风压热压原理,通常包含一些基于风洞和现场测量的经验系数和相关关系。然而模型实验需要较长的实验周期和昂贵的实验费用,通过建模计算出的通风量需要许多输入参数,如温度、风速、风向、孔径等,许多必要参数在实践中很难确定,这使得模型技术的应用受到限制。气密性测试技术的常用工具是鼓风门,鼓风门系统主要采用鼓风机加压,使建筑内部和室外产生压力差,其流量值用于计算换气次数,使用红外热成像仪检测确定建筑物的渗透源。气密性测试技术主要用于测试建筑物围护结构的密闭性,难以用于评估实际生活条件下的通风量。示踪气体法通过测量示踪气体的稀释程度来确定建筑物的通风量。常用的示踪气体释放方法有恒定注入法、浓度恒定法和下降法。示踪气体法的应用主要基于示踪气体的质量平衡。ASTM E 741描述了应用于短期测试的示踪气体法,该方法的局限性在于:使用的设备较大、需要在测试过程中进行人为干预,因此难以用于长期测试。以全氟化碳作为示踪气体的PFT方法测试通风量所需设备小且可用于长期测试,但PFT方法仅可测得测试期间的通风量平均值,且测试费用较高,不适用于大规模测试。1.2.2通风现状建筑通风量的测量已经超过75年。在20世纪40年代末和50年代初,Dick通过多次测量研究了天气条件对通风量的影响,以及开窗和其他人员行为对通风量的影响。20世纪60年代,美国对低层住宅建筑进行了大量的研究,但是这些研究大多只测试了建筑物的密闭性。20世纪70年代以后,在降低建筑能耗愿景的驱动下,研究人员更多地对住宅密闭性进行了研究,而少有研究针对真实生活条件下的通风量。在中国,关于住宅通风量的研究较少,仅有的研究也是针对住宅建筑的密闭性。1.2.3通风健康效应综述通风量对人体健康影响的研究多见于住宅、办公室和学校。这些研究多为实验干预、前瞻性研究和病例对照研究。办公室的通风量健康影响研究多与病态建筑综合症（SBS）有关。学校的通风量相关研究多与学生缺勤率、学生表现和呼吸道健康等有关。由于人们在家里的时间比在办公室或学校更多,住宅通风量对健康的影响可能会更大。住宅通风的健康效应相关研究主要在北欧国家和美国进行,相关健康问题大多为过敏性疾病或其他呼吸道疾病。在以往的研究中,产生健康风险的通风量差异很大,这可能是通风量、污染物水平和健康之间的复杂关系导致的。通风与健康风险之间的关系亟待进一步的研究。1.3本研究的目的和范围由于现代化和城市化的迅猛发展,我国室内环境发生了巨大变化,由室内环境引起的病态建筑综合症、过敏性疾病等健康问题日益成为公众关注的焦点。通风量是解释室内污染物浓度和健康影响的关键因素,本研究主要对我国住宅通风现状进行调查,分析通风与居民健康的关联性,探讨通风对健康的潜在影响机理。1.4论文构架本文第二章提出以居住者产生二氧化碳为示踪气体的方法,并对计算中每个输入参数的敏感度进行了估计,通过验证,该方法可用于测量住宅的通风量。第三章通过对294户住宅渗透换气次数测量,及对46户自然通风住宅和42户机械通风住宅进行为期一年的通风量连续监测,对我国住宅通风现状进行了全面的分析。第四章对天津地区410个儿童住宅的通风量进行了测量,分析通风量与儿童过敏性疾病的关联性。通过对室内尘螨和邻苯二甲酸酯暴露与通风和居住者健康的相关性分析,探讨了通风影响健康的潜在机理。第五章对天津32户住宅的通风量进行了测量,分析了通风量与病态建筑综合症之间的关联性。通过分析甲醛、挥发性有机化合物和颗粒物等与通风和病态建筑综合症的关系,探讨了通风不良可能会导致病态建筑综合症的潜在机理。第2章通风测试方法基于质量平衡法和最小二乘法,本研究发展了住宅建筑通风量计算方法,即CO2方法。CO2方法的输入参数为室内CO2浓度、室外CO2浓度、CO2排放速率、房间体积。将质量守恒公式进行积分,可得到一个CO2浓度关于时间的指数函数,利用最小二乘法对测量的CO2浓度进行曲线拟合,求得换气次数。在实际测量中,住宅建筑往往有多个房间,应同时测量住宅中各个房间的CO2浓度。当客厅和卧室的CO2浓度差小于10%或客厅和卧室的CO2浓度趋势一致时,整个住宅被认为是一个单区,即此时卧室的换气次数与整个住宅相同。否则,卧室被认为是一个单独的区域。体积加权平均的CO2浓度用以计算整个住宅的通风量。在实际测量中,应画出住宅户型图,用以计算房间体积,询问住户的身高体重,用以计算CO2释放率。为了验证CO2方法的有效性,用CO2方法和PFT方法同时测量了公寓的通风量。实验在3个公寓中进行,根据房间内门的状态,分为3种工况,即内门完全打开,打开1cm,内门关闭。结果证明在实际换气次数较低时（≤0.6 h-1）,采用CO2方法测量计算换气次数具有较高的可靠性,误差范围为-36.52%-+7.75%。该方法考虑了住宅内部的空气流动,可用于测量计算卧室和整个住宅的换气次数。第3章中国住宅通风量为了制定住宅通风策略,需要全面了解我国住宅通风现状。基于第2章提出的CO2方法,本研究在2017-2018年对我国五个气候区的住宅进行通风量测量,建立中国城市住宅通风数据库。本研究对294户住宅进行四季入户测试,测试包括渗透换气次数、开窗换气次数,对其中的46个自然通风住宅和42个机械通风住宅进行长达1年的连续在线监测,利用传感器监测室内空气品质、机械设备运行情况和门窗状态,结合无线联网远程数据采集平台将数据实时传输到云端服务器,最后用CO2方法计算全年的通风量。结果发现,我国卧室渗透换气次数中位数为0.34 h-1。开窗换气次数远高于渗透换气次数,自然通风可以满足住户的通风需求。在严寒地区和寒冷地区的春、秋及冬季,超过80%的卧室关窗;夏热地区的冬季和夏季,大于50%的卧室关窗;纵览全国,54%的卧室关窗。室外温度极大地影响人员开窗行为,结果表明仅在室外温度为15-26°C时,超过50%的住户开窗。我国北方春、秋、冬季换气次数不足（0.33-0.46 h-1）,我国南方的冬季换气次数较低（夏热冬冷:0.55 h-1,夏热冬暖地区:0.43 h-1）,温和地区的换气次数充足（1.38-2.32 h-1）。采用机械通风系统的住宅平均换气次数为0.58-1.62 h-1,与自然通风住宅（0.33-1.16 h-1）相比,机械通风住宅的换气次数较高（夏季除外）。第4章住宅通风量和儿童过敏性疾病的关联性过去几十年对节能的关注导致了建筑围护结构更加严密,以至于通风量降低,与此同时,过敏性疾病的患病率逐年增加,为了研究通风量与儿童过敏性疾病的关联性,在天津地区展开了研究。研究分为两个阶段,第一个阶段是横断面研究,主要采用问卷的方式,调研调查对象的患病情况,第二个阶段是病例对照研究,对410个儿童居住的住宅进行了实地测试,测试包含了通风量的测量,尘螨、邻苯二甲酸酯的检测。结果表明,换气次数低与儿童鼻炎比例增加显著相关（现患鼻炎,调整优势比（AOR）:1.59,95%置信区间（95%CI）:1.01-2.49;确诊鼻炎,AOR:3.02,95%CI:1.16-7.89）。儿童卧室的换气次数与儿童鼻炎之间存在明显的剂量反应关系。“卧室”、“夜间”的换气次数对健康的影响相对于“住宅”、“白天”更大。以换气次数为连续变量进行分析时,儿童鼻炎与换气次数呈显著负相关关系,对于步长为0.1 h-1的换气次数,儿童现患鼻炎的调整优势比为0.97（95%CI:0.94-1.00）。研究发现,换气次数和尘螨变应原浓度存在负相关关系,且尘螨变应原的高浓度暴露可明显增加儿童鼻炎的患病风险。采用Logistic回归模型分析邻苯二甲酸酯浓度与儿童过敏性疾病的关系发现,高浓度DEP与儿童鼻炎显著相关,高换气次数房间的邻苯二甲酸酯浓度低于低换气次数房间的邻苯二甲酸酯浓度,但差异无显著性（p＞0.05）,尘螨、邻苯二甲酸酯可能是低换气次数导致鼻炎的中间物质。第5章住宅通风量和病态建筑综合症的关联性为了研究住宅通风量与病态建筑综合症的关联性,并探讨通风对病态建筑综合症影响的潜在机理,于2016-2017年对天津市住宅通风量、病态建筑综合症和室内空气质量进行调查。研究共招募了32个典型的家庭,采用问卷调研健康问题、家庭背景等信息,在四季重复测试住宅日常通风量、渗透换气次数、甲醛、挥发性有机化合物（VOCs）、PM2.5、超细颗粒物、臭氧等。采用Logistic回归模型分析后发现,换气次数与成年人患有粘膜症状显著相关。将换气次数作为一个连续变量分析,发现换气次数与成年人患有粘膜症状有负相关关系,对于步长为0.1 h-1的换气次数,居住者出现粘膜症状的调整优势比为0.95（95%置信区间:0.91-0.98）。通风不足导致甲醛和VOC升高;超细颗粒物的高浓度暴露显著增加成年人皮肤症状和粘膜症状的患病风险,但甲醛、VOC和TVOC与病态建筑综合症症状没有显著关联。第6章结论与展望本文调研了我国住宅建筑通风现状,分析了通风与居民健康的关系,在室内污染物调研的基础上,探讨了通风对健康影响的潜在机理。主要研究结论为:（1）在中国,约有54%的自然通风住户不开窗通风,室外空气进入卧室的唯一途径是通过渗透。经测量,我国住宅卧室的渗透换气次数中位数为0.34 h-1。现实生活中,依靠自然通风（不改变人员行为模式）的住宅不能满足住户的通风需求。在我国北方的春、秋和冬季,住宅需要安装机械通风来满足住户的通风需求。（2）在中国的住宅建筑中,夜间低换气次数与儿童患有鼻炎症状和成年人患有粘膜症状显著相关。卧室夜间的换气次数可能是影响居住者健康的重要通风指标之一。（3）换气次数与尘螨变应原浓度呈负相关关系,且尘螨变应原浓度高与儿童患有鼻炎显著有关,影响尘螨变应原浓度是换气次数影响儿童鼻炎的重要途径。（4）室内臭氧浓度升高可显著增加成年人皮肤症状的潜在患病风险,超细颗粒物的高浓度暴露显著增加成年人皮肤症状和粘膜症状的潜在患病风险。（5）通风不足与甲醛和挥发性有机化合物浓度高显著相关。甲醛、挥发性有机污染物和总挥发性有机污染物与病态建筑综合症症状没有显著关联。本论文的主要创新点在于:（1）本论文提出了基于示踪气体质量平衡的CO2方法。CO2方法要求同时监测卧室及其相邻空间的CO2浓度,并考虑区域之间的气体流动。该方法突破了以往通风测量方法的局限性,能够更准确地评价住宅建筑的实际风量,为测量通风量的多区模型的开发奠定了基础。（2）通过测量大量住宅建筑通风量,系统地建立了中国住宅建筑通风量数据库。该数据库数据覆盖全国5个气候区4个季节,揭示了我国住宅通风现状,在国内住宅建筑通风量测量方面尚属首次。定量揭示了门窗开闭模式对于住宅建筑通风量的影响,为住宅建筑通风策略与室内空气品质的营造研究提供了理论数据。（3）本论文定性和定量地揭示了建筑通风与人员健康的关联性。发现低换气次数与儿童患有鼻炎和成年人有黏膜症状显著相关,卧室夜间的换气次数是影响居住者健康的重要指标。本论文确定出了住宅建筑通风量的健康边缘效应值,为住宅建筑通风策略和通风标准的制定提供了理论基础。本论文主要存在以下不足和局限性:（1）在全国住宅通风的研究中,换气次数长期测量的样本量较少,导致诸如居住者行为模式和建筑特征等影响换气次数的潜在因素的覆盖范围有限。但本论文中计算得到的换气次数和CO2浓度分布与在相同的季节、相同的气候区的以往研究结果相似,因此,本论文所测量计算的换气次数可以有效地描述中国住宅的换气次数。（2）本论文研究的健康问题由住户通过回答问卷进行自我报告,所报告的信息可能会存在偏差。本研究的调查问卷来源于瑞典的建筑潮湿与健康（DBH）研究,该问卷已在许多国家和地区使用且得到验证,已有研究表明,自我报告的症状与体检结果一致。因此,采用问卷形式自我报告的健康问题具有有效性。（3）考虑到人们大部分时间在住宅中度过,本论文重点研究了住宅通风和健康的关系,没有考虑如办公室、学校等其他室内场所。在未来的研究中,计划加强针对以下内容的研究:（1）本论文建立了CO2方法,在测量住宅建筑通风量的问题上已经取得了良好的进展,对住宅建筑通风量测量做出了贡献,然而,通风测试多区模型的精度还有待进一步提高。（2）本研究发现甲醛、挥发性有机物和总挥发性有机物与病态建筑综合症症状没有显著关联性。其原因可能是污染物的测量在密闭工况下进行,且测量时间较短。后续的环境健康相关研究应对污染物进行长期日常工况的测量。（3）本论文分析了住宅通风和室内环境暴露对儿童和成人健康的影响。然而,学校和办公室也是儿童和成人重要的环境暴露场所。后续研究可从暴露时间出发,综合考虑住宅和幼儿园、学校、办公室的室内环境暴露,并考虑室内外环境对健康的耦合作用。