本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映了作者的观点，不一定反映《大众科学》的观点
以下是由德克萨斯大学奥斯汀分校的博士生约书亚·罗兹和布伦特·斯蒂芬斯撰写的客座文章。作为他们研究的一部分，他们致力于建筑的两个不同方面，约书亚专注于能源使用和效率，布伦特专注于室内空气质量。他们的文章补充了大卫·沃根之前关于建筑能源审计的文章，通过定量地考察家庭能源改造以及过度改造可能发生的情况。
建筑物消耗大量能源——大约占美国能源消耗量的 40%，而工业和交通运输部门各占 30%。住宅建筑消耗的能源略高于建筑物总能耗的一半，约占总能耗的 22% [1]。因此，能源效率一直是奥巴马政府的优先事项，政府一直在鼓励新建建筑节能和现有房屋的节能改造。
联邦政府能源效率努力的两个例子是 EPA 和 DOE 的能源之星合格新房计划，该计划旨在建造比标准房屋节能 20-30% 的房屋 [2]，以及能源之星家庭性能计划，该计划改造现有房屋，旨在节省其先前能源消耗量的 25-35% [3]。
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收紧建筑围护结构
典型的家庭节能改进包括更高效的供暖、通风和空调 (HVAC) 设备、增加隔热层、更好的窗户、更高效的电器、HVAC 维护以及通过空气密封收紧围护结构。考虑到夏季需要制冷（在我们撰写这篇文章时，德克萨斯州奥斯汀的气温为 107 °F [42 °C]），公式 1 显示了大部分热量如何进入房屋内部。同样的公式也适用于冬季，但太阳能和室内项为负值（它们实际上有助于您为房屋供暖）。
在这个公式中，QHVAC 是空调必须移除能量的速率（或在冬季必须增加的速率），单位为瓦特。 Q传导 是热量通过您的墙壁、天花板、地板和窗户的传导，Q太阳能 是通过您的窗户获得的太阳能增益量，Q室内 是来自计算机、人员和电器的热量，而 Q渗透 是外部空气通过房屋围护结构的裂缝渗入的热量。因此，考虑到冷却气候中的空调，减少公式 1 右侧的任何一项都将减少 HVAC 系统必须移除的热量，从而降低能耗。
但不要过分——空气质量问题
虽然对于大多数家庭改进来说，能源和成本节省都存在收益递减点（即，在冷却气候中减少 Q传导 和 Q太阳能），但过度收紧围护结构（即，减少 Q渗透）可能会无意中引入其他潜在的严重问题 [4]。由于美国的大多数房屋不提供专用机械通风的新鲜空气，因此它们通常仅通过自然渗透或手动打开窗户或操作排气扇进行通风。因此，在所有条件相同的情况下，为了节省能源而减少空气泄漏也会减少流入房屋的新鲜空气量。
让我们首先看一下空气渗透的能量需求，如公式 2 所示。
在这个公式中，ρ 是空气的密度，cp 是空气的比热容，ΔT 是室内和室外的温差，V 是房屋的体积，AER 是空气交换率，即每小时室内空气被室外空气替换的比例。住宅的典型空气交换率对于现有房屋约为每小时 0.5 [5]，对于新建房屋约为 0.2-0.3 [6]，这意味着室内空气平均每 2 到 5 小时被室外空气替换一次，对于旧房和新房而言。假设室内温度设定点为 78°F (26°C)，室外温度为 100°F (38°C)，对于典型的 1500 平方英尺单层房屋（V = 12000 立方英尺），过多的瞬时制冷负荷对于传统房屋约为 700 瓦，对于相对较新或收紧的房屋则低至 300 瓦；渗透负荷减少了近 60%。
但是，过度收紧建筑围护结构可能会无意中导致室内空气污染物积聚，从而危害居住者的健康和福祉。公式 3 是一个简化的质量平衡方程，通常用于表示许多室内空气污染物的浓度。
在这个公式中，Cin 是给定污染物的室内浓度，P 是建筑物围护结构过滤室外污染物（通过沉积或与围护结构中的材料反应）的分数效率，Co 是所讨论的相同污染物的室外浓度，E 是所述污染物的总排放率，V 是房屋的体积，AER 是空气交换率。随着 AER 的降低，室内来源的贡献增加。
从公式 2 和 3 可以看出，通过收紧房屋的围护结构来降低 AER 可以降低房屋的制冷负荷，但也可能增加室内污染物水平。这对于室内排放或产生的污染物尤其重要。其中一些污染物包括烟草烟雾、甲醛（来自绝缘材料、家具泡沫和压制木制品）、一氧化碳（来自室内燃烧和燃气灶）、对二氯苯（来自马桶除臭剂）和萘（以近乎纯净的形式用作樟脑丸）等等。这些污染物的潜在健康影响范围很广，从呼吸道刺激到癌症 [7]。
那么，对于渗透制冷负荷减少约 60% 而言，室内空气质量的代价是什么？假设一种没有室外来源的室内污染物（如大多数地区的甲醛），将房屋的空气交换率从每小时 0.5 降低到每小时 0.2 将直接使室内浓度增加 2.5 倍。
值得吗？
嗯，也许值得。如果特别注意限制室内污染物来源，那么家庭改造实际上可以同时实现能源和健康效益。例如，加强空气密封和新的建筑实践可能会改变房屋中 P 的值（室外污染物穿透建筑围护结构的能力）。在德克萨斯大学奥斯汀分校，其中一位作者最近开发了一种测量室外臭氧渗透效率的方法，发现较新的房屋中臭氧的 P 值实际上似乎低于旧房屋。[8]
臭氧很重要，因为它本身有害，并且还可以通过室内化学反应形成一些有害的室内空气污染物 [9]。例如，臭氧与 d-柠檬烯（普遍存在的化学物质，是清洁剂到蜡烛等各种产品中柑橘香味的来源）反应，产生一系列有害化学物质，包括甲醛，一种已知的致癌物。如果建筑围护结构可以设计成缓冲室外臭氧，我们实际上可能会观察到一系列健康益处。
收紧你的房屋，但不要过分……
历史上，房屋的建造方式使其具有较高的空气交换率，室内空气污染物浓度被稀释到与室外相同的水平。然而，随着建筑围护结构变得越来越紧密，室内空气污染物的浓度将会增加。市场上出现了一些很有前景的新型过滤产品，例如浸渍活性炭过滤器，可以去除室内空气中的一些化学污染物，但它们通常需要额外的能量才能运行。能源效率和室内空气质量之间显然存在权衡，虽然我们必须提高住宅建筑的能源效率，但不应以我们的健康为代价。总而言之，随着建筑围护结构变得越来越紧密，室内污染物来源的混合变得更加重要。实际的行为习惯通常可以轻松减少一个人接触到的室内空气污染量。停止使用香味浓烈的清洁剂和空气清新剂、作为空气净化器销售的臭氧发生器（这始终是一个坏主意 [10]，值得单独写一篇博文）、未密封的压制木制品和樟脑丸可以大大减少您接触到的室内空气污染量。
参考文献
[1] http://needtoknow.nas.edu/energy/energy-use/
[2] http://www.energystar.gov/index.cfm?c=new_homes.nh_features
[3] Belzer, D., G. Mosey, P. Plympton, and L. Dagher., 2007. 能源之星家庭性能：奥斯汀能源计划参与家庭的公用事业账单 2007 年 7 月分析报告。报告编号：NREL/TP-640-41903。科罗拉多州戈尔登：国家可再生能源实验室。
[4] Manuel, J., 2011. "避免家庭节能改造的健康隐患。" 环境健康展望 119:a76-a79
[5] Murray, D.M and D.E. Burmaster., 1995. “美国住宅空气交换率：按季节和气候区域划分的经验和估计参数分布。” 风险分析 15(4):459-465。
[6] Offermann, F.J., 2009. “新房的通风和室内空气质量。” 加州能源委员会报告 CEC-500-2009-085。 http://www.arb.ca.gov/research/apr/past/04-310.pdf
[7] Weschler, C., 2009. "自 20 世纪 50 年代以来室内污染物的变化。" 大气环境 43(1):153-69。
[8] Stephens, B. 学术主页：“臭氧渗透到建筑物中。” https://sites.google.com/site/stephensbrent/living-dissertation#TOC-Ozone-penetration-into-buildings.
[9] Weschler, C.J., 2000. "室内环境中的臭氧：浓度和化学。" 室内空气 10(4):269-88。
[10] Siegel, J.A., M.S. Waring, X. Yu, and R.L. Corsi, 2006. "便携式离子发生器的室内空气质量影响。" A&WMA 室内环境质量——问题、研究和解决方案专业会议论文集，北卡罗来纳州研究三角园区（2006 年 7 月）1:1-12。
图片来源
1. 能源之星标志照片 © 版权所有 MoneyBlogNewz 并根据 此知识共享许可 获得 重用 许可。
2. 鼓风门照片在维基百科上找到，并且存在于公共领域。
关于作者
约书亚·罗兹是德克萨斯大学奥斯汀分校土木、建筑和环境工程专业的博士候选人。他目前的研究领域是住宅智能电网应用，包括能源效率和分布式发电的系统级应用。他喜欢山地自行车和攀岩，并且会早起在课前完成这些运动。（http://www.webberenergygroup.com/people）
布伦特·斯蒂芬斯是德克萨斯大学奥斯汀分校土木、建筑和环境工程专业的博士候选人，他致力于开发测量建筑物中室内污染物命运和迁移的新方法。他于 2007 年获得田纳西理工大学土木工程学士学位，并于 2009 年获得德克萨斯大学奥斯汀分校环境与水资源工程硕士学位。他目前是国家科学基金会室内环境科学与工程 IGERT 计划的成员（http://www.caee.utexas.edu/igert/）。