迈向室内空气污染物浓度的统一数据库:方法及其在二氧化碳(CO?)中的应用

《BUILDING AND ENVIRONMENT》:Towards a harmonized database of indoor air contaminant concentrations: methods and application to CO 2

【字体: 时间:2026年01月27日 来源:BUILDING AND ENVIRONMENT 7.6

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  提出标准化方法整合18项研究、覆盖1000余个住宅的IAQ数据,揭示通风类型、建筑特征和气候对卧室CO?浓度分布的影响,为健康建筑与碳中和协同提供数据支撑。

  
Gabriel Rojas|Reto Staffer|Núria Casquero-Modrego|Marcel Loomans|Marc Abadie|Ibrahim Alhindawi|Francesco Babich|Gabriel Bek?|Marie Coggins|Bart Cremers|Bernhard Damberger|Timm Freundorfer|Sonia Garcia-Ortega|Hala Hassan|Benjamin Jones|Maria Justo Alonso|Irene Lara-Ibeas|Grainne McGill|James McGrath|Aurora Monge-Barrio|Linda Toledo
奥地利因斯布鲁克大学能源高效建筑与数字科学中心

摘要

关于室内空气质量(IAQ)的可靠数据对于设计和运营节能且健康的住宅建筑至关重要。本文介绍了一种标准化方法,用于系统地收集、处理和分析IAQ测量数据,从而创建一个统一的IAQ数据库。该算法是在IEA EBC附件86项目框架下开发的,通过将时间序列测量数据汇总为月度摘要来确保数据兼容性、保护数据隐私并实现可扩展性,同时保留分布信息并将其与相关元信息关联起来。该方法被应用于创建一个全面的、开放访问的数据集,其中包含了来自多种住宅建筑的IAQ测量数据,这些建筑具有不同的类型、通风策略、气候条件和居住模式。该数据集支持对通过不同方法收集的IAQ数据进行一致的统计分析和解释,有助于进行跨研究的比较和基准测试。随着数据集的不断扩充,它将能够支持基于危害的评估,这是室内空气质量监管领域的一个新兴范式。
本文通过分析来自18项研究的CO2浓度数据(涵盖超过1000户家庭,重点关注卧室)来展示这个统一数据库的实用性。研究结果量化了在不同监管环境和建筑条件下卧室中的CO2浓度分布情况,强调了标准化数据在推进IAQ研究、政策制定和居住者健康评估方面的重要性。最终,这个统一的数据集和方法可以为研究人员、实践者和监管机构提供一个关键资源,帮助他们在全球范围内优化住宅建筑的室内环境质量。

引言

建筑物约占全球最终能源消耗的30%,这使得建筑环境成为气候缓解策略的核心[36]。虽然能源效率一直占据政策努力的主导地位,但人们越来越认识到,必须同时追求气候目标与健康的室内环境,尤其是在人们大部分时间居住的住宅建筑中[39,75]。随着建筑物变得更加节能(气密性提高、渗透减少),如果缺乏适当的通风设施,室内污染物水平(如氡或烹饪烟雾)可能会升高,从而导致潮湿、霉菌或过热等问题,这些都对居住者的健康有害[43,47,72]。
为此,一些国家开始将室内环境质量(IEQ)指标纳入建筑规范,特别是室内空气质量(IAQ)和适当的建筑通风。一个政策例子是修订后的《建筑能源性能指令》[22],该指令明确将IEQ定义为能源效率的附加效益。该指令要求欧盟成员国制定国家IEQ标准,并规定在非住宅建筑中进行IAQ监测和控制,体现了向支持脱碳和居住者健康的整体建筑性能框架的转变。
推进这些综合标准的一个关键挑战在于数据的可用性和一致性。历史上,数据驱动的努力在制定IEQ标准方面发挥了基础性作用。例如,ASHRAE热舒适度数据库汇总了52项研究中的22000多个主观-客观现场观测数据,以支持自适应热舒适度模型的开发[17,26]。然而,特别是对于IAQ而言,数据仍然分散且难以获取,这限制了模型开发和政策的一致性。早期对统一污染物数据库的呼吁[34]强调了迫切需要设计良好、易于访问的污染物排放数据数据库,以促进IAQ建模。为应对这一挑战,出现了诸如PANDORA[1,2]之类的倡议,这些倡议汇编了来自各种室内来源的气态和颗粒状污染物的排放率,为研究人员和实践者提供最新数据。最近,国际间也开展了合作,以解决另一个数据缺口。2020年,国际室内空气质量与气候学会(ISIAQ)成立了科学和技术委员会STC34,负责编制和维护全球IEQ指南[74]。
然而,目前还没有一个能够收集居住建筑中污染物测量数据的数据库。虽然有许多在新建筑或改造后的建筑中进行的入住后IAQ评估[63],这些评估考察了节能建筑的实际情况和/或发现了意外后果(如通风不足、污染物浓度升高或过热[13,14,19,21,25,40,55,73]),但由于方法和报告方式的不同(特别是在评估指标和元信息方面),很难利用现有的大量测量数据来得出关于不同通风概念如何影响IAQ性能以及居住者健康的广泛结论。基于Logue等人的原始工作[44],Morantes等人[47]提供了一个框架,用于评估住宅室内空气污染物对健康的影响。该方法根据浓度和暴露时间估计对居住者造成的长期危害,以伤残调整生命年(DALYs)表示,这是IAQ监管领域的一个新兴范式。这种基于危害的评估方法构成了ASHRAE 62.2的基础,并被ASHRAE 62.1采纳,同时也影响了新的欧洲标准。为了支持更一致的基于危害的基准测试并评估IAQ管理策略的有效性,访问包含实证观测污染物浓度分布的数据库至关重要。创建这样一个能够汇集全球IAQ测量数据的数据库需要一个统一的数据结构以及标准化的处理和分析方法。本文介绍了这种方法的开发过程,以及从18项不同的IAQ研究中初步创建的统一数据库,并将其应用于CO2浓度测量的元分析。
人类在新陈代谢过程中会排放二氧化碳(CO2)。在室内常见的浓度水平下,CO2本身无法确定地与空气品质、健康或工作表现的影响联系起来,因为不同研究的结果存在差异[18,24,46]。尽管如此,由于人类活动产生的其他污染物排放与CO2排放相关,室内CO2浓度长期以来一直被用作生物排放物暴露、空气品质感知和/或通风充分性的代理指标。但是,在不了解或无法控制其他潜在污染物的情况下,不应将其直接用作整体IAQ的指标。即使用于评估通风效果,也需要考虑空间的类型和居住情况[56,57]。
作为通风充分性的指标,较高的CO2浓度与认知表现下降和睡眠质量差有关[23,38,78]。在住宅环境中,如果采取了适当的源头控制措施(例如使用低排放建筑材料、厨房排风系统、氡控制等),稀释生物排放物和去除湿气可能是选择通风率的主要因素[60]。但是,依赖一个固定的CO2阈值(如1000 ppm)可能会有问题,因为浓度受到居住者特征、活动、通风和空气分布的影响,这凸显了需要为节能建筑制定更新的通风指南[3,56]。因此,有必要更好地了解不同住宅建筑、建筑类型、气候条件等情况下通风率和污染物浓度(包括CO2)的变化[53]。这些情况表明,需要一种更加综合和数据驱动的IAQ评估方法,同时也需要提供进行基于危害分析所需的数据。
本文通过介绍一种标准化方法来系统地收集、处理和分析来自不同来源的住宅建筑内污染物浓度,为此类努力做出了贡献。该方法是在IEA项目[35]的背景下开发的,本文展示了一个用于生成统一IAQ数据集的开源算法。通过分析来自18项研究的CO2浓度数据(涵盖超过1000户家庭,重点关注卧室),示例性地展示了这种IAQ数据库的好处和潜力。

方法部分

方法

方法部分分为以下两个小节:
  • “算法”部分介绍了新开发的算法,用于生成适合IAQ数据库的统一数据集;
  • “应用”部分展示了使用该算法生成统一数据集并对18项涵盖超过1000户住宅建筑的IAQ研究进行元分析的过程。
  • 该算法已实现为开源R代码[70],可在以下GitHub链接获取:https://github.com/IEA-EBC-Annex86/annex

    测量位置、时间和环境的影响

    图6显示了不同房间类别的测量CO2浓度。数据经过汇总后,每个房间对应一个元组。总共约16000个房间-月份元组被汇总为1882个房间元组,即1882个不同的测量位置(房间+环境位置)。因此,箱线图展示了给定房间类别中所有房间第90百分位的分布情况。所有房间类型的第90百分位的平均值存在显著差异

    对统一IAQ数据的需求

    本文解决了缺乏以统一方式收集室内污染物浓度数据的问题。所开发的方法用于收集和整理IAQ及其元数据的实证信息,从而允许在不同研究、国家、建筑类型和其他参数之间进行比较、基准测试和元分析。它可以为研究社区提供一个广泛而多样的数据集,远远超出单个研究项目的范围,继续支持相关研究

    结论

    本文展示了一种实用且新颖的方法,用于在不同研究中统一IAQ测量数据,支持可靠的比较、基准测试和元分析。该方法通过实证分布函数保留了统计信息的丰富性,同时避免了集中式原始时间序列数据的收集。它已实现为R语言的开源算法,并被应用于创建一个开放访问的统一数据集,整合了来自11个国家的18项IAQ研究的测量数据

    CRediT作者贡献声明

    Gabriel Rojas:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Reto Staffer:撰写 – 审稿与编辑、软件开发、方法论、正式分析、数据管理、概念化。Núria Casquero-Modrego:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、数据管理。Marcel Loomans:撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、数据
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