中原过渡气候区农村住宅改造中的能源—室内空气质量—健康耦合关系：基于现场校准的耦合模拟与多准则评估

《Atmosphere》：Energy–Indoor Air Quality–Health Nexus in Rural Residential Retrofits: A Field-Calibrated Coupled Simulation and Multi-Criteria Evaluation for the Central Plains Transitional Climate of China

　　

摘要 中国中原过渡气候区的农村住宅面临多重相互交织的挑战：冬季供暖与夏季制冷的能耗居高不下、固体燃料燃烧导致的严重室内空气污染，以及由此带来的公共健康负担。尽管建筑围护结构节能改造作为碳减排手段被广泛推广，但其对能源性能、室内空气质量（IAQ）及健康结局的综合影响仍未得到充分量化。本研究构建了一套经现场校准的耦合模拟框架，以河南省安阳市典型砖混结构农村住宅为对象，评估四种改造情景。研究人员开展了一项配对式改造前后现场测量，于冬季和夏季各进行72小时监测，同步记录五项优先污染物（PM2.5、PM10、CO2、甲醛及总挥发性有机化合物TVOC）及热工参数。研究建立了EnergyPlus–CONTAM双向耦合模拟模型，并依据ASHRAE Guideline 14进行校准，室内温度NMBE为?2.1%、CV(RMSE)为6.7%，同时针对CO2及夏季运行工况进行了独立的样本外验证。四种情景分别为：基准情景（S0）、围护结构基本改造（S1）、围护结构改造加日程优化的自然通风（S2）、以及围护结构改造加热回收通风（S3）。结果表明，S1使年热负荷降低52.2%，但因空气渗透量减少62.3%，冬季平均PM2.5升高25.8%、甲醛升高32.4%。S2保留了95.6%的节能效益，同时相较基准情景使PM2.5非致癌危害商降低20.3%、甲醛致癌风险降低14.9%。S3实现了最佳的室内空气质量和健康结局，但投资回收期延长至8.9年。TOPSIS多准则分析确定S2为面向大规模农村推广的最优成本平衡策略。本研究证明，片面追求围护结构气密性可能加剧室内污染暴露，而协调的通风优化可在实现节能、满足IAQ标准的同时带来净健康效益。研究结果为过渡气候区农村建筑升级计划提供了循证技术参数。据研究人员所知，本研究是首次针对中原过渡气候区依赖固体燃料的砖混农村住宅，整合现场校准的EnergyPlus–CONTAM双向耦合、可审计的健康风险评估及熵权TOPSIS排序的研究；其新颖性在于这一特定情境下的集成应用，而非新的耦合或排序算法（投资回收期基于标准化舒适基准计算；在不设机械制冷的实际使用基准下，对应S1回收期约为6.8年）。

论文解读：中原过渡气候区农村住宅改造中能源、室内空气质量与健康的耦合评估

一、研究背景与问题提出

在全球碳中和与碳达峰背景下，建筑节能已成为减缓气候变化的核心策略。全球建筑部门占终端能源消费的36%以上，约占能源相关CO₂排放的39%。中国农村建筑存量超过270亿m²，占全国建筑总面积的52%，过去十年农村住宅能耗年均增长5.9%。中原地区属暖温带大陆性季风气候，呈现典型夏热冬冷过渡气候特征，冬季寒冷干燥、夏季炎热潮湿，对冬季保温与夏季隔热提出双重需求。当地自建农村住宅以砖混结构为主，缺乏专业热工设计，围护结构传热系数高、气密性差，导致室内热舒适性差、供暖制冷能耗过高。

与能源挑战并行的是，室内空气污染已成为中国农村首要的环境健康风险。中原地区超过62%的农村家庭仍依赖煤炭、薪柴和农作物秸秆进行炊事和分散式冬季供暖，室内释放大量PM_2.5、一氧化碳和挥发性有机物。长期暴露于高浓度室内污染物与慢性阻塞性肺疾病、心血管疾病及儿童哮喘患病率上升相关，构成沉重的公共健康负担。然而，现有农村建筑节能改造项目几乎全部优先考虑节能与热舒适，很少考虑建筑气密性改善对室内空气质量的后果。围护结构改造通常使空气渗透率降低40–70%，虽减少热损失，却也限制了室内污染物的自然稀释。农村住宅90%以上仅依赖窗户缝隙和建筑渗漏进行自然通风，缺乏机械通风系统补偿。因此，在不配合通风补偿的情况下进行节能改造，可能产生"密闭建筑综合征"，升高长期污染物暴露水平，抵消热舒适改善带来的健康效益。然而，中原过渡气候区的定量证据仍然匮乏，鲜有研究将能源性能、室内空气质量动态与健康风险评估整合到统一的多情景评估框架中。

二、研究设计与方法概述

本研究以河南省安阳市（36.1°N，114.4°E）一个代表性村庄的典型砖混结构单层住宅为对象。该住宅建于2009年，总建筑面积126 m²，层高3.3 m，含三间卧室、一间客厅、一间厨房和一间卫生间。住户为两名常住成年人，日常炊事使用煤和农作物秸秆混合物，冬季以客厅便携式燃煤炉供暖。研究开展四轮现场测量：改造前冬季（2024年1月15–17日）、改造前夏季（2024年7月15–17日）、改造后冬季（2025年1月15–17日）及改造后夏季（2025年7月15–17日），每轮连续72小时，覆盖正常居住条件下的炊事、供暖和生活模式。改造方案采用"三位一体"围护结构升级：100 mm膨胀聚苯乙烯（EPS）外墙外保温板、50 mm挤塑聚苯乙烯（XPS）屋顶保温板、断桥铝中空玻璃窗（6+12A+6）及聚氨酯芯保温金属门。

研究建立了EnergyPlus v9.6与CONTAM v3.4的双向耦合模拟模型，通过EnergyPlus外部接口（FMI 2.0）与ContamX求解器每10分钟步长交换数据：EnergyPlus向CONTAM传递区域及表面温度、风速风向和压力系数；CONTAM向EnergyPlus回写各区域渗透量、窗通风量及热回收通风（HRV）风量，迭代至温度和气流变化小于0.5%。模型依据ASHRAE Guideline 14进行校准，并采用蒙特卡洛不确定性分析量化结果稳健性。污染物源强通过38次炊事事件和12次过夜燃烧循环的质量平衡反演独立确定，避免了循环参数调优。研究设计了四种情景：S0基准（未改造，ACH50=11.8 h^?1）、S1围护结构改造（ACH50=4.46 h^?1）、S2围护结构加日程优化自然通风（每日三次30分钟开窗）、S3围护结构加HRV（显热回收效率75%，风量90 m³/h）。健康风险评估采用美国环保署（U.S. EPA）吸入风险框架，结合中国农村成人暴露参数；多准则决策采用熵权TOPSIS方法。

三、主要研究结果

3.1 模型校准与验证

耦合模型针对改造前冬季72小时数据集进行校准，客厅空气温度NMBE=?2.1%、CV(RMSE)=6.7%，PM_2.5浓度NMBE=4.3%、CV(RMSE)=12.8%，均满足ASHRAE Guideline 14阈值要求。改造后2025年1月数据验证获得温度NMBE=?1.8%、CV(RMSE)=5.9%。独立的样本外验证覆盖改造后PM_2.5、夏季温度、CO₂等变量，PM₁₀、甲醛和TVOC的测量均值预测偏差在?12%至+9%范围内。仅冬季客厅温度和PM_2.5进入校准，其余变量和时段组合均构成验证。

3.2 围护结构热工性能与气密性

改造后外墙U值降低83.6%，屋顶U值降低81.7%，窗户U值降低63.3%，均满足或优于GB/T 50824-2013对寒冷地区农村住宅的要求。鼓风门测试显示50 Pa换气率由改造前11.8 ACH降至4.46 ACH，空气渗漏减少62.3%。冬季典型条件下自然渗透量由0.54 ACH降至0.20 ACH，直接削弱了围护结构对污染物的稀释能力。改造后建筑维持显著更高且更稳定的室内温度：客厅平均温度由6.6 °C升至14.5 °C，昼夜温度波动由6.4 °C降至2.9 °C。

3.3 年能源性能

年总热负荷由基准126.3 kWh/m²降至S1的60.4 kWh/m²，综合节能率52.2%。供暖负荷占总基准负荷的67.8%，降幅（52.7%）略高于制冷负荷（51.0%）。S2优化自然通风情景将总节能率小幅降至50.0%（63.1 kWh/m²），保留了95.6%的总节能效益；能量惩罚集中于供暖季，夏季定时通风通过引入凉爽夜间空气反而略微降低制冷需求。S3（HRV）实现48.5%节能率（65.1 kWh/m²），HRV风机年耗电122 kWh部分抵消热节能。热舒适方面，供暖季自由运行条件下客厅平均预测平均投票（PMV）由基准?2.1（冷）改善至S1的?0.8（微凉），预测不满意百分比（PPD）由78%降至19%；被动适应性指数由0.41升至0.68，提升66%。

3.4 不同情景下的室内空气质量

基准情景（S0）冬季PM_2.5平均118.2 μg/m³，超出GB/T 18883-2022标准（75 μg/m³）57.6%；CO₂平均1238 ppm；TVOC平均0.71 mg/m³，超标18.3%。仅围护结构改造（S1）导致所有污染物浓度显著上升：PM_2.5升高25.8%，CO₂升高28.1%，甲醛升高32.4%，TVOC升高29.6%。S1情景下傍晚炊事后PM_2.5回落至基线需约2.7小时，而S0仅需1.1小时，污染物滞留时间延长是平均浓度升高的主要机制。S2（定时自然通风）将傍晚峰值由S1的372 μg/m³降至225 μg/m³，日均PM_2.5低于基准水平。S3（HRV）实现最低浓度，全天大部分时段PM_2.5低于75 μg/m³。夏季浓度普遍较冬季低30–40%，S1情景下夏季增幅较小（9–16%）。厨房浓度始终最高，冬季基准厨房PM_2.5平均214 μg/m³，约为客厅的1.8倍；厨房至客厅浓度比由S0的1.81降至S2的1.52和S3的1.34。

3.5 健康风险评估

基准情景下PM_2.5非致癌危害商（HQ）为1.97，表明已存在不良非致癌效应。S1将PM_2.5 HQ升至2.48（+25.9%），甲醛致癌风险（CR）由2.83×10^?4升至3.75×10^?4（+32.4%），健康结局恶化。S2将PM_2.5 HQ降至1.57（较基准?20.3%），甲醛CR降至2.41×10^?4（?14.9%）。S3实现最大健康效益，PM_2.5 HQ降至1.18，甲醛CR降至1.84×10^?4（较基准?35.1%）。采用现行U.S. EPA IRIS吸入单位风险值（1.1×10^?5每μg/m³）后，四种情景均超出1×10^?4上限，表明尚需源头控制（低排放材料、清洁炊事）。蒙特卡洛不确定性分析（10,000次迭代）确认情景排序在所有不确定性迭代中保持稳健。冬季PM_2.5 HQ约为夏季的1.7倍，反映供暖期固体燃料燃烧增加与开窗减少的叠加效应。

3.6 多准则与经济评估

围护结构改造成本约22,800元，S1年节能费用3,860元，简单回收期5.9年（标准化舒适基准）。S2零额外资本成本，年节能费用仅小幅降至3,690元，回收期6.2年。S3需额外HRV设备费6,500元及年风机电费122元，回收期延长至8.9年。在政府补贴覆盖材料成本30–50%的情况下，S2有效回收期缩短至3.1–4.3年。TOPSIS分析中，熵权法确定的准则权重为：IAQ达标率0.21、健康风险降低0.19、节能0.18、成本效益0.17、热舒适0.14、技术可行性0.11。贴近系数排序为：S2=0.84（第1）、S3=0.71（第2）、S1=0.42（第3）、S0=0.18（第4）。S2以零额外成本和高度可行性在能源与IAQ表现间取得最佳平衡。

四、讨论与结论

研究揭示了围护结构改造"节能—IAQ权衡"的三个物理机制：空气渗透降低直接削弱污染物稀释能力；外保温配置将砖墙有效热质量内移，减少温度驱动的浮力通风；改善的热舒适促使住户延长关窗时间，形成行为反馈效应。S2仅以4.2%的能量惩罚换取IAQ显著改善，与Liu等估算的4–5%通风补偿能耗一致。S3虽实现最佳IAQ与健康结局，但8.9年回收期和农村维护要求限制了其适用性。政策建议包括：将通风指导纳入改造技术标准与验收程序；在示范项目评估中增加基础IAQ监测；将围护结构改造与清洁燃料替代及厨房改造计划耦合；按家庭收入水平提供分级补贴。

研究结论可归纳为四点：第一，"三位一体"围护结构改造实现年热负荷降低52.2%，显著改善室内热稳定性，确认其作为过渡气候区节能措施的有效性，改造后建筑空气渗透率降低62.3%。第二，仅围护结构改造导致室内空气质量可测的恶化，冬季PM_2.5、CO₂、甲醛和TVOC分别升高25.8%、28.1%、32.4%和29.6%，PM_2.5非致癌危害商升高25.9%，甲醛致癌风险升高32.4%。第三，日程优化自然通风（每日三次30分钟开窗）有效缓解污染物积累，使甲醛和TVOC降至国家标准限值内，PM_2.5降至基准水平以下，年能量惩罚仅4.2%，保留了95.6%的改造节能效益。第四，TOPSIS多准则分析确定"围护结构改造+自然通风"（S2）为最优综合方案（Ci=0.84），在节能（50.0%）、IAQ达标、健康风险降低（PM_2.5 HQ降低20.3%）和成本效益（标准化舒适基准回收期6.2年）之间实现平衡。研究强调，农村改造计划必须将能源效率与室内空气质量作为相互关联的目标统筹规划和评估，"围护结构改造+定时自然通风"的集成策略为中原及类似过渡气候区的政府主导农村建筑升级提供了技术可行、成本有效且有益健康的可推广方案。