探究PM2.5 對辦公建筑自然通風(fēng)應(yīng)用潛力的影響

徐崢 劉紅

重慶大學(xué)土木學(xué)院

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們節(jié)能意識及健康意識的提高，建筑節(jié)能及室內(nèi)空氣品質(zhì)受到了越來越多人的關(guān)注。自然通風(fēng)作為一種不消耗電能的改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的潛在方法，引起了越來越多研究者的興趣。但自然通風(fēng)的使用受到很多因素的影響，如室外氣候、空氣污染、噪音等對室內(nèi)環(huán)境的影響就不可忽視[1]。因此，研究自然通風(fēng)潛力時應(yīng)綜合考慮這些因素。

由于使用自然通風(fēng)時新風(fēng)不經(jīng)過過濾裝置而直接進(jìn)入室內(nèi)，相比于使用機(jī)械通風(fēng)或空調(diào)裝置，更容易使室內(nèi)環(huán)境受到室外污染物的影響，尤其在中國，室外PM2.5 污染的存在使得自然通風(fēng)時室內(nèi)PM2.5 濃度可能超標(biāo)，對人體健康造成危害?，F(xiàn)有的關(guān)于自然通風(fēng)潛力的研究多著眼于室外氣候?qū)ψ匀煌L(fēng)的影響，但缺乏綜合考慮氣候及室外PM2.5 濃度影響的研究。Yang 等人[2]在2005 年提出了壓差小時數(shù)（PDPH）評估自然通風(fēng)潛力的方法，Luo 等人[3]在其基礎(chǔ)上增加了對室內(nèi)適應(yīng)性熱舒適的考慮，得到了更接近實(shí)際情況的自然通風(fēng)潛力結(jié)果，研究發(fā)現(xiàn)，考慮室內(nèi)熱舒適后，城市自然通風(fēng)應(yīng)用潛力相比只考慮風(fēng)壓時得到的結(jié)果有了較大減小，但上述兩個實(shí)驗(yàn)都未考慮污染對自然通風(fēng)的影響。Tong 等人[4]根據(jù)室外氣溫及空氣質(zhì)量情況對中國76 個城市的自然通風(fēng)可用小時數(shù)及35 個主要城市的自然通風(fēng)節(jié)能潛力進(jìn)行了評估，但其研究缺乏對室內(nèi)熱舒適的考慮，且采用了AQI=100 的室外污染情況限值，未考慮到室內(nèi)PM2.5 污染情況，所選可用自然通風(fēng)小時內(nèi)的室內(nèi)PM2.5 濃度可能超過標(biāo)準(zhǔn)限值，其所得自然通風(fēng)潛力結(jié)果可能過高。Martins 和Carrilho[5]研究了室外PM2.5 濃度與自然通風(fēng)時室內(nèi)人員PM2.5 暴露的關(guān)系，Chen 等人[6-7]以室內(nèi)PM2.5濃度為判斷自然通風(fēng)是否可用的依據(jù)評估了美國12個城市的自然通風(fēng)潛力，但缺少對室內(nèi)熱舒適的考慮。綜上，現(xiàn)有研究要么只考慮了室內(nèi)熱舒適對自然通風(fēng)潛力的影響，要么只考慮了室外PM2.5 濃度對自然通風(fēng)潛力的影響。很少有研究綜合考慮更符合實(shí)際情況的室內(nèi)熱舒適優(yōu)化評價方法以及限定室內(nèi)PM2.5濃度值對自然通風(fēng)潛力的影響。

為彌補(bǔ)上文總結(jié)的當(dāng)前辦公建筑自然通風(fēng)應(yīng)用潛力評估研究中的不足，本研究綜合考慮了室內(nèi)熱舒適評價及限定室內(nèi)PM2.5 濃度對自然通風(fēng)潛力的影響，用更符合實(shí)際情況的適應(yīng)性室內(nèi)熱舒適評價方法及更關(guān)乎建筑使用者健康的室內(nèi)PM2.5 濃度作為評判標(biāo)準(zhǔn)來評估辦公建筑自然通風(fēng)應(yīng)用潛力。通過模擬自然通風(fēng)時室內(nèi)熱環(huán)境及PM2.5 濃度，選取工作時間內(nèi)滿足室內(nèi)熱舒適及室內(nèi)PM2.5 濃度限制的小時數(shù)代表自然通風(fēng)應(yīng)用潛力，評估中國不同氣候區(qū)辦公建筑自然通風(fēng)應(yīng)用潛力，并討論不同氣候及PM2.5 污染對自然通風(fēng)應(yīng)用潛力的影響。

1 模擬方法

1.1 模擬流程

本研究選取中國五個典型氣候區(qū)的代表城市（嚴(yán)寒地區(qū)的沈陽，寒冷地區(qū)的北京，夏熱冬冷地區(qū)的上海，溫和地區(qū)的昆明和夏熱冬暖地區(qū)的廣州），在EnergyPlus 軟件中建立辦公建筑模型，對各城市自然通風(fēng)時的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行模擬，得到全年逐時室內(nèi)溫度及室內(nèi)PM2.5 濃度。通過輸入建筑模型，氣候文件以及全年室外逐時PM2.5 濃度數(shù)據(jù)，EnergyPlus 可結(jié)合建筑整體情況在熱平衡及質(zhì)量守恒的基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬計算，其中Airflow Network 模塊可實(shí)現(xiàn)自然通風(fēng)氣流模擬，而Generic Contaminant Model 模塊可實(shí)現(xiàn)結(jié)合室內(nèi)熱環(huán)境的逐時室內(nèi)PM2.5 濃度模擬。模擬所用天氣文件來自CSWD 氣象數(shù)據(jù)源，全年室外PM2.5 濃度逐時值來自中國國家環(huán)境檢測中心數(shù)據(jù)[8]。

1.2 物理模型

為使模擬結(jié)果具有一定代表性，本研究回顧了以往針對辦公建筑的模擬中所用模型，并最終選擇了Yu所用模型作為參考[8]。本研究模型為一棟五層樓的辦公建筑，建筑平面邊長35.2 m，層高3.6 m，窗墻比為50%，模型示意圖及建筑平面層示意圖如圖1，2 所示。由于不同氣候區(qū)氣候差異巨大，本研究中不同氣候區(qū)圍護(hù)結(jié)構(gòu)按照公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50189-2015中不同氣候區(qū)的公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能限值設(shè)定。辦公建筑系統(tǒng)工作時間為周一至周五的7:00-18:00，設(shè)備負(fù)荷密度為15 W/m2，照明功率密度為9 W/m2，人員密度為10 m2/人，室內(nèi)設(shè)備燈光開關(guān)情況及人員在室率等均參考公共建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定。

圖1 模型示意圖

圖2 模型平面層示意圖

2 自然通風(fēng)應(yīng)用潛力評估方法

2.1 室內(nèi)熱舒適要求

在已有研究中，大多數(shù)研究都直接使用了室外溫度作為評判自然通風(fēng)是否能滿足室內(nèi)熱環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)，而忽略了室內(nèi)得熱及圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室內(nèi)熱環(huán)境產(chǎn)生的影響，為了得到更準(zhǔn)確的結(jié)果，本文選取模擬得到的室內(nèi)溫度來評判室內(nèi)熱舒適是否滿足要求。同時，研究表明，相比于空調(diào)建筑，在自然通風(fēng)建筑中使用者可以接受更高的溫度并適應(yīng)更寬的舒適溫度范圍[10]，在這種情況下使用在穩(wěn)態(tài)空調(diào)環(huán)境中建立的PMV 熱舒適評價指標(biāo)會產(chǎn)生較大誤差，而考慮了室外氣候影響及人體自身適應(yīng)性的適應(yīng)性熱舒適模型更適合這樣的自然通風(fēng)情況[11-12]。所以本研究采取適應(yīng)性熱舒適模型以得到更符合實(shí)際情況的室內(nèi)熱舒適結(jié)果，在該評價指標(biāo)中，室內(nèi)舒適溫度與室外月平均溫度相關(guān)，采用80%的可接受度時舒適區(qū)間的上下限為：

式中：tout為室外月平均溫度，℃，當(dāng)室外溫度低于0 ℃或高于40 ℃時，自然通風(fēng)不可用。

根據(jù)每月的月平均溫度計算得到當(dāng)月的熱舒適區(qū)間，當(dāng)模擬得到的室內(nèi)溫度落在熱舒適區(qū)間內(nèi)時，認(rèn)為自然通風(fēng)能滿足室內(nèi)熱舒適要求。

2.2 室內(nèi)空氣質(zhì)量要求

針對室內(nèi)空氣質(zhì)量，本文著重研究PM2.5 污染的影響。通過文獻(xiàn)綜述發(fā)現(xiàn)以往針對PM2.5 對自然通風(fēng)的影響研究多以室外PM2.5 濃度為評判標(biāo)準(zhǔn)，而忽略了室內(nèi)外濃度的關(guān)系，本研究通過模擬室內(nèi)PM2.5 濃度，設(shè)定室內(nèi)PM2.5 濃度限值，保證自然通風(fēng)時室內(nèi)PM2.5 濃度達(dá)標(biāo)。研究中選取了兩個不同的PM2.5 濃度限值，分別是中國環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[13]中設(shè)定的35 μg/m3及世界衛(wèi)生組織（WHO）[14]設(shè)定的更為嚴(yán)格的10 μg/m3。

為討論P(yáng)M2.5 對自然通風(fēng)潛力的影響，本研究設(shè)定了如下三種自然通風(fēng)應(yīng)用潛力評價方案：

1）NV：當(dāng)室內(nèi)溫度滿足熱舒適要求時認(rèn)為自然通風(fēng)可用（基礎(chǔ)方案）。

2）NV10：當(dāng)室內(nèi)溫度滿足熱舒適要求且室內(nèi)PM2.5 濃度低于10 μg/m3時認(rèn)為自然通風(fēng)可用。

3）NV35：當(dāng)室內(nèi)溫度滿足熱舒適要求且室內(nèi)PM2.5 濃度低于35 μg/m3時認(rèn)為自然通風(fēng)可用。

其中NV 為只考慮氣候影響時的自然通風(fēng)應(yīng)用潛力，NV10 及NV35 為同時考慮氣候和PM2.5 影響時的自然通風(fēng)應(yīng)用潛力，通過對比不同方案下得到的自然通風(fēng)應(yīng)用潛力結(jié)果來討論室外PM2.5 對自然通風(fēng)應(yīng)用潛力的影響。

3 結(jié)果

3.1 代表城市室外氣候及PM2.5 污染情況

為分析室外氣候及PM2.5 濃度對自然通風(fēng)的影響，先對所選五個代表城市的室外溫度及室外污染物濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。室外月平均氣溫如圖3 所示，昆明氣候較為特殊，全年氣溫穩(wěn)定，月平均溫度在8～21 ℃之間。除昆明外所有城市四季氣溫變化明顯，冬季不同氣候區(qū)城市氣溫差異較大，沈陽及北京月平均溫度均低于0 ℃，而夏季城市月平均溫度差異較小，差異最小的7 月各城市平均溫度均在25～30 ℃之間。

圖3 代表城市月平均溫度

城市室外PM2.5 污染情況如圖4、圖5 所示，就整體污染情況來看，北京污染最嚴(yán)重，其次是沈陽、上海、廣州和昆明。對比全年污染物濃度變化情況，沈陽及北京在10 月、11 月、12 月PM2.5 濃度增長明顯且遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他城市，其余城市全年P(guān)M2.5 污染情況變化不大。

圖4 代表城市室外PM2.5 污染情況

圖5 代表城市月平均室外PM2.5 濃度

3.2 室內(nèi)環(huán)境模擬結(jié)果

室內(nèi)溫度模擬結(jié)果如圖6 所示，建筑使用自然通風(fēng)時，室內(nèi)溫度不會像使用空調(diào)時一樣維持在一個恒定值，而是落在一個較大的范圍內(nèi)。并且由于室內(nèi)與室外之間的熱傳遞，各城市全年室內(nèi)溫度與室外氣溫具有大致相同的變化趨勢。

圖6 模擬所得各城市室內(nèi)逐時溫度

模擬所得城市室內(nèi)PM2.5 濃度分布如圖7 所示，對比室內(nèi)外PM2.5 濃度分布發(fā)現(xiàn)，建筑室內(nèi)濃度始終低于室外濃度，這說明建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室外PM2.5 有一定阻隔作用。并且室內(nèi)PM2.5 濃度分布范圍及最大濃度值與室外PM2.5 污染嚴(yán)重程度成正比，室外空氣質(zhì)量最好的昆明，室內(nèi)PM2.5 整體濃度也最小且濃度維持在一個較小的范圍內(nèi)。

圖7 模擬所得各城市室內(nèi)污染物濃度

3.3 不考慮PM2.5 的影響時各氣候區(qū)自然通風(fēng)應(yīng)用潛力

根據(jù)模擬所得自然通風(fēng)時的室內(nèi)情況，考慮辦公建筑工作時間選出自然通風(fēng)能滿足室內(nèi)熱舒適的小時數(shù)代表每個城市只考慮氣候情況下的自然通風(fēng)潛力，代表城市全年自然通風(fēng)小時數(shù)如表1。只考慮室內(nèi)熱舒適時，夏熱冬暖地區(qū)的廣州有最大的自然通風(fēng)應(yīng)用潛力，可用自然通風(fēng)小時數(shù)占全年工作時間的49%（1399 h），其次是溫和地區(qū)的昆明（占42%，1214 h）、夏熱冬冷地區(qū)的上海（占1064 h）、寒冷地區(qū)的北京（817 h）和嚴(yán)寒地區(qū)的沈陽（805 h）。

表1 代表城市全年自然通風(fēng)小時數(shù)

各城市每月自然通風(fēng)可用小時數(shù)如圖8 所示，冬季（12 月、1 月、2 月）各城市自然通風(fēng)可用情況差異較大，沈陽和北京自然通風(fēng)小時數(shù)為0，上海也僅有19 h，昆明自然通風(fēng)潛力稍大（12 月可用51 h，1 月可用35 h，2 月可用48 h），廣州潛力最大（12 月可用91 h，1 月可用64 h，2 月可用66 h）。對比各城市自然通風(fēng)最有利時間，沈陽最有利時間在7 月（161 h），北京在8 月（149 h），上海在9 月（174 h），廣州在4 月（173 h），且廣州4-11 月每月可用自然通風(fēng)小時數(shù)均在100 h 以上。

可以發(fā)現(xiàn)，可用自然通風(fēng)小時數(shù)隨緯度上升呈下降趨勢。夏季由于月平均溫度差距不大，自然通風(fēng)潛力也沒有很大差距。在冬季，由于不同氣候區(qū)室外氣溫差異巨大，自然通風(fēng)潛力也有較大不同。夏熱冬暖地區(qū)在春秋兩季由于溫度適宜，有最大的自然通風(fēng)潛力，在夏季由于過高的溫度導(dǎo)致自然通風(fēng)可用時間減少。夏熱冬冷地區(qū)在冬季自然通風(fēng)潛力很小，在夏秋兩季有較大潛力。全年溫度平和，溫和地區(qū)在夏季有著絕對的自然通風(fēng)潛力優(yōu)勢，在春秋兩季，由于本文所用的室內(nèi)熱舒適模型限制，其可用自然通風(fēng)小時數(shù)有所減少，但在建筑室內(nèi)熱舒適要求不高、使用者可以接受更低的室內(nèi)溫度的情況下，溫和地區(qū)春秋季的自然通風(fēng)應(yīng)用潛力將會大大提高。對于嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)，過冷的氣溫導(dǎo)致冬季完全無法使用自然通風(fēng)，且由于嚴(yán)寒地區(qū)比寒冷地區(qū)氣溫低，所以相比寒冷地區(qū)，嚴(yán)寒地區(qū)在夏季可用自然通風(fēng)小時數(shù)更多，在春秋兩季可用小時數(shù)更少。

在本文研究中，所有氣候區(qū)的城市都因?yàn)闅夂蛞蛩赜幸话胍陨系臅r間無法使用自然通風(fēng)，這證明了氣候?qū)ψ匀煌L(fēng)應(yīng)用潛力的重要影響。

3.4 室外PM2.5 污染對自然通風(fēng)應(yīng)用潛力的影響

考慮室外PM2.5 對自然通風(fēng)的影響，排除掉室內(nèi)PM2.5 濃度超標(biāo)的自然通風(fēng)小時數(shù)，剩余的可用自然通風(fēng)小時數(shù)、損失的自然通風(fēng)小時數(shù)及其所占比例如表2 所示，其中由于PM2.5 污染損失的自然通風(fēng)潛力所占百分比=由于室內(nèi)PM2.5 濃度超標(biāo)損失的自然通風(fēng)小時數(shù)/只考慮氣候時的可用自然通風(fēng)小時數(shù)。剩余自然通風(fēng)可用小時數(shù)及損失小時數(shù)占總工作時間的比值如圖9 所示。

圖9 損失自然通風(fēng)小時數(shù)及剩余自然通風(fēng)小時數(shù)占總工作時間百分比

表2 考慮PM2.5 污染自然通風(fēng)應(yīng)用潛力結(jié)果

在室內(nèi)PM2.5 濃度不大于35 μg/m3的限制條件下，廣州依舊是通風(fēng)潛力最大的城市（1189 h），其次是昆明，上海，沈陽和北京。由于室外PM2.5 損失的自然通風(fēng)小時數(shù)與室外污染嚴(yán)重程度正相關(guān)，室外空氣質(zhì)量最好的昆明僅損失了28 h（占可用自然通風(fēng)小時數(shù)的2.3%）的可用自然通風(fēng)小時數(shù)，而污染最嚴(yán)重的北京受影響最大，損失了364 h（占可用自然通風(fēng)小時數(shù)的44.6%），其余城市損失小時數(shù)在200-300 h 之間。此時室內(nèi)污染物濃度限值較為寬松，室外空氣質(zhì)量好的城市，如昆明，自然通風(fēng)應(yīng)用潛力依舊主要被氣候因素決定。

在限制室內(nèi)PM2.5 濃度不大于10 μg/m3的情況下，室外空氣質(zhì)量最好的昆明是自然通風(fēng)應(yīng)用潛力最大的城市，其次是廣州、上海，空氣質(zhì)量最差的北京和沈陽潛力最小。所有城市此時都損失了大部分的自然通風(fēng)可用時間，剩余自然通風(fēng)可用小時數(shù)均在總工作時間的10%以下，且受氣候影響小的城市會有更多可用小時因PM2.5 因素而損失，如廣州和昆明的室外污染物濃度要小于其他城市，由于污染損失的自然通風(fēng)小時數(shù)卻大于其他城市，因此說明提高室外空氣質(zhì)量對氣候適宜自然通風(fēng)的城市會有更大的益處。

同時研究發(fā)現(xiàn)，污染物出現(xiàn)的季節(jié)是否有利于自然通風(fēng)也是影響污染物對自然通風(fēng)潛力影響程度的因素之一，若污染物出現(xiàn)在不適宜自然通風(fēng)的季節(jié)，則污染物對自然通風(fēng)的影響將大大被減弱，如北京沈陽，因其污染物多由于冬季取暖產(chǎn)生，而冬天又是氣候上的不適宜季節(jié)，所以此時污染物對自然通風(fēng)的影響大大減弱。

4 討論

將本文研究結(jié)果與既有的關(guān)于中國不同氣候區(qū)自然通風(fēng)潛力的研究結(jié)果進(jìn)行對比，本研究得出的基于氣候條件的不同氣候區(qū)自然通風(fēng)潛力排名（廣州＞上海＞北京＞沈陽）與Luo 等人[3]考慮室內(nèi)熱舒適及通風(fēng)率評估得出的結(jié)果（廣州＞上海＞北京＞烏魯木齊）相同。由于本研究針對辦公建筑選取了辦公建筑工作時間，而Luo 等人考慮了全年8760 小時，本文得出的嚴(yán)寒地區(qū)、寒冷地區(qū)和夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)可用小時所占工作時間的百分比要高于其結(jié)果，而夏熱冬暖地區(qū)要低于其結(jié)果，這說明對于工作時間不同的不同類型建筑其自然通風(fēng)潛力也會有所不同，在評估自然通風(fēng)潛力時考慮不同建筑類型的工作時間可以更準(zhǔn)確的針對某一類型建筑給出自然通風(fēng)使用建議。

與Tong 等人[4]的研究對比，由于其室內(nèi)溫度下限值為固定值12.8 ℃，而本文使用的適應(yīng)性熱舒適模型其下限值在15.85 ℃至24.53 ℃之間且隨室外溫度變化，這樣一個更嚴(yán)格的室內(nèi)可接受溫度范圍使得本文結(jié)果中昆明的自然通風(fēng)潛力遠(yuǎn)小于Tong 等人的結(jié)果，同時由于其采用的室外污染限制為AQI=100，在這一標(biāo)準(zhǔn)下，PM2.5 濃度可達(dá)75 μg/m3，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了標(biāo)準(zhǔn)中建議的PM2.5 濃度，而當(dāng)本文將PM2.5 濃度限制在更低的濃度時，自然通風(fēng)潛力明顯降低了很多，這說明在其研究中自然通風(fēng)潛力可能被高估了。

與Martins 和Carrilho[5]對北京和上海的自然通風(fēng)潛力評估結(jié)果對比，其將室外濃度限制在35 μg/m3時，北京和上海分別損失了68%和61%的自然通風(fēng)應(yīng)用潛力，比本研究中限制室內(nèi)濃度為35 μg/m3時損失的要多，說明當(dāng)室內(nèi)不存在PM2.5 散發(fā)源時，室內(nèi)污染物濃度在自然通風(fēng)時低于室外濃度，若以室外濃度為考慮因素評估自然通風(fēng)潛力，結(jié)果可能偏小。

相對于以往研究未考慮工作時間與非工作時間的差異、熱舒適評價方法不符合自然通風(fēng)建筑實(shí)際情況、污染物控制目標(biāo)不準(zhǔn)確等問題，本研究通過限定辦公建筑工作時間、考慮自然通風(fēng)建筑室內(nèi)外溫度及PM2.5 濃度關(guān)系、采用更合理的適應(yīng)性熱舒適模型評估室內(nèi)熱舒適情況、對室內(nèi)PM2.5 濃度進(jìn)行約束控制等方法提高了結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，對辦公建筑自然通風(fēng)的使用和控制具有更好的參考價值。

5 結(jié)論

本研究選取中國五個典型氣候區(qū)的代表城市，考慮室內(nèi)熱舒適及室內(nèi)PM2.5 濃度，采用EnergyPlus 模擬的方法，討論各氣候區(qū)辦公建筑自然通風(fēng)應(yīng)用潛力情況及PM2.5 污染對自然通風(fēng)的影響。所得主要結(jié)論如下：

1）僅考慮氣候因素，在辦公建筑工作時間內(nèi)，夏熱冬暖地區(qū)的廣州具有最大的自然通風(fēng)應(yīng)用潛力，其次是溫和地區(qū)的昆明，夏熱冬冷地區(qū)的上海，寒冷地區(qū)的北京和嚴(yán)寒地區(qū)的沈陽。

2）氣候因素使得各地區(qū)有50%以上的工作時間無法使用自然通風(fēng)，在冬季較為寒冷的北京和沈陽無法使用自然通風(fēng)的時間甚至達(dá)到了工作時間的70%以上。

3）考慮室外PM2.5 污染對自然通風(fēng)的影響，以35 μg/m3為室內(nèi)濃度限值時，不同城市自然通風(fēng)應(yīng)用潛力變化差異較大，空氣質(zhì)量最佳的昆明僅損失了2.3%的自然通風(fēng)應(yīng)用潛力，而室外污染最嚴(yán)重的北京則損失了44.5%。當(dāng)限值為10 μg/m3時，除昆明外，所有城市的自然通風(fēng)可用小時數(shù)都降到工作時間的10%以下。

4）綜合氣候及室外污染影響，室外PM2.5 對自然通風(fēng)的影響與污染物出現(xiàn)的時候氣候是否適宜自然通風(fēng)有關(guān)。