从绿色到健康 ——对健康建筑评价中性能指标的思考

序言        

      随着国家政策与市场效益的驱动，绿色建筑的观念逐步深入人心，被越来越多的业主、设计者和使用者所熟知。追根溯源，中国的绿色建筑发展史其实是从节能开始的。2005年，当时的建设部先后发布了《公共建筑节能设计标准》、《住宅设计规范》等作为国家标准实施，从此便逐步开启了中国绿色建筑的发展历程。其推出的主要目的就是顺应时代需求，推进可持续发展。尽管相关标准版本一再更替，规范要求也越来越高，但是其“节能减排”的目标却是始终如一的，这点在我国第一版《绿色建筑评价标准》推出之时就提出的“四节一环保”的概念中显而易见。在《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）正式发布实施之际，编委就阐述了新版标准的主要修订内容包括“拓展绿色建筑内涵”。其中，“健康建筑”概念的拓展融入就是一大亮点。        

      目前国际上早已经成体系并获得良好市场反馈的健康建筑标准是由USGBC（美国绿色建筑委员会）和IWBI（国际WELL建筑研究院）共同发布的WEEL标准。尽管国内还没有国标规范，但是相关的学会标准已经正式发布，行业标准也处于征求意见稿的过程当中。        

      20世纪七十年代，欧美出现能源危机，使许多人认识到过度依赖单一能源的风险和不明智。由此推动了对太阳能和电机的研究和关注。与此同时，建筑行业也从建筑角度入手采取技术措施，包括应用各种措施封闭房屋门窗以及使用绝缘材料(如石棉)等提高供暖和供冷的热效率，其主要目的都是在于节约能源，这也就是绿色建筑的最初起源。随着后来的逐渐发展，绿色建筑的概念逐渐拓展，在节能的目的之上，引入风、光、声、热等方面的其他因素，目的是降低建筑物对环境的影响。        

      相对而言，健康建筑的源头则要更晚一些。世界卫生组织曾在 20 世纪 90 年代提出了健康建筑的概念以及健康住宅的 15 项标准，健康建筑除了无有害的建筑材料外，还应在全寿命周期内促进居住者的健康舒适与工作效率。“健康住宅”就是指“能使居住者在身体上、精神上、社会上完全处于良好状态的住宅。”        

      由此可见，二者的最大差别在于出发点和关注点的明确不同。绿色建筑关注于建筑“节约能源，环境友好”的能力，而健康建筑则关注建筑“以人为本”的表现。        

      结合国内外的健康建筑评价标准，其所涉评价指标大抵相同，包括空气质量、水质、热舒适性、运动健身、人文关怀、社区服务与设施等方面。在本篇文章里，我们主要将这其中与性能模拟相关的条款提取出来并加以思考讨论。

     通常，我们在讨论绿色建筑性能模拟的时候会从风、光、声、热四个部分入手。对比绿色建筑与健康建筑评价标准后，我认为在健康建筑所涉及的性能模拟指标依然可归纳到上述这四个方向来。        

      在讨论健康建筑在风环境层面的表现时，我们需要关注以下几点——室内空气质量、自然通风以及机械通风。        

      室内空气质量主要关注建筑内部空气中的甲醛、TVOC、苯系物等典型污染物，PM2.5/PM10等可吸入颗粒物，地下停车场的CO，建筑室内的CO2等浓度指标。如果在运行阶段，即可实时监测，得出结果。若在设计阶段，上述几种的来源各有不同，须分别进行模拟分析。        

      例如，在预先评价甲醛、TVOC、苯系物等典型污染物浓度时，需根据设计录入装饰材料的种类及使用量，如家具、墙纸、木器漆和涂料等，以对其产品的挥发性和挥发量进行预估和评价。除了前文所述量化预测其浓度的方式，还可以直接通过限制使用特定具有环境声明认证（EPD）的产品，以确保其在生产和使用过程中的有害气体挥发量是对人体无害或符合相关标准的。        

      对于室内的PM2.5/PM10等可吸入颗粒物浓度模拟，主要是以全国各城市室外全年逐时PM2.5和PM10浓度为计算基础，结合室内装修和使用过程中的可吸入颗粒物产生源等因素，综合考虑门窗气密性和通风换气净化的改善措施，以获得最终的室内可吸入颗粒物浓度指标，判断其是否符合标准要求。        

      营造良好的自然通风在传统和现代的建筑技术中一直具有重要的意义，它不仅能够提升室内空气的新鲜程度，同时也起到除湿除热的效用，有助于改善和调节空间内部的微气候，提升人体的热湿舒适性。        

      “穿堂风”是自然通风中效果最好的方式，就是要让风从建筑迎风面的门窗洞口直接吹入室内，穿过房间，从背风面的门窗洞口流出。当然，过堂风只是一种单一平面的气流组织，我们也可以在竖向上采取措施，创造自然通风。比如在建筑内部设置中庭，利用热压形成自然通风，带动竖向的空气流通。除此以外，还可以设置“风塔”，直接捕捉主导风向的来风，配合热压吸入到室内，促进室内的自然通风。

      在进行室内自然通风模拟的时候，通常采用基于CFD的模拟技术进行分析，需要先对其建筑整体进行室外风场的模拟，以获取其建筑表面及外门窗上的风压值（也可以获取入口处的风速值），从而获取建筑内部空气流动计算的边界条件。        

      经过计算之后，一般会通过房间换气次数、风速云图、风速矢量图、空气龄云图等结果进行判断。通过风速云图和矢量图，我们可以明显判断出各点风速大小，以及气流组织；通过换气次数指标，我们可以对某个房间的整体自然通风效果进行评估，但是没有办法评价具体某个位置的开启新鲜程度；通过空气龄云图，我们可以对房间内部的空气新鲜程度进行分布式评价。        

      利用自然气候和自然条件改善建筑性能属于被动技术，而引入机械装置改善建筑性能则属于主动技术。例如，通常会在建筑中设置机械通风系统来改善空间内部的气流组织。

      相对于上述的自然通风，机械通风的可控性更强一些。无论是从节能还是从舒适性的角度讲，除了特殊功能空间意外，通常还是优先采用自然通风，但在无自然通风条件或自然通风不能满足卫生要求的情况下，建筑的设计还是应设置机械通风或自然通风与机械通风结合的复合通风系统。如有需要，还可以直接结合供冷供热系统，共同进行建筑室内的温湿度调节。当然，这种有组织的通风调节，也为增加过滤网，改善室内空气质量提供了便利。尽管如此，机械通风的噪声对人带来的负面影响也是不可忽略的。        

      机械通风的模拟主要考虑风口的尺寸、位置、风速风压和风的温度设置等因素对人体舒适性的影响。与自然通风一样，也可以通过CFD进行模拟分析。需要注意的是，在进行机械通风模拟的时候，需要考虑将外门窗的开启状态调整为“否”，才能更加真实准确的展示机械通风的效果。
       

      在光环境的范畴里，我们主要关心室内空间天然采光和人工照明，同时也应该对室外的光污染有所关注。        

      在建筑中，采用天然光照明是满足人的生理和心理需要，可以提高人们学习和工作的效率，符合以人为本的人性需求，有助于营建舒适而令人愉悦的生活和学习环境。        

      为了更加真实地反映天然光利用的效果，采用基于天然光气候数据的建筑采光全年动态分析的方法对其进行评价。建筑进行采光设计时，可通过软件对建筑的动态采光效果进行计算分析，根据计算结果合理进行采光系统设计。这一点和2019年新发布的《绿色建筑评价标准》所采用的的方法一致，即“动态采光”。与原2014版绿标最大差别就在于将评价的范围从原有的“空间维度”变成了“空间维度+时间维度”。但是这将大大提升模拟过程中的计算量，对计算机的配置要求也提升了很多。

      如果设计中不可避免的出现大进深或者地下空间，就需要通过合理的建筑设计(如半地下室、天窗等方式)改善天然采光条件。其次，也可以采用布置导光管、反射面板等技术措施提升天然光采光效果。        

      对于一般地上的功能性房间，采光主要和窗尺寸及朝向有关。对于内部门窗，也可以通过设置中庭的方式提升采光效果。与此同时，在布置门窗洞口时需要注意，在保证天然光采光达到标准效果的同时，也要避免过度的阳光进入室内，一方面会造成强烈的明暗对比，影响室内人员的视觉舒适度，另一方面还会在很大程度上增加室内空调能耗。        

      尽管上述的天然采光相关的评价指标对我们的设计提出了较多的需求，但是对于大多数的写字楼等公共建筑而言，无论天然采光效果有多好，始终避免不了的是工作时间保持常开状态的灯具。这样的管理运营方式是不负责的，从根本上就使天然采光设计失去了意义。        

      因此，人工照明的最佳应用方式应该是与天然采光互补，然后根据恒照度原则自动调节，以实现空间区域采光照明的最佳效果。

      另外，光环境不仅有视觉方面的功效，还会对人体的生理节律、心理健康等非视觉效应产生作用。光的非视觉效应会影响人体激素、血压和体温变化等生理过程，是维持人体生物钟与外界24小时节律同步的重要因素，因此合理利用和调节采光照明的非视觉效应对人体健康是有重要意义的。这种光的非视觉效应在《健康建筑评价标准》里的体现是“生理等效照度”（根据辐照度对于人的非视觉系统的作用而导出的光度量。）这一评价指标。对于居住建筑，为保证良好的休息环境，夜间应在满足视觉照度的同时合理降低生理等效照度；对于公共建筑，为保证舒适高效的工作环境，应适当提高主要视线方向的生理等效照度。        

      建筑物光污染包括建筑反射光（眩光）、夜间的室外夜景照明以及广告照明等造成的光污染。光污染产生的眩光会让人感到不舒服，还会使人降低对灯光信号等重要信息的辨识力，甚至带来道路安全隐患。        

      光污染控制对策包括降低建筑物表面（玻璃和其他材料、涂料）的可见光反射比，合理选配照明器具，采取措施防止溢光。        

      在建筑声环境的部分主要考虑室内外的噪声级大小，而室内的噪声级又直接和建筑构造的隔声性能有关。

      室外的环境噪声对人体的健康有明显的影响。根据标准要求，对环境噪声进行评价时不考虑建筑所处的声环境功能分区。主要是考虑人在室外活动时，并不会因为声环境功能分区的不同，而对环境噪声的需求不同；另外也可避免出现同一类型的建筑，仅因为所处声环境功能分区不同，导致得分不同这样的结果。        

      因此，很大程度上，降低环境噪声最根本的方法就是合理选址。对于室外场地存在桥梁、轨道、高速公路、工厂等噪声源的情况，可通过设置成排成林的高大乔木、隔声装置等方式进行降噪处理。另外，也可以通过调整建筑布局来影响噪声的传递和反射。根据噪声的传递原理，遮挡装置与噪声源的距离越小的时候，其降噪效果就会越明显。        

      室内部分的噪声一般针对于主要功能房间，或者特殊的噪声敏感房间。室内噪声级的组成主要考虑三个部分——室外环境噪声经过外围护结构传到室内的噪声、建筑内相邻房间设备经过内围护结构传到室内的噪声、室内噪声源产生的噪声。其主要影响因素包括建筑周围环境噪声、室内声源以及建筑物本身的隔声设计。        

      围护结构起到隔声作用的原理有两种——隔声和吸声。隔声和吸声的本质是不同的。        

      隔声是隔离噪声的传播。声音通过空气和物体的振动传递，构件的振幅大小就决定于构件的单位面积质量（即面密度）、入射声波的声压和频率。在声波固定的条件下，构件越重，频率越高，透射波的振幅就越小，构件的隔声效果也越好。阐明这一关系的即为质量定律，即材料愈沉重密实，隔声性能愈好。这一定律仅适用于单层均匀密实材料的隔声性能分析，如钢板、混凝土墙及砖墙等。        

      吸声则是尽可能多地吸收入射声波，让声波透入材料内部而把声能消耗掉。这一原理我们在初中就学习过了，比如刚下过雪的城市显得更加静谧，是因为积雪疏松多孔，具有一定的吸声性能。因而，一般工程应用的吸声材料多为疏松多孔的，如岩棉、矿棉和泡沫塑料等。

      除了在隔声性能上做出提升，也可以从内部空间设计上做出改进，比如合理布置流线，采取动静分离的方式，将噪声敏感房间放在内部等。        

      热环境的问题实际上不只是温度，而是温度、湿度相互影响下的热湿舒适性。我们可以从室外和室内两部分来讨论。        

      在近地面温度图上，我们可以看得出来，城市的气温明显高于周边郊区的温度，就像海面上一块凸起的岛屿，因此这种现象就被形象的称作“城市热岛效应”。其主要的影响因素包括城市的人口密度、建筑密度、道路交通以及绿化面积、降水量等。        

      尽管我们不能直接完全地去修改一个城市的规划来缓解热岛效应，但是我们可以从小处开始进行控制。目前，我们在新版绿色建筑评价标准中就可以看到相关的控制性条文了。其主要目的是通过对城市内局部区域的热环境进行控制，从而通过累积效应最终实现缓解城市热岛效应的目的。

      通常可采取的措施包括优化建筑布局和体块形式，增加底层架空与建筑间距，实现“引风入巷”的效果，便于在炎热的夏季通过空气流动带走该区域内部的热；还可以通过增加绿化面积，采取乔、灌、草合理搭配的“复合式绿化”，即以乔木为主，灌木填补林下空间，地面栽花种草的种植的模式，在垂直面上形成乔、灌、草空间互补和重叠的效果；除此以外，还可以配合调整铺地材料、增加屋顶绿化、增加水面区域、调整优化设计方案，在主导风向上形成有利的“迎风面积比”等方式共同提升室外的热舒适性。        

      室内热湿环境（也称室内气候）由室内空气温度、湿度、风速和室内热辐射四要素综合组成。影响室内热湿环境的因素包括室内外热湿作用、建筑围护结构热工性能以及暖通空调设备措施等等。在室内的自然通风和机械通风部分，我们已经对其中的几个因素做了充分的讨论，这里我们主要关注建筑围护结构热工性能所带来的的影响。        

      为了保持室内热湿环境的舒适性，我们需要对围护结构的保温、隔热、防潮防水的性能提出要求。保温性能体现寒冷地区的冬季工况下，围护结构应具有保持室内热量，减少热损失的能力；隔热性能则体现在夏季工况下，围护结构应具有抵抗室外热作用的能力，在室外高温和太阳辐射热的情况下保持适应生活需要的温度。很大程度上，围护结构热工性能都需要在施工图设计阶段阶段进行考量，相关要求都已经被纳入在《民用建筑热工设计规范》及建筑节能设计标准里。        

·结语        

      文章主要从人的健康和舒适性感知层面对健康建筑中的性能模拟指标进行了梳理与浅显的思考，并根据笔者的项目经验和浅薄的学识为大家提供了一些微不足道的设计建议，希望能够对大家在理解健康建筑和设计过程中有所帮助，做好从“节约能源，环境友好”到“以人为本”设计方向转变。