ABSTRACT

This research targets a rural family in Yingkou City, Liaoning Province, utilizing MCH-383SD carbon dioxide concentration/temperature, humidity monitor to constantly monitor its Indoor Air Quality (IAQ) in summer, evaluates the influence of using stove on human comfort using evaluation of sub-indices of CO₂, and studies the impact of rural cooking range on air quality and discusses the approaches to improve the air quality. The result indicates that the utility of rural cooking range decreases indoor air quality and the impact on it varies from house to house; meanwhile, a good linear dependence between the concentration of the trace gas—carbon dioxide and the ventilation rate appears by a linear fitting between them. The final goal is to render measures to improve IAQ based on the research.

Keywords:Rural Cooking Range, Carbon Dioxide, Indoor Air Condition, Ventilation Rate, Evaluation of Sub-Indices of CO₂

农村炉灶对室内空气品质的影响研究

王  哲，吕  阳^*，李奇峰，苏  州

大连理工大学土木工程学院，大连

Email: 975427034@qq.com, ^*lvyang@dlut.edu.cn

收稿日期：2014年3月26日；修回日期：2014年4月24日；录用日期：2014年5月5日

摘  要

本研究以辽宁省营口市一户农村家庭为研究对象，利用MCH-383SD CO₂浓度/温、湿度记忆仪对其夏季室内外空气品质进行连续监测，以二氧化碳评价分指数对炉灶使用前后对人舒适感的影响进行评价，研究农村炉灶对室内空气品质的影响并探讨其改善方法。研究结果表明：农村炉灶的使用降低了室内空_气品质，且不同房间受到的影响各异；通过对示踪气体CO2浓度与换气次数的线性拟合，得出其具有良好的线性相关性，基于本研究提出改善农村住宅室内空气品质的措施。

关键词

农村炉灶，二氧化碳，室内空气品质，换气次数，评价指数

1. 引言

随着社会的发展，人们对环境质量要求越来越高，相应的生活习惯也在不断发生着改变。我国是农业大国，农村人口占全国总人口的60%以上，农村室内空气品质不容忽视。国内外大量研究表明，室内空气污染程度往往比室外高，而人一生中有2/3的时间要在室内度过，室内环境对人体健康显得更为重要。这种情况在农村地区表现尤为突出，我国多数村民仍然使用传统炉灶，生活用能仍以秸秆、薪柴、煤炭为主，燃料燃烧产物主要成分为COx、NOx、SOx与烟尘，均会对环境造成污染。室内固体燃料燃烧与诸多疾病的发生有直接关系[1] 。农村住宅有自身显著的特点，如农村厨房排烟措施以烟囱为主，驱动力为风压与热压，排烟效果不好；卫生间设在庭院，无专门的排风措施等。国外学者对室内空气品质进行了大量的现场测试和调查，Jan F W[2] 、Sung-ok Beak[3] 、Jyoti Parikh[4] 、S.B. Molloy[5] 等人分别研究了通风情况、室外环境、厨房位置、燃料种类以及建筑年限对厨房室内空气品质的影响。我国农村室内空气污染的研究主要集中在燃料燃烧造成的室内污染，并在炉灶结构、燃料种类[6] 以及是否为采暖季[7] 等方面提出相关建议与意见。综上，国内外学者对农村室内空气品质的研究还集中在厨房等污染源较多的地方，然而对于人员经常活动的卧室研究较少，而且几乎没有涉及到农村住宅的建筑结构和建筑形式对室内空气品质的影响。事实上，对于使用炉灶时，燃料的类型、室外大气质量、住房结构和通风状态等都会影响室内空气品质。

本研究以辽宁省营口市的一户农村家庭为研究对象，对其夏季室内外空气品质进行现场测量和分析研究，以CO₂为示踪气体，旨在探讨农村炉灶对厨房、卧室等不同房间以及不同通风状态的室内空气品质的影响并探索改善IAQ的可行方法。

2. 仪器与方法

2.1. 测量对象

测量对象为辽宁省营口市的一户农村家庭，该建筑平面图见图1。

2.2. 测量仪器与方法

本研究检测室内外温度、相对湿度、CO₂浓度，使用仪器见图2。该仪器为MCH-383SD CO₂浓度、温度和相对湿度自动记忆仪，单位分别为ppm、℃、%，每两分钟记录一次，能够自动存档。

本研究利用MCH-383SD仪器对各测点在做饭期间以及其后一段时间的温度、相对湿度和CO₂浓度进行连续检测，根据检测结果分析室内CO₂浓度的变化规律。本研究检测项目参照《室内空气质量标准》(GB/T 18883-2002)中的浓度值进行比较，如表1所示。

2.3. 室内空气品质评价指标与计算方法

1) 二氧化碳评价分指数

韦伯和费希纳用心理物理实验证明并推导出：对于中等强度刺激，人体产生的反应量R的大小与客

图1. 被测农村住宅平面图

图2. MCH-383SD CO₂浓度/温、湿度记忆仪

观刺激量S的对数成正比，也就是存在如下韦伯–费希纳定律：

(1)

式中：S——客观刺激量；R——人体产生的反应量；k——常数系数。

因此可以基于韦伯/费希纳定律，对污染物浓度值进行对数化处理，得到能表达人群对空气环境感觉，与丹麦P.O. Fanger教授提出了表征人体热反应(冷热感)的评价指标PMV类似的室内空气品质评价分指数模型。依韦伯–费希纳定律，假设二氧化碳浓度为C ppm，定义二氧化碳评价分指数模型如下：

(2)

表2给出了中低浓度下，CO₂浓度对人舒适感的影响，为分析与人舒适感的关系，表中同时列出了浓度值对应的值。

2) 换气次数

假设在容积为V的房间内空气均匀混合，设污染物散发量速率为m，在通风前室内污染物浓度为C₁，经过时间之后，室内污染物浓度变为C₂，室外新风中污染物浓度为C_s，新风风量是Q，则根据质量守恒可得室内污染物浓度C的变化：

(3)

初始条件为： = 0，C = C₁；解上述方程为：

(4)

对上式变形可以得到：

(5)

当时，上式可近似为：

(6)

可得新风量：

(7)

由(4)式可知，室内污染物浓度按照指数规律增加或者减少，其增减率取决于，该值的大小反映了房间通风变化规律，我们将其定义为换气次数：

(8)

本研究中示踪气体CO₂起始浓度点选择为室内炉具停止使用时的CO₂浓度值，室内无人员活动且忽略室内其他设备对CO₂的释放和吸收时，对于式(7)，m = 0，则结合式(8)得换气次数：

(9)

式中：——房间污染物初始浓度，ppm；——房间污染物终始浓度，ppm；——室外污染物浓度，ppm；——经过时间，h。

2.4. 测量概要

按照科学性、代表性、针对性原则，笔者于2013年8月8日~2013年8月10日对该住宅进行连续三天的测量，由于该农户每天晚上做饭时间大概为17:00，所以将测量时间定为16:00~0:00；根据调查，该农户做饭时长为40~50分钟。测点分布在厨房、卧室和室外三处。

为了便于对比分析两种通风条件(开门开窗和)的影响，笔者选取天气状况相同的两天，同时控制两户的做饭时间均为40分钟左右，且燃料种类均为玉米秸秆，并使燃料质量相同，仅仅改变的两次测量的通风条件。一次为开门关窗，而另一次为开门开窗，同时分别将两台仪器放置在厨房的相同位置。

3. 结果及分析

3.1. 卧室内二氧化碳含量变化规律

图3为2013年8月8日卧室内CO₂浓度、温度变化情况，由图可知，随着时间的推移，卧室内的CO₂浓度从做饭的时候开始升高，一直到21:00左右达到较高水平，而且维持较高浓度一段时间，直到23:00左右开始有下降的趋势；整个测量时间段内，卧室内CO₂浓度一直在400~700 ppm，处于标准值(1000

图3. 8月8日卧室CO₂浓度、温度变化情况

ppm)之下，则处于0~1之间，对人体几乎没有影响；对于温度变化，整体呈下降趋势，其中在18:00左右急剧下降。

究其原因，做饭的时候由于玉米秸秆的燃烧，释放的CO₂含量很高，有关研究表明，每1 kg玉米秸秆完全燃烧能产生1.25 kg CO₂[8] 。因此，玉米秸秆燃烧对卧室的CO₂有很大的影响，卧室内CO₂浓度呈现上升趋势，达到做饭前的1.5倍；21:00之后能维持一段时间的高浓度状态，可能是由于晚间睡觉时门窗关闭使室内自然通风减弱，同时晚间卧室内人睡眠也会释放CO₂。通常晚间温度较白天温度低，温度呈现下降趋势。

3.2. 同一时刻不同测点CO₂浓度比较

图4反映的是同一天测量时间段内各处测点(卧室、厨房和室外)CO₂浓度的变化曲线。由图4可知，同一时刻，不同测点的CO₂浓度变化趋势也不相同，厨房内的CO₂浓度最高，甚至很长一段时间内超过标准值(1000 ppm)，根据式(2)可知期间的值维持在2~3之间，如果长期处于该环境中，会使人员感觉不舒服，引起呼吸困难、呼吸频率加快，人员对室内环境感觉不满意；其次为卧室内的CO₂浓度，室外的CO₂浓度最低。随着时间的推移，厨房和卧室内的CO₂浓度都呈现出先上升后下降的变化趋势，但是卧室内的CO₂浓度上升相对较慢，而且有一定的滞后性；室外的CO₂浓度几乎不受燃料燃烧产物的影响，一直维持在较低状态。

分析该现象出现的原因可能有以下几点：1) 炉灶设在厨房内，使厨房内CO₂初始浓度较高；2) 燃烧产物中的CO₂直接释放到厨房内，使厨房内CO₂浓度上升较快且相比于卧室更迅速一些；卧室离污染源较远一些，经过空气的稀释，受到的影响较小；由于室外空气的稀释，室外受到的影响更不明显。

3.3. 不同通风条件下厨房CO₂浓度比较

图5反映的是在不同通风条件下厨房内CO₂浓度的变化情况。由图5可知，在开门开窗情况下厨房内CO₂浓度超标时间和CO₂浓度值较开门关窗相对较小。分析原因主要是开门开窗有利于空气流动，使厨房内通风量增加，有效减弱了燃料燃烧产物对厨房IAQ的影响。

以CO₂的平均浓度计算，开门开窗时的= 2.09，会有较多人感到不舒服；但关门开窗时的= 2.88，人员会感觉呼吸困难和呼吸频率加快，此时的空气质量明显较差，因此二者给人的舒适

图4. 8月8日三处测点CO₂浓度变化情况

图5. 不同通风条件下厨房内CO₂浓度变化情况

感有很大差别。

3.4. 换气次数与室内CO₂浓度的相关性

根据式(9)计算各次测量的CO₂平均浓度和换气次数，结果如表3所示。对于住宅的换气次数，各国的规范和设计手册中有不同的规定。根据日本的实践经验，住宅必须具有0.5次/h的换气次数；美国最新规定，住宅的换气次数为0.35次/h；我国尚未有对应数值。由表3可知，本研究各房间换气次数均能达到要求，这与我国农村住宅夏季通风方式有关。

根据表3数据可以得到空气交换次数与CO₂平均浓度的相关性，如图6所示。图6给出了通过线性回归得到的拟合关系，相关系数= 0.9065，说明二者之间具有较好的线性关系，增大换气次数可以有效减小示踪气体CO₂的浓度。

4. 结论和建议

4.1. 结论

本研究以辽宁省营口市的一户农村家庭为研究对象，对厨房、卧室和室外的CO₂浓度进行实测，分析农村炉灶对IAQ的影响并探讨可行的改善措施，得到如下结论：

1) 炉灶燃料的燃烧产物对IAQ有较大影响，厨房受影响最为严重，三次测量中，测量时间段内CO₂的平均浓度可达到1177.55 ppm，超过了我国《室内空气质量标准》；其次为卧室，三次测量的平均浓度为581.22 ppm，虽不至于超标，但炉灶的使用会使卧室内CO₂浓度升高；住宅内CO₂浓度的升高降低了室内空气品质，使人的舒适感降低。

2) 远离炉灶可以有效减弱燃烧产物对IAQ的影响。测量结果表明，离炉灶较远的卧室平均浓度比厨房的平均浓度小得多，主要是因为大气的稀释以及卧室内通风状态较好。

3) 通风条件不同，CO₂的浓度也不同，通风状况越好，CO₂浓度越低；但即使是最好的通风条件(开门开窗)，炉灶使用后，厨房内的CO₂浓度为1035 ppm，仍会超过标准值，说明自然通风的效果有限。

4) 室内污染物浓度与换气次数有较好的线性相关性，二者之间呈线性负相关关系，增大换气次数可以有效减小室内污染物浓度。

图6. MCH-383SD CO₂浓度/温、湿度记忆仪

4.2. 建议

基于上述研究，为了减弱或者消除炉灶对室内空气品质的影响，提出如下几点建议：

1) 使用炉灶时开门开窗，增强自然通风，是减小室内污染物浓度最简单有效的办法之一；

2) 由于自然通风的效果有限，因此有条件可以使用抽油烟机等机械通风设备；

3) 使炉灶尽量远离卧室，可以有效减小卧室内污染物浓度。例如农村房屋建造时，设置天井等。

基金项目

本研究受国家“十二五”科技支撑计划课题(2012BAJ 02B05)、大连理工大学大学生创新创业训练计划项目(201310141726)的经费资助，笔者在此表示感谢。

参考文献 (References)

NOTES

^*通讯作者。