霧霾天氣對建筑光環境影響的定量化研究

劉　剛，魯世偉，黨　睿，郭晉生，劉　博

(1.天津大學建筑學院，天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津　300072；

2.北京建筑大學，綠色建筑與節能技術北京市重點實驗室，北京　100044)

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霧霾天氣對建筑光環境影響的定量化研究

劉剛1，魯世偉1，黨睿1，郭晉生2，劉博2

(1.天津大學建筑學院，天津市建筑物理環境與生態技術重點實驗室，天津300072；

2.北京建筑大學，綠色建筑與節能技術北京市重點實驗室，北京100044)

摘要：以霧霾天氣較為嚴重的天津市為樣本，收集市區空氣質量指數AQI逐時數據以衡量霧霾等級；同時持續監測霧霾天氣過程中太陽光照度和分光譜輻照度等參數。通過對比分析AQI與太陽光照度數據研究霧霾對人工照明開啟時間的量化影響；通過對比分析AQI與分光譜輻照度數據研究霧霾對天然采光質量的量化影響。研究結論得到了霧霾天氣對建筑光環境的量化影響規律，為相關研究提供數據支持。

關鍵詞：霧霾天氣；照度；顯色性；量化影響

引言

隨著工業、交通和城市化的發展，我國很多地區出現霧霾。京津冀地區、長三角、珠三角地區均出現了不同程度的空氣污染，按照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)評價標準，2014年邢臺、衡水等19個城市空氣質量達標天數比例不足50%。霧霾問題已經引發各方面的關注[1-2]。

學者針對霧霾天氣進行了大量研究，研究對象多為京津冀、長三角、珠三角等東部沿海發達地區[3-7]，同時也包括西安等中西部大中型城市[8]。張人禾等針對華北地區的一次罕見重度霧霾天氣的研究，探討了霧霾天氣的產生、演變與轉化及機理，研究結果表明，高壓天氣系統和靜風條件是霧霾形成和發展的重要原因[9]。除環境空氣顆粒物濃度外，地面風速、相對濕度、大氣層結穩定性等因素也是引起霧霾天氣的重要因素[1]。此外，眾多學者對霧霾天氣的主要污染源——氣溶膠粒子的物理特性進行了研究，以揭示霧霾過程的環境效果[10-11]。氣溶膠粒子的數濃度、尺度譜分布、化學性質等特性往往是決定其對人體健康和生態環境的重要因素[12-13]。霧霾天氣過程中大氣氣溶膠的濃度和理化性質會產生較大改變，從而影響氣溶膠的區域環境和氣候效應[14-18]，如氣溶膠的消光能力直接影響著霧霾天的能見度，其光學厚度(AOD)是表征氣溶膠消光性質的一個重要參數[19-20]。針對大面積霧霾事件導致的直接經濟損失評估顯示，僅2013年1月份的期間的霧霾事件造成的交通和健康的損失保守估計值約為230億元[21]。目前針對霧霾天氣的研究主要集中在氣象學領域，且多從霧霾天氣的形成機理、發展演化過程,霧霾天氣大氣氣溶膠的特性和輻射效應，進而推斷其氣候效應和經濟社會危害角度分析，而關于霧霾天氣對建筑光環境影響的定量化研究較少。霧霾天氣往往導致建筑光環境發生變化，改變照明時間和采光質量。

針對上述問題，本文利用太陽分光輻射計，對天津2015年冬季的一次完整霧霾過程中(3月3日—11日)，空氣質量指數AQI與太陽光相關照度變化規律進行研究，對比分析了兩者之間的相關關系，得到了空氣質量指數AQI與建筑光環境間的初步定量化結果。

1實驗設計

1.1實驗位置

室外太陽光相關照度測點位于天津大學建筑學院系館6層平臺(117°18′E,39.11′N，海拔約為20m)，測點周圍主要為教學科研區，無明顯污染源。測點距地面高度約為18m，周圍是開闊平臺，無遮擋和較強反射面。

研究所采用的空氣質量數據來自中國空氣質量在線監測分析平臺上公布的監測數據，選取監測點中距離太陽光相關照度測點最近的天津市監測中心站點(117°17′E，39°11′N，海拔約為10m)，兩者直線距離約1.2km。該站點位于天津市南開區境內，站點周邊主要為居民區，無較大的污染源。

1.2實驗儀器

本研究采用的柯尼卡美能達Soma S-2440/2441太陽分光輻射計，具有300～1100nm的測試波長范圍，5nm的半波寬，2.5～1000ms的曝光時間。配合定時觸發軟件，可以連續精確測得每分鐘的太陽光照度、輻照度、分光譜輻射照度等數值。

本文選取空氣質量指數AQI作為衡量霧霾天氣空氣質量的指標。空氣質量指數( AQI)是定量描述空氣質量狀況的無量綱指數，以數值的形式表述空氣質量狀況，便于公眾簡明、清楚地了解空氣質量的優劣程度，及時、準確地向公眾提供易于理解的當地空氣質量狀況，還可以用來進行環境現狀、回顧性評價和趨勢分析，因而在國內外被普遍應用。在2012年2月我國對環境空氣質量標準進行了第3次修訂，發布了《環境空氣質量指數(AQI) 技術規定(試行)》，規定了AQI的計算方法和發布要求。

2實驗數據

實驗在2015年3月3日到2015年3月11日進行了連續的監測和記錄，每天的測試時間為9：00—18：00，共10個小時，監測期間天空晴朗無云。其中2015年3月5日為中國傳統節日——元宵節，節日期間燃放了大量的煙花爆竹，導致AQI出現較大變化。測試共得到9天共100個小時的空氣質量指數逐時數據和6600個太陽光照度和太陽分光譜輻照度數值。

2.1監測期間測點處空氣質量指數AQI變化

圖1為3月3日—3月11日測點處空氣質量指數AQI的逐時變化序列。根據《環境空氣質量指數(AQI)技術規定(試行)》HJ 633-2012的規定，按照AQI指數大小對霧霾等級進行了劃分。數據顯示3月3日—3月5日、3月9日—3月11日AQI數值均較低，測試期間AQI日均值均小于等于70，其中3月4日均值為42，空氣質量等級為優；3月6日—3月8日AQI數值明顯增大，其中3月8日15：00數值為304，為嚴重污染。這一變化主要是因為3月5日元宵節期間燃放了大量的煙花爆竹，同時3月5日之后天氣晴朗無風，靜穩天氣導致了大氣中污染物質難以散去，最終使測點處經歷了一次完整的霧霾天氣。

圖1　監測期間監測點空氣質量指數AQI逐時變化序列Fig.1　Hourly change of AQI on monitoring point during monitoring

2.2監測期間測點處照度變化

圖2是3月3日—11日測點處太陽光照度數值逐時變化情況。可以發現監測期間每天的照度整體變化趨勢相同，即早晚照度小，午間照度最大。霧霾天氣下，早上測點照度達到穩定狀態的時間較非霧霾天晚，而下午照度由穩定狀態開始減少的時間提前；從照度數值來看，霧霾天氣的照度數值整體低于非霧霾天。

圖2　監測期間監測點照度數值逐時變化序列Fig.2　Minutely change of illuminance on monitoringpoint during monitoring

3數據分析

3.1霧霾天氣對建筑采光照度影響

由圖2可知，監測期間測點處照度數值變化較大，其中3月6日—3月8日照度數值明顯減小。按照《建筑采光設計標準》GB 50033—2013的規定，3月8日14：30—15：30測點處照度數值已經小于室外設計照度值15000lx，需進行人工照明補充，而3月4日同一時刻的照度值大于25000lx。

為進一步分析空氣質量指數AQI與建筑采光數量的關系，選取3月4日和3月8日作為典型非霧霾日和典型霧霾日，比較兩天中同一時刻照度差值與AQI差值的關系，如圖3所示。圖中面積圖和散點圖分別為兩天中同一時刻的照度差值和AQI差值。從照度差值數值來看，兩天中晝間照度差值基本在5000lx以上，且在09：30、15：00出現兩個峰值，達到14000lx左右。而照度變化趨勢則呈現早上(09：00—11：00)、下午(14：00—16：00)差值大，中午(11：00—14：00)差值小。

結合AQI差值變化趨勢進一步分析照度變化原因。12：00—18：00時段，照度差值與AQI差值呈正相關關系，這主要是因為隨著空氣中霧霾顆粒增多，其對太陽光有消光散射作用，導致測試點處照度數值減小；相關研究顯示地面空氣濕度增大，大氣中吸濕性粒子膨脹，導致大氣氣溶膠光學厚度增加，進而影響測點照度；隨著太陽輻照度增強、氣溫上升、相對濕度降低，光學厚度減小，對照度影響減小[4]。通過查閱測試當天的氣象資料，3月4日早間空氣濕度較大，造成當日早間測點照度值偏小，導致兩天中此時段照度差值與AQI差值關系規律不明顯。

圖3　3月4日與3月8日同一時刻照度差值與AQI差值變化趨勢Fig.3　The changing trend of the difference of illuminationand the difference of AQI at the same time duringbetween March 4th and March 6th

按照《建筑采光設計標準》GB 50033—2013的規定，對于三類光氣候區的室外設計照度值定為15000lx，根據這一照度和采光系數標準值換算出來的室內天然光照度值與人工照明的照度值相對應，只要滿足這些照度值，工作場所就可以全部利用天然光照明，當室外照度低于室外照度設計值時，室內即需要使用人工照明進行補充。因此本文以15000lx為準，比較監測期間不同AQI下室外照度第一次達到15000lx的時間。表1為監測期間照度數值與對應時間的AQI數值，表中室外照度達到15000lx時間為儀器檢測到的測點第一次出現小于15000lx的時間(以分鐘為單位)。以2015年3月3日為相對零點，計算出的每天照度達到15000lx的相對時間。表中負值表示該日照度達到15000lx的相對時間較3月3日提前。使用統計軟件SPSS分析AQI數值與室外照度達到15000lx的時間的相關性，得到兩者相關系數為-0.915，P<0.01，二者顯著相關性。由此可見空氣質量指數AQI直接影響到建筑室內使用人工照明的時間，其中3月6日室內開燈時間較3月3日提前半小時。室內人工照明時間增加必將加大照明能耗。

表1　監測點照度達到室外設計照度的時間與

3.2霧霾天氣對太陽光顯色性影響

為分析霧霾天氣下太陽光顯色性的變化，以3月4日和3月8日兩天為例，取光譜中的410nm、440nm、460nm、550nm、570nm、610nm、660nm 7個典型波段的輻射照度值進行分析，見圖4。從太陽光輻照度數值上來看，兩天中570nm、610nm、660nm三個波段單色光輻照度數值均相對較高，分析其原因是非霧霾天氣時大氣中存在大量氣溶膠粒子，且其粒徑多集中在20～90nm，光的波長越接近此數值，相應的吸收、散射、折射作用越強，而以上三種波段波長相對較長，傳播中損失相對較小，因此測點接受到的輻照度值較大；霧霾天氣時空氣中氣溶膠濃度增大，尤其是粒徑較大的粒子如PM10往往對長波段的光影響更大，導致570nm黃色光、610nm橙色光兩個波段輻照度數值減小。

圖4　測點處分光譜照度變化序列Fig.4　Minutely change of spectrum irradiance on monitoring point

為進一步分析霧霾天氣對各波長單色光的影響，比較3月4日與3月8日兩天同一時刻的測點處各波長輻照度差值與AQI差值的關系。由圖5可見，受AQI變化影響較大的是570nm、610nm、660nm三個波段的光，而其余波段的光則受影響較小，太陽光譜中長波部分的減弱會導致對黃紅等顏色的表達減弱，使物體看起來發青發烏，長期處于這種光環境中將對人的心理和生理產生影響。

圖5　3月4日與3月8日相同波段的太陽光輻照度逐時差值與AQI數值變化序列Fig.5　The changing trend of the difference of spectrum irradianceand the difference of AQI at the same time during betweenMarch 4th and March 6th

4結論

1)2015年3月3—3月11日，測點處經歷了一次完整的霧霾天氣過程。典型霧霾日和非典型霧霾日的室外照度數據顯示，當AQI差值為253時(15:00)，測點處照度差值達到13622lx，當AQI差值為83時(18:00)，測點處照度差值為223lx，因此霧霾天照度減小值與AQI數值之間存在一定相關性。霧霾天照度值的減小將延長室內人工照明時間，增大照明能耗。霧霾日室內開始采用人工照明進行補光時間最高可提前30min，使用統計軟件SPSS分析開燈提前時間與AQI數值之間相關，-0.915，P<0.01，故兩者顯著相關。

2)霧霾天氣太陽光中的可見光7個典型波段的輻照度受到影響不同，570nm、610nm、660nm三個長波波段受影響較大，其中610nm的橙色光輻照度在典型霧霾日減小48μW/cm2，減小幅度達73%。太陽光譜的改變會導致太陽光顯色性發生變化，進而改變霧霾天氣中物體顏色，影響人體心理和生理健康。

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The Quantitative Research on the Impact of Haze

on Building Light Environment

Liu Gang1, Lu Shiwei1, Dang Rui1, Guo Jinsheng2, Liu Bo2

(1.SchoolofArchitectureTianjinUniversity,TianjinKeyLaboratoryofArchitecturalPhysicsandEnvironmental

Technology，Tianjin300072，China；2.BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,

BeijingKeyLaboratoryofGreenBuildingandEnergy-efficiencyTechnology,Beijing100044，China)

Abstract：In this paper, Tianjin (one of the cities with the most serious haze problem in China) was taken as an example to study the impact on building light environment. Firstly, the real-time air quality index data AQI of Tianjin was collected to measure the level(s) of haze. At the same time, researchers monitor the solar illuminance and the spectral solar irradiance in the fog and haze weather. The researchers study the quantitative impact of the haze on the indoor artificial lighting time by comparing the AQI and solar illuminance and the quantitative impact of the haze on the daylighting quality. The research conclusions show the quantitative influence on the building light environment and provide data support for related research.

Key words:haze; illuminance; color rendering; quantization effect

通訊作者：黨睿，EMAIL:dr_tju@163.com

基金項目：國家自然科學基金重點項目(項目編號51338006)、高等學校學科創新引智計劃(項目編號B13011)、綠色建筑與節能技術北京市重點實驗室開放基金

中圖分類號：TU 113

文獻標識碼：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.005