室内空气品质的若干探讨及模糊评判
师奇威 ，贾代勇，杜雁霞
解放军理工大学工程兵工程学院
摘 要：本文概述了室内空气品质问题的起因，分析了室内空气品质的影响因素和改善措施，根据室内空气品质评价的不确定性和连续性，应用模糊数学理论对室内空气品质进行评判，并建立了数学模型进行分析。
关键词：室内空气品质 模糊数学 模糊评判 影响因素 回风 污染源
Some discussion on Indoor Air Quality and fuzzy judgement
Shi Qiwei, Jia Daiyong and Du Yanxia
School of Engineering, PLA University of Science and Technology
Abstract: The paper summarizes the reasons of IAQ becoming urgent , analyses impacting factors and improving methods, according to uncertainty and continuity of IAQ judgement, brings forth fuzzy judgement based on fuzzy mathematics and constitutes mathematics model.
Keywords: IAQ, fuzzy mathematics, fuzzy judgement, impacting factors, return air, source of contamination
0 引言
室内空气品质是现代建筑科学的前沿课题，直接影响着人们的生产、生活及健康状况。它涉及医学卫生、建筑环境工程、建筑设计等众多方面，目的是创造卫生、健康、舒适的室内气候环境。
在修订版AHRAE62-1989中，可接受的室内空气品质：空调空间中绝大多数人没有对室内空气表示不满意，并且空气中没有已知的污染物达到公认的权威机构所确定的有害物浓度指标。感受到的可接受的室内空气品质：空调空间中绝大多数人没有因为气味或刺激性而表示不满。
高品质的室内空气是室内人员健康的保障。伴随着室内空气品质问题的日渐突出，产生一系列的健康，经济，法律方面的问题，室内空气品质问题成为发展商、野猪、物业管理人员与使用者在21世纪日益关注的问题之一。
1 IAQ问题日益引起关注的因由
1.1 经济发展与人们生活的不断改善
目前，我国的经济和人们的生活质量都有了长足的进步，住房和工作条件明显改善，生活、工作和休闲等的大部分时间是在封闭的使用空调人工环境内，很多人都切实感受到了“空调病”的影响。人们教育程度的提高，环保和健康意识的加强，都使更多的人关注室内空品质。
1.2 环境污染的不断恶化
新风系统是保障室内空气品质的关键，长期以来，人们将加大新风量作为当然的改善室内空气品质的方法。但近年来，随着工业的发展，城市建设步伐的加快，人口密度不断增加，汽车的拥有量的不断上升，人们在生产和生活过程中不断向外排放废气，致使室外空气质量逐步恶化。
1.3病态建筑综合症的降临
以往，人们往往比较重视明显的室内污染物，忽视了许多低浓度的挥发性有机化合物VOC（Volatile Organic Compounds）以及空气处理设备中大量水体存在；同时为节能，提高建筑的气密性和热绝缘性，降低室内最小新风量标准等，导致微生物的滋生和繁衍等多种因素对人体的综合作用，以致长期在封闭室内工作的人们，常产生眼头晕、刺激、头痛、胸闷、皮肤干燥、嗜睡、烦躁等症状（“病态建筑综合症”），严重影响人们的身体健康和工作效率。
1.4 药剂和新型材料的广泛采用
民用建筑新风量设计基础是以人作为最主要的污染源，但如今大量的新型建筑材料、装饰材料、新型涂料和粘接剂的大量采用，新型的办公用具不断涌现，高效简便的清洁剂、杀虫剂、除臭剂大量使用，使室内空气中出现许多种挥发性化学污染物。这些污染物浓度很低，即使用最现代化的化学分析方法也难于测定，而人的鼻子却能感觉出来，但长期以来人们对这些大量的低浓度污染漠不关心。
2 影响室内空气品质的若干因素
2.1 室内外污染源
室内的污染源大致有：
（1）人体自身污染，包括身体散发的异味及少数病患者经由空气的交叉传染；
（3） 颗粒污染物与建筑装饰材料、涂料和家用化学品释放的VOC（挥发性有机化合物）；
（2）微生物污染物，包括来自于腐败物和宠物的代谢产物的霉菌、细菌、病毒等；
（4）氡及其衰减子体等放射性物质，主要来源于土壤、砖头材料等；
室外污染源主要包括汽车尾气中所含的氮氧化物，工业和民用锅炉排除的 、CO与可吸入颗粒物等。
2.2 空调设备产生的污染
空调系统设备本身也易成为污染源。如在表冷器降温、减湿过程中，其表面凝水积尘和滴水盘集水极易滋生细菌；过滤器富集灰尘和微生物，如不及时更换，极易成为系统内的大污染源；另外系统中的连接部件（帆布接头、法兰连接等）最易积尘和发霉。
2.3 室外气候变化和大气污染
这是导致室内空气质量变差的主要外因。因为无论是室外大气还是室内空气，都属于大气环境的一部分，彼此之间相互流通，不存在绝对的屏障物，而室外空气随气候而变化。如潮湿、闷热、高温、多雨等；在城市，有害气体、烟尘的排放使大气严重污染。
2.4 挥发性有机物VOC(Volatile Organic Compounds)
室内挥发性有机化合物的污染已延续20多年，主要来源有：
（1）人体自身自然散发的挥发性有机化合物，如异戊二烯，丙酮；
（2）建筑材料，如地毯、油漆、墙板、地砖、新家具等释放的混杂有机化合物；
（3）为节能而采用的绝缘材料也释放挥发性有机化合物。
各种不同的挥发性有机化合物混在一起与臭氧产生化学作用，室内空气中就会出现许多隐形杀手。但到目前为止，还没有找到能准确测量挥发性有机化合物含量的方法，主要因为空气中化学混合物的随时变化，但有一点可以肯定，即有机化合物的浓度越高，“建筑综合症”就越严重，室内空气品质就越恶劣。
2.5 新风的影响
工业生产的发展以及汽车拥有量的增加在一定程度上使室外空气的品质逐步下降。在原室外空气指数基础上设计的旧空调系统已不能适应现在的需要，引入的新风不仅不能起到稀释作用，而且还会加重污染室内空气，从而使室内空气品质下降。另外，热湿处理设备在加湿、减湿过程中，仅仅减少了飘尘数量，而对“分子污染物”无能为力，新风中携带“分子污染物”成为污染源。特别是室外湿度较大，在降温、减湿时，表冷器表面凝水积尘、滴水盘排水不畅，极易污染空气；系统中的部件如帆布软接头、法兰连接处等最易积尘和发霉最易发生微生物污染。
新风系统是保障室内空气品质的关键,长期以来,人们将加大新风量作为当然的改善室内空气品质的方法。人为等不断向外排放的废气使室外空气质量逐渐恶化，城市热岛效应使市区的大气污染加剧，某些空气质量指标已超过室内空气质量的控制指标，这种情况下,引入新风不仅不能起到稀释作用,而且还会恶化室内空气品质。实验表明,几乎所有空气处理部件都是污染源，包括过滤器、盘管、回热器、风机和消声器，其中过滤器影响最大。
2.6 回风的影响
在空调系统中，新风因室外环境有尘埃和被污染的气体。室内本身具有污染源，回风再次进入室内,会产生二次污染，使室内空气污染加剧。
回风对室内空气污染物浓度的影响分析如下：
设新风量为 ( /min),此新风中无任何污染物,进入空调机组的风量为Ｑ( /min),房间里有代表性的有毒有害气体涌出量为 ( /min),在机组初运行( )时,均匀冲淡后具有代表性的有害气体浓度为 (%),也称为初始浓度,则： （1）
如利用回风（循环气流）节能，必须使 < ,则回风量为 －
回风的无限循环使得室内污染气体浓度将增大，设最后达到的最大有害气体浓度为 ，并且 表示第n次循环后的有害气体浓度。
第一次循环后： （2）
第二次循环后： （3）
由数学归纳法知
第n次循环后： ( 4 )
所以： （5）
鉴于空调房间必须供给新风，则 。
（6）
全空气空调系统一般不采用直流式空调，设回风率为m，则有： （7）
空调房间最大有害气体浓度为： （8）
回风越大，最大有害气体浓度就越大，但不会无限制地升高，当回风率一定时，它趋于极限值。初始浓度 越大，回风对室内污染影响越小，反之则越大。
3 IAQ数学模糊评价
IAQ一个比较模糊的概念,目前还无统一的、权威性的定义。室内空气品质的模糊评价就是利用模糊数学方法，综合考虑影响对象总体性能的各个指标，通过引入隶属函数同时考虑各指标在影响对象中的重要程度，经过模糊变换得到每一个被评值的大小即可判定出所衡量的室内空气品质的优劣顺序。该方法考虑到了室内空气品质等级的分级界限的内在模糊性,评价结果可显示出对不同等级的隶属程度，这更符合人们的思维习惯。此方法关键是建立室内空气品质等级评价的模糊数学模型,确定各类健康影响因素对可能出现的评判结果的隶属度。
3.1 模糊评判的数学原理
数学模糊评判就是应用模糊变换原理和最大隶属度原则，考虑与被评判事物相关的各个因素，对其所作的评判，评判的着眼点是所要考虑的各个相关因素。
着眼因素集合：
抉择评语集合：
首先对着眼因素集U中的单因素 作单因素评判，从因素 着眼确定该事物对抉择等级 的隶属度（可能性程度） ，这样就得出第i个因素 的单因素评判集 ，它是抉择评语集V上的模糊子集。这样m个着眼因素的评价集就构造出一个总的评价矩阵R。
（9）
对于多级评判，多因素评判的着眼点可看成着眼因素论域U上的模糊子集A，记作：
或 （10）
其中 为 对A的隶属度。它是单因素 在总评判中的影响程度的度量，在一定程度上也代表单因素 评定等级的能力。A称为U的因素重要程度模糊子集， 称为因素 的重要程度系数。
于是，当模糊向量A和模糊关系矩阵R为已知时作模糊变换来进行综合评判。
（11）
文中的二级评判就是利用此模型。
3.2 IAQ评判的适用模型
选择对健康效应具有代表意义的指标，采用二级模糊评判方法，其过程如下：
3.2.1评价因子集划分
将众多待评价因子分成m类，则因子集U分为 个因素子集： 。设每个因素子集 有 个因子， 。其中 =1,2,...,m， =1,2, ...,n ， 为第 类因素子集中第j个因子。
3.2.2 备择集的建立
备择集为总评判的各种可能结果所组成的集合。设总评判的可能结果有 个，则备择集可表示为：
3.2.3权重集的确定
（1）因素类权重集
根据各类因素的重要程度，赋予每个因素类以相应的权重（在0～1之间取值）。设第 类因素子集 的权重为 ， 其计算公式为： （12）
其中，n为评价污染因子数，包括 、 、 、吸入尘、 甲醛、氡气、菌落数和厨房换气次数等为评价因子； 为第i种污染因子的标准值， 为第 种污染因子的实测值。则因素类权重集为：
（2）因素权重集
在每一类因素子集中，根据各个因素的重要程度，赋予每个因素以相应的权重（在0～1之间取值）。设第 类因素子集中的第 个因素 的权数为 ，则第 类因素的权重集为：
无论是因素类权重集，还是因素权重集，都应满足归一性： （13）
和非负性： ≥0， ≥0。
3.2.4 初级模糊评判
初级模糊评判是按每一类因素子集中的各个因素进行评判。按第 类因素子集中第 个因素 评判，评判对象隶属于备择集中第 （ k=1,2, ...,p）个元素 的隶属度为 ，则 初级模糊评判的单因素评判矩阵为： （14）
3.2.5. 二级模糊评判
考虑各类因素综合影响，在类之间进行二级模糊评判。二级模糊评判的单因素评判矩阵应为初级模糊综合评判矩阵，即
= = = （15）
其中
于是二级模糊评判集为： （16）
其中 = ， 表示进行评判时，评判对象对备择集中 个元素的隶属度。
4 改善IAQ的措施和方法
IAQ涉及到卫生医学、建筑环境工程学和建筑设计等领域，因此，改善室内空气品质的措施与方法也有多种。
4.1 消除和控制室内外污染源
此处的室内污染源是指室内人员、建筑装饰材料及商品。要控制室内人员和商品显然是不可能的，我们能做的是选用无污染、低污染的建筑和装修材料，以便降低ＴＶＯＣ的散发量。
对于室外污染源，以国家治理为主。制定法规对汽车尾气排放进行限制，减少燃煤锅炉的使用，增加天然气的使用等。另外还可以利用一些先进技术对室外污染物进行消除，如日本有一种光催化涂料，可以涂在建筑物表面，利用太阳光分解室外空气中的氮氧化物和SO2。
4.2 发挥新风效应
注重新风数量和质量的有机结合。采用的新的标准进行通风量的计算，将与建筑相关的污染源和人员相关的污染源区分开来，建立相应的消除污染的两部分通风量。引入低污染的新风，同时减少或者消除新风处理、传递和扩散过程中的污染。还要注意以下几点：
（1）合理选择新风取风口的位置；
（2）加强新风过滤处理，改变通常只作粗效过滤的观念；
（3）提倡新风直接入室，缩短新风年龄，减少途径污染。
4.3 置换通风
相对空调房间的混合通风方式而言，置换通风是以浮力控制为动力，以工作区舒适性为目标的。从地板或墙底部送风口送出的新鲜空气首先通过人体，余热及污染物在浮力及气流组织的驱动力作用下向上运动，送风速度低、不产生吹风感，舒适性很高，空气品质良好。在一定条件下，我们应考虑通过置换通风来提高室内空气质量。
4.4 遵循生态环境的设计原理
建筑设计要考虑建筑总平面规划、城市微气候的改善、建筑材料满足室内空气质量标准，尽可能利用自然能源或采用最少的能源来达到人们生活、工作所需的舒适环境，这也是解决建筑室内空气质量的根本措施。当今世界建筑中有较多建筑就是利用当地的自然生态环境，运用生态学、建筑技术科学的基本原理、现代科学技术手段等使建筑与环境之间形成的良好室内外气候条件和较强的生物气候调节能力，使人、建筑和自然环境形成一个良性循环的生态环境系统，从而保证了建筑具有良好的室内空气质量。
4.5 选择合适的换气次数
在国外，增加换气次数有利于提高室内IAQ，但加大新风量会使系统的能耗增加，因此选择换气次数时要在二者之间取一个平衡值。丹麦的P.O.Fanger所作研究表明，在商用建筑中由于增加换气次数提高IAQ导致的生产率上升带来的经济效益为5%，而由此消耗的能源所付出的经济代价为-0.5%，因此总体来说增加换气次数还是有利于提高经济效益的，但这种选择是省钱不省能，以可持续性发展的标准来衡量不太合适。
在国内，由于城市的室外空气质量恶劣，可以考虑在较高的位置采集质量较好的新风。对于换气次数的选择，目前还没有相关的研究成果进行指导。通常取暖通空调规范所定义的值，但这不考虑各地的地方差异，千篇一律，难免产生较大的偏差。应具体考虑建筑所处位置周围空气质量的好坏，而选择合适的换气次数，以保证IAQ与能耗的平衡。
6 结束语
(1) 鉴于各国的国情，室内空气品质的标准也不同，应从我国的实际出发制定相应的合理的标准。
(2) 一个健康舒适的空间对空调的要求不仅仅是满足一定的温湿度，而应是对温湿度和室内空气品质的全面控制。
(3) 要切实保证新风的质量，及新风质量和数量对IAQ的效应。
(4) 评价室内空气品质不能仅仅着眼于污染物的浓度，还应考虑各因素的综合作用。
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