基于热环境测试的可移动公共卫生间通风优化方法研究

何亚玲 刘高艺 门靖舒 白杨 李瑞鑫

摘 要：本文基于实地监测法对现有可移动公共卫生间夏季室内热湿环境（包括温度、相对湿度、风速，这里主要针对温度）变化规律进行深入分析，找出影响其内部环境品质的主要因素，并基于相关结果，提出可移动公共卫生间通风优化方法，以期提升移动公共卫生间的使用舒适度。

关键词：可移动公共卫生间;热湿环境;太阳能;烟囱效应;通风

中图分类号：TU834 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2019）05-0116-03

Abstract： Based on the on-site monitoring method， this paper made a thorough analysis of the changing law of indoor thermal and humid environment （including temperature， relative humidity and wind speed） in mobile public toilets in summer， found out the main factors affecting their internal environmental quality， and based on the relevant results， put forward the optimization method of ventilation in mobile public toilet， in order to improve the comfort of mobile public toilets.

Keywords：mobile toilets;thermal and humidity of environment;solar energy;stack effect;aeration

作为中原城市群的中心城市——郑州，具有人流量大、人员密集程度高的特点。由此，可移动公共卫生间的使用较为广泛。然而，可移动公共卫生间在使用过程中，由于给排水工程、电力输配等设施的使用限制，无法保证污染物及时排出，也无法保证机械通风系统的有效运行。这使得公共卫生间内部出现“脏、乱、差”的现象。鉴于此，本文以郑州市一所具有代表性的单体组合式可移动公共卫生间为研究对象，监测公共卫生间内部各项温度，对其变化规律進行深入分析，找出影响公共卫生间内部环境品质的主要因素。同时，基于分析结果，利用可再生能源强化耦合通风优化，改善内部热湿环境。

1 研究对象

本研究在采集大量可移动公共卫生间样本后，最终确立以位于郑州市高新技术开发区莲花街一所单体组合式可移动公共卫生间为研究对象。公共卫生间尺寸数据如表1所示。该可移动公共卫生间包括5间无性别洗手间（附有1个大便池）、1间男洗手间（附有3个小便池）。各个洗手间又设有洗手盆、面镜、厕位挂钩等附属设施。通风构造包括：条形百叶送、排风口（上送风）、机械排风扇（未通电运转，其中一间卫生间未安装排风扇，只留有排风扇安装洞口）。

2 实地监测

用科学的仪器和设备对测试对象室内外空气温度、室内屋面温度、壁面温度、地板温度进行测量，并记录相关数据。鉴于公共卫生间的通风状况、环境问题在夏季尤为明显，因此，取2018年8月21日至2018年8月24日为监测周期。考虑到夏季公共卫生间内部热环境受外部太阳辐射、污染物浓度随时间变化的周期性以及公共卫生间一天的使用率，取一日09：30至17：50为测试时段。相关学者在做热环境测试时，为获取较为真实可靠的测试数据，常采用户外物理性的量测仪器。本研究采用视觉温度计（FLUKE VT02 VISUAL IR THERMOMETER）、温度湿度表（FLUKE 971 TEMPERATUER HUMIDITY METER）和5m长卷尺等专业仪器进行测量。

3 测试数据及结果分析

3.1 室内外空气温度对比

室内外空气温度对比结果见图1。

从图1可知，室内外空气温度逐时变化趋势大致相同，室内相对室外稍有延迟;温度峰值均出现在正午12：00左右;室外空气温度最高值为35.0℃，室内为35.5℃，室内空气温度普遍高于室外。这说明，室外因风力作用，冷热空气产生对流，温度相对低些。11：30室内空气温度突然升高，且在11：30—14：30，室内空气温度与室外空气温度持续维持在34℃以上。在该时段，能明显感受到公共卫生间内部空气闷热、污染物（H2S、NH3）浓度升高，异味强烈。其中，12：00—13：00，室外空气温度出现一次波谷，但室内空气温度持续下降，室内空气温度来不及随着室外空气温度的变化而变化，产生延迟。这说明围护结构材料的蓄热能力差。15：00以后，太阳辐射减弱，风力作用增强，室内环境品质明显改善。可见，室外风力对室内通风具有积极作用。

3.2 围护结构温度与室内空气温度对比

从图2可知，室内屋面温度、壁面温度、地板温度和空气温度逐时变化趋势基本一致。在整个测量时段，垂直方向的温度呈现分层现象。由于热量传递的迟滞性，在垂直方向上，温度由上而下延迟时间逐渐延缓。此外，室内空气温度接近地板温度。11：30—14：30，太阳辐射较为强烈，分层现象却无初期显著。这表明通风效果不佳，未及时补充室外新鲜的冷空气，导致室温持续在34.0℃以上。其中，屋面接受太阳辐射概率最大，温度最高。09：30—15：10，屋面温度稳定地维持在39.0℃以上。16：50之后，屋面温度和壁面温度基本重合。

4 可移动公共卫生间通风优化方法

4.1 自然通风

通风是指用自然或机械的方法向某一房间或空间送入室外空气，从某一房间或空间排出空气的过程，送入的空气可以是处理的，也可以是不经处理的[1]。通风主要包括自然通风和机械通风。笔者经调研发现，现有的可移动公共卫生间多采用机械通风（安装排风扇）。然而，移动式公共卫生间最显著的特点便是移动性强，在使用过程中，无法充分保证稳定的电力资源供给以维持机械通风系统的正常运行。此外，从相关规范可知[2]，公共厕所的通风设计应优先考虑自然通风，当自然通风不能满足要求时，应增设机械通风。自然通风主要依靠热压和风压的作用实现。热压作用下的自然通风由室内外温度差引起，又称“烟囱效应”;风压作用下的自然通风是指在建筑的迎风面（正压侧）进风，背风面（负压侧）排风。但是，风能的供应具有随机性，难以保证通风系统稳定运行，通过传统的开门设窗的方式在可移动公共卫生间这样狭小的单体空间中实现自然通风存在较大局限。鉴于此，本文将热压作用下的自然通风融于可移动公共卫生间的通风优化设计中，通过合理的自然通风设计，有效改善通风效果，提升公共卫生间的内部环境品质。

4.2 太阳能烟囱效应的可行性

根据实地监测，一天之中，太阳辐射作用从09：30开始增强。强烈的太阳能可作为热压自然通风的最佳驱动力，利用这一优势，依靠太阳能通风技术合理地组织和诱导室内外气流可实现良好的通风效果。

太阳能通风基于自然通风原理：利用太阳能加热空气，增加空气的热压驱动力，强化自然通风。主要结构形式有太阳能通风墙（Solar-Induced Ventilation Wall，SIVW）、太阳能烟囱（Solar Chimney）等。学者卢敬彦[3]在关于太阳能通风技术实验研究中指出，在白天通风时，太阳能烟囱单位集热面面积的通风量是204m3/h，太阳能通风墙系统为185m3/h，太阳能通风墙与烟囱结合系统为83m3/h。可见，采用太阳能烟囱通风可获取最大单位集热面面积的通风量。据此，本研究提出基于太阳能烟囱原理的复合通风方法。

4.3 通风优化方法

太阳能烟囱效应的特点是：由盖板、吸热板以及中间的空气流道共同组成排风系统[3]。目前，研究较多的太阳能烟囱结构有三种：Trombe墙式太阳能烟囱、竖直式太阳能烟囱和倾斜式太阳能烟囱（如图3所示）[4]。室内外温差和进出风口的高差越大，烟囱效应越明显。根据围护结构温度与室内空气温度对比实验结果，垂直方向上屋面的逐时温度远高于壁温，可维持较大温差。可移动公共卫生间特有的单体空间结构，易形成竖向空腔，满足进排风口高差要求。倾斜式太阳能烟囱系统的使用利于可移動公共卫生间外形美化及烟囱系统运行维护。通过综合评判，本研究采用倾斜式太阳能烟囱通风系统，同时在公共卫生间门下部设置条形百叶进风口形成“下送风上排风”的气流组织形式。工作原理为：强烈的太阳光投射到吸热墙上，吸收大量太阳辐射的墙体，不断加热室内空气，温度逐渐高于室外空气，产生内外密度差，在公共卫生间内下部形成负压，上部形成正压，完成热压到风压的转换;同时，驱动公共卫生间内污浊的热空气向上流动、从排风口排出，室外新鲜的冷空气不断从进风口被吸入。

夏季，公共卫生间内部的污染物（主要源于小便池的挥发物NH3和大便池的挥发物H2S）浓度随着温度的升高而升高，细菌的繁殖及其对有机物的分解加快，同时高温环境也加速了挥发物的扩散，导致污染加重。这种现象于11：30—14：30尤为严重。然而，此时屋面温度高达40℃，太阳辐射作用十分强烈，热压驱动作用提升，通风状况可得到及时改善。15：30之后太阳辐射作用减弱，在夜间长波辐射作用下地表温差增大，风力加强;太阳辐射作用增强时，情形反之。由此，可基于风光互补原理的耦合强化通风作用，优化间歇通风模式，弥补太阳能通风技术的不足。此外，本文还发现，金属雕花板是现有可移动公共卫生间普遍采用的围护结构材料。由于该种蓄热材料的蓄热性能不佳，因此，11：30—14：30，室内空气温度升高，湿度增大，加剧了细菌、病毒等有害物的滋生。可见，现有可移动公共卫生间围护结构蓄热性能有待改善。相变蓄热是一种以相变储能材料为基础的高新储能技术。主要分为热化学储热、显热储热和相变储热。相变储热的储热密度是显热储热的5～10倍，甚至更高，具有温度恒定和蓄热密度大的优点[5]。将相变蓄热材料与围护结构有机结合，储存多余的太阳光，可实现稳定放热，从而保证风、光作用均减弱的情况下，通风系统依然正常工作。

5 结语

太阳能烟囱效应通风优化可帮助可移动式公共卫生间实现自然通风;基于风、光互补原理的耦合通风模式弥补了太阳能利用的不足;相变蓄热材料的融入进一步保证通风系统的稳定运行。

参考文献：

[1]陆亚俊.暖通空调[M].北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2]中华人民共和国住房和城乡建设部.城市公共厕所设计标准：CJJ 14—2016[S].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[3]卢敬彦.太阳能通风技术实验研究[D].重庆：重庆大学，2008.

[4]雷先鹏，喻李葵，邓启红.太阳能烟囱强化自然通风的研究进展[J].建筑热能通风空调，2009（6）：34-37.

[5]贺鹏.具有相变蓄热体的蓄热换热器研究[D].广州：华南理工大学，2013.