探究PM2.5 对办公建筑自然通风应用潜力的影响

徐峥 刘红

重庆大学土木学院

0 引言

随着经济的发展，人们节能意识及健康意识的提高，建筑节能及室内空气品质受到了越来越多人的关注。自然通风作为一种不消耗电能的改善室内空气质量的潜在方法，引起了越来越多研究者的兴趣。但自然通风的使用受到很多因素的影响，如室外气候、空气污染、噪音等对室内环境的影响就不可忽视[1]。因此，研究自然通风潜力时应综合考虑这些因素。

由于使用自然通风时新风不经过过滤装置而直接进入室内，相比于使用机械通风或空调装置，更容易使室内环境受到室外污染物的影响，尤其在中国，室外PM2.5 污染的存在使得自然通风时室内PM2.5 浓度可能超标，对人体健康造成危害。现有的关于自然通风潜力的研究多着眼于室外气候对自然通风的影响，但缺乏综合考虑气候及室外PM2.5 浓度影响的研究。Yang 等人[2]在2005 年提出了压差小时数（PDPH）评估自然通风潜力的方法，Luo 等人[3]在其基础上增加了对室内适应性热舒适的考虑，得到了更接近实际情况的自然通风潜力结果，研究发现，考虑室内热舒适后，城市自然通风应用潜力相比只考虑风压时得到的结果有了较大减小，但上述两个实验都未考虑污染对自然通风的影响。Tong 等人[4]根据室外气温及空气质量情况对中国76 个城市的自然通风可用小时数及35 个主要城市的自然通风节能潜力进行了评估，但其研究缺乏对室内热舒适的考虑，且采用了AQI=100 的室外污染情况限值，未考虑到室内PM2.5 污染情况，所选可用自然通风小时内的室内PM2.5 浓度可能超过标准限值，其所得自然通风潜力结果可能过高。Martins 和Carrilho[5]研究了室外PM2.5 浓度与自然通风时室内人员PM2.5 暴露的关系，Chen 等人[6-7]以室内PM2.5浓度为判断自然通风是否可用的依据评估了美国12个城市的自然通风潜力，但缺少对室内热舒适的考虑。综上，现有研究要么只考虑了室内热舒适对自然通风潜力的影响，要么只考虑了室外PM2.5 浓度对自然通风潜力的影响。很少有研究综合考虑更符合实际情况的室内热舒适优化评价方法以及限定室内PM2.5浓度值对自然通风潜力的影响。

为弥补上文总结的当前办公建筑自然通风应用潜力评估研究中的不足，本研究综合考虑了室内热舒适评价及限定室内PM2.5 浓度对自然通风潜力的影响，用更符合实际情况的适应性室内热舒适评价方法及更关乎建筑使用者健康的室内PM2.5 浓度作为评判标准来评估办公建筑自然通风应用潜力。通过模拟自然通风时室内热环境及PM2.5 浓度，选取工作时间内满足室内热舒适及室内PM2.5 浓度限制的小时数代表自然通风应用潜力，评估中国不同气候区办公建筑自然通风应用潜力，并讨论不同气候及PM2.5 污染对自然通风应用潜力的影响。

1 模拟方法

1.1 模拟流程

本研究选取中国五个典型气候区的代表城市（严寒地区的沈阳，寒冷地区的北京，夏热冬冷地区的上海，温和地区的昆明和夏热冬暖地区的广州），在EnergyPlus 软件中建立办公建筑模型，对各城市自然通风时的室内环境进行模拟，得到全年逐时室内温度及室内PM2.5 浓度。通过输入建筑模型，气候文件以及全年室外逐时PM2.5 浓度数据，EnergyPlus 可结合建筑整体情况在热平衡及质量守恒的基础上进行模拟计算，其中Airflow Network 模块可实现自然通风气流模拟，而Generic Contaminant Model 模块可实现结合室内热环境的逐时室内PM2.5 浓度模拟。模拟所用天气文件来自CSWD 气象数据源，全年室外PM2.5 浓度逐时值来自中国国家环境检测中心数据[8]。

1.2 物理模型

为使模拟结果具有一定代表性，本研究回顾了以往针对办公建筑的模拟中所用模型，并最终选择了Yu所用模型作为参考[8]。本研究模型为一栋五层楼的办公建筑，建筑平面边长35.2 m，层高3.6 m，窗墙比为50%，模型示意图及建筑平面层示意图如图1，2 所示。由于不同气候区气候差异巨大，本研究中不同气候区围护结构按照公共建筑节能设计标准GB50189-2015中不同气候区的公共建筑围护结构热工性能限值设定。办公建筑系统工作时间为周一至周五的7:00-18:00，设备负荷密度为15 W/m2，照明功率密度为9 W/m2，人员密度为10 m2/人，室内设备灯光开关情况及人员在室率等均参考公共建筑节能设计标准设定。

图1 模型示意图

图2 模型平面层示意图

2 自然通风应用潜力评估方法

2.1 室内热舒适要求

在已有研究中，大多数研究都直接使用了室外温度作为评判自然通风是否能满足室内热环境的标准，而忽略了室内得热及围护结构对室内热环境产生的影响，为了得到更准确的结果，本文选取模拟得到的室内温度来评判室内热舒适是否满足要求。同时，研究表明，相比于空调建筑，在自然通风建筑中使用者可以接受更高的温度并适应更宽的舒适温度范围[10]，在这种情况下使用在稳态空调环境中建立的PMV 热舒适评价指标会产生较大误差，而考虑了室外气候影响及人体自身适应性的适应性热舒适模型更适合这样的自然通风情况[11-12]。所以本研究采取适应性热舒适模型以得到更符合实际情况的室内热舒适结果，在该评价指标中，室内舒适温度与室外月平均温度相关，采用80%的可接受度时舒适区间的上下限为：

式中：tout为室外月平均温度，℃，当室外温度低于0 ℃或高于40 ℃时，自然通风不可用。

根据每月的月平均温度计算得到当月的热舒适区间，当模拟得到的室内温度落在热舒适区间内时，认为自然通风能满足室内热舒适要求。

2.2 室内空气质量要求

针对室内空气质量，本文着重研究PM2.5 污染的影响。通过文献综述发现以往针对PM2.5 对自然通风的影响研究多以室外PM2.5 浓度为评判标准，而忽略了室内外浓度的关系，本研究通过模拟室内PM2.5 浓度，设定室内PM2.5 浓度限值，保证自然通风时室内PM2.5 浓度达标。研究中选取了两个不同的PM2.5 浓度限值，分别是中国环境空气质量标准[13]中设定的35 μg/m3及世界卫生组织（WHO）[14]设定的更为严格的10 μg/m3。

为讨论PM2.5 对自然通风潜力的影响，本研究设定了如下三种自然通风应用潜力评价方案：

1）NV：当室内温度满足热舒适要求时认为自然通风可用（基础方案）。

2）NV10：当室内温度满足热舒适要求且室内PM2.5 浓度低于10 μg/m3时认为自然通风可用。

3）NV35：当室内温度满足热舒适要求且室内PM2.5 浓度低于35 μg/m3时认为自然通风可用。

其中NV 为只考虑气候影响时的自然通风应用潜力，NV10 及NV35 为同时考虑气候和PM2.5 影响时的自然通风应用潜力，通过对比不同方案下得到的自然通风应用潜力结果来讨论室外PM2.5 对自然通风应用潜力的影响。

3 结果

3.1 代表城市室外气候及PM2.5 污染情况

为分析室外气候及PM2.5 浓度对自然通风的影响，先对所选五个代表城市的室外温度及室外污染物浓度数据进行整理分析。室外月平均气温如图3 所示，昆明气候较为特殊，全年气温稳定，月平均温度在8～21 ℃之间。除昆明外所有城市四季气温变化明显，冬季不同气候区城市气温差异较大，沈阳及北京月平均温度均低于0 ℃，而夏季城市月平均温度差异较小，差异最小的7 月各城市平均温度均在25～30 ℃之间。

图3 代表城市月平均温度

城市室外PM2.5 污染情况如图4、图5 所示，就整体污染情况来看，北京污染最严重，其次是沈阳、上海、广州和昆明。对比全年污染物浓度变化情况，沈阳及北京在10 月、11 月、12 月PM2.5 浓度增长明显且远远高于其他城市，其余城市全年PM2.5 污染情况变化不大。

图4 代表城市室外PM2.5 污染情况

图5 代表城市月平均室外PM2.5 浓度

3.2 室内环境模拟结果

室内温度模拟结果如图6 所示，建筑使用自然通风时，室内温度不会像使用空调时一样维持在一个恒定值，而是落在一个较大的范围内。并且由于室内与室外之间的热传递，各城市全年室内温度与室外气温具有大致相同的变化趋势。

图6 模拟所得各城市室内逐时温度

模拟所得城市室内PM2.5 浓度分布如图7 所示，对比室内外PM2.5 浓度分布发现，建筑室内浓度始终低于室外浓度，这说明建筑围护结构对室外PM2.5 有一定阻隔作用。并且室内PM2.5 浓度分布范围及最大浓度值与室外PM2.5 污染严重程度成正比，室外空气质量最好的昆明，室内PM2.5 整体浓度也最小且浓度维持在一个较小的范围内。

图7 模拟所得各城市室内污染物浓度

3.3 不考虑PM2.5 的影响时各气候区自然通风应用潜力

根据模拟所得自然通风时的室内情况，考虑办公建筑工作时间选出自然通风能满足室内热舒适的小时数代表每个城市只考虑气候情况下的自然通风潜力，代表城市全年自然通风小时数如表1。只考虑室内热舒适时，夏热冬暖地区的广州有最大的自然通风应用潜力，可用自然通风小时数占全年工作时间的49%（1399 h），其次是温和地区的昆明（占42%，1214 h）、夏热冬冷地区的上海（占1064 h）、寒冷地区的北京（817 h）和严寒地区的沈阳（805 h）。

表1 代表城市全年自然通风小时数

各城市每月自然通风可用小时数如图8 所示，冬季（12 月、1 月、2 月）各城市自然通风可用情况差异较大，沈阳和北京自然通风小时数为0，上海也仅有19 h，昆明自然通风潜力稍大（12 月可用51 h，1 月可用35 h，2 月可用48 h），广州潜力最大（12 月可用91 h，1 月可用64 h，2 月可用66 h）。对比各城市自然通风最有利时间，沈阳最有利时间在7 月（161 h），北京在8 月（149 h），上海在9 月（174 h），广州在4 月（173 h），且广州4-11 月每月可用自然通风小时数均在100 h 以上。

可以发现，可用自然通风小时数随纬度上升呈下降趋势。夏季由于月平均温度差距不大，自然通风潜力也没有很大差距。在冬季，由于不同气候区室外气温差异巨大，自然通风潜力也有较大不同。夏热冬暖地区在春秋两季由于温度适宜，有最大的自然通风潜力，在夏季由于过高的温度导致自然通风可用时间减少。夏热冬冷地区在冬季自然通风潜力很小，在夏秋两季有较大潜力。全年温度平和，温和地区在夏季有着绝对的自然通风潜力优势，在春秋两季，由于本文所用的室内热舒适模型限制，其可用自然通风小时数有所减少，但在建筑室内热舒适要求不高、使用者可以接受更低的室内温度的情况下，温和地区春秋季的自然通风应用潜力将会大大提高。对于严寒及寒冷地区，过冷的气温导致冬季完全无法使用自然通风，且由于严寒地区比寒冷地区气温低，所以相比寒冷地区，严寒地区在夏季可用自然通风小时数更多，在春秋两季可用小时数更少。

在本文研究中，所有气候区的城市都因为气候因素有一半以上的时间无法使用自然通风，这证明了气候对自然通风应用潜力的重要影响。

3.4 室外PM2.5 污染对自然通风应用潜力的影响

考虑室外PM2.5 对自然通风的影响，排除掉室内PM2.5 浓度超标的自然通风小时数，剩余的可用自然通风小时数、损失的自然通风小时数及其所占比例如表2 所示，其中由于PM2.5 污染损失的自然通风潜力所占百分比=由于室内PM2.5 浓度超标损失的自然通风小时数/只考虑气候时的可用自然通风小时数。剩余自然通风可用小时数及损失小时数占总工作时间的比值如图9 所示。

图9 损失自然通风小时数及剩余自然通风小时数占总工作时间百分比

表2 考虑PM2.5 污染自然通风应用潜力结果

在室内PM2.5 浓度不大于35 μg/m3的限制条件下，广州依旧是通风潜力最大的城市（1189 h），其次是昆明，上海，沈阳和北京。由于室外PM2.5 损失的自然通风小时数与室外污染严重程度正相关，室外空气质量最好的昆明仅损失了28 h（占可用自然通风小时数的2.3%）的可用自然通风小时数，而污染最严重的北京受影响最大，损失了364 h（占可用自然通风小时数的44.6%），其余城市损失小时数在200-300 h 之间。此时室内污染物浓度限值较为宽松，室外空气质量好的城市，如昆明，自然通风应用潜力依旧主要被气候因素决定。

在限制室内PM2.5 浓度不大于10 μg/m3的情况下，室外空气质量最好的昆明是自然通风应用潜力最大的城市，其次是广州、上海，空气质量最差的北京和沈阳潜力最小。所有城市此时都损失了大部分的自然通风可用时间，剩余自然通风可用小时数均在总工作时间的10%以下，且受气候影响小的城市会有更多可用小时因PM2.5 因素而损失，如广州和昆明的室外污染物浓度要小于其他城市，由于污染损失的自然通风小时数却大于其他城市，因此说明提高室外空气质量对气候适宜自然通风的城市会有更大的益处。

同时研究发现，污染物出现的季节是否有利于自然通风也是影响污染物对自然通风潜力影响程度的因素之一，若污染物出现在不适宜自然通风的季节，则污染物对自然通风的影响将大大被减弱，如北京沈阳，因其污染物多由于冬季取暖产生，而冬天又是气候上的不适宜季节，所以此时污染物对自然通风的影响大大减弱。

4 讨论

将本文研究结果与既有的关于中国不同气候区自然通风潜力的研究结果进行对比，本研究得出的基于气候条件的不同气候区自然通风潜力排名（广州＞上海＞北京＞沈阳）与Luo 等人[3]考虑室内热舒适及通风率评估得出的结果（广州＞上海＞北京＞乌鲁木齐）相同。由于本研究针对办公建筑选取了办公建筑工作时间，而Luo 等人考虑了全年8760 小时，本文得出的严寒地区、寒冷地区和夏热冬冷地区自然通风可用小时所占工作时间的百分比要高于其结果，而夏热冬暖地区要低于其结果，这说明对于工作时间不同的不同类型建筑其自然通风潜力也会有所不同，在评估自然通风潜力时考虑不同建筑类型的工作时间可以更准确的针对某一类型建筑给出自然通风使用建议。

与Tong 等人[4]的研究对比，由于其室内温度下限值为固定值12.8 ℃，而本文使用的适应性热舒适模型其下限值在15.85 ℃至24.53 ℃之间且随室外温度变化，这样一个更严格的室内可接受温度范围使得本文结果中昆明的自然通风潜力远小于Tong 等人的结果，同时由于其采用的室外污染限制为AQI=100，在这一标准下，PM2.5 浓度可达75 μg/m3，这远远超过了标准中建议的PM2.5 浓度，而当本文将PM2.5 浓度限制在更低的浓度时，自然通风潜力明显降低了很多，这说明在其研究中自然通风潜力可能被高估了。

与Martins 和Carrilho[5]对北京和上海的自然通风潜力评估结果对比，其将室外浓度限制在35 μg/m3时，北京和上海分别损失了68%和61%的自然通风应用潜力，比本研究中限制室内浓度为35 μg/m3时损失的要多，说明当室内不存在PM2.5 散发源时，室内污染物浓度在自然通风时低于室外浓度，若以室外浓度为考虑因素评估自然通风潜力，结果可能偏小。

相对于以往研究未考虑工作时间与非工作时间的差异、热舒适评价方法不符合自然通风建筑实际情况、污染物控制目标不准确等问题，本研究通过限定办公建筑工作时间、考虑自然通风建筑室内外温度及PM2.5 浓度关系、采用更合理的适应性热舒适模型评估室内热舒适情况、对室内PM2.5 浓度进行约束控制等方法提高了结果的真实性和准确性，对办公建筑自然通风的使用和控制具有更好的参考价值。

5 结论

本研究选取中国五个典型气候区的代表城市，考虑室内热舒适及室内PM2.5 浓度，采用EnergyPlus 模拟的方法，讨论各气候区办公建筑自然通风应用潜力情况及PM2.5 污染对自然通风的影响。所得主要结论如下：

1）仅考虑气候因素，在办公建筑工作时间内，夏热冬暖地区的广州具有最大的自然通风应用潜力，其次是温和地区的昆明，夏热冬冷地区的上海，寒冷地区的北京和严寒地区的沈阳。

2）气候因素使得各地区有50%以上的工作时间无法使用自然通风，在冬季较为寒冷的北京和沈阳无法使用自然通风的时间甚至达到了工作时间的70%以上。

3）考虑室外PM2.5 污染对自然通风的影响，以35 μg/m3为室内浓度限值时，不同城市自然通风应用潜力变化差异较大，空气质量最佳的昆明仅损失了2.3%的自然通风应用潜力，而室外污染最严重的北京则损失了44.5%。当限值为10 μg/m3时，除昆明外，所有城市的自然通风可用小时数都降到工作时间的10%以下。

4）综合气候及室外污染影响，室外PM2.5 对自然通风的影响与污染物出现的时候气候是否适宜自然通风有关。