室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度確定方法研究

唐波 高軍

同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

0 引言

近年來我國的霧霾天氣受到了廣泛的關(guān)注，建筑室內(nèi)細(xì)顆粒物的控制成為室內(nèi)環(huán)境研究的重點(diǎn)問題。研究表明室內(nèi)PM2.5有55%～75%來自于室外[1]，大氣顆粒物進(jìn)入室內(nèi)的主要途徑為調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)，自然通風(fēng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙穿透以及人員攜帶等[2]。新風(fēng)過濾系統(tǒng)在機(jī)械新風(fēng)系統(tǒng)中加入過濾器，可有效解決室外PM2.5通過新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)造成污染的問題。室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度為空氣過濾器效率設(shè)計(jì)計(jì)算的重要參數(shù)，很大程度上決定了新風(fēng)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)室內(nèi)PM2.5的濃度水平[3]。

目前我國對室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度的選擇尚未形成明確統(tǒng)一的方法。現(xiàn)有研究中對室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度的確定方法有：室內(nèi)不保證率[4]、不保證天數(shù)[2，5，6]、不保證小時(shí)數(shù)[4]、室外不保證率[3，7，8]等。中國建筑科學(xué)研究院提出的室內(nèi)“不保證率”為室內(nèi)PM2.5濃度滿足設(shè)計(jì)要求的總天數(shù)占一個(gè)日歷年總天數(shù)的百分比。而室內(nèi)PM2.5濃度水平不僅僅與室外大氣中的PM2.5濃度有關(guān)，還與室內(nèi)顆粒物散發(fā)源強(qiáng)度，建筑類型和使用功能等等有關(guān)。根據(jù)室內(nèi)PM2.5的濃度值的“保證率”不能直接計(jì)算出室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度。我國對大氣污染物（包括 SO2、NOx、PM10、PM2.5 等）濃度的監(jiān)測工作從2013年開始[9]，積累和可供分析的數(shù)據(jù)較少，按照不保證小時(shí)數(shù)法確定室外PM2.5濃度需要大量的歷年P(guān)M2.5逐時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)我國對PM2.5濃度的限值標(biāo)準(zhǔn)為日平均值，因此國內(nèi)并未采用不保證小時(shí)數(shù)作為室外的確定方法。

室外不保證率和不保證天數(shù)這兩種確定方法都是計(jì)算室外PM2.5日平均濃度超過室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度的天數(shù)[3，10]。目前對于室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度的確定中更傾向于采用不保證天數(shù)法，但是不同的文獻(xiàn)中采用不保證天數(shù)法計(jì)算的方式有一定的差異，同時(shí)不保證天數(shù)尚未形成統(tǒng)一的意見，從5天到20天的計(jì)算值都有。

本文基于全國374個(gè)地級市的環(huán)境氣象資料（2013-2016年50個(gè)城市室外PM2.5逐時(shí)濃度值），結(jié)合新風(fēng)過濾器過濾效率的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，給出不保證天數(shù)的合理取值和最優(yōu)的確定方法。為工程界制定室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)時(shí)提供參考，為全國各主要城市新風(fēng)過濾器的設(shè)計(jì)選型提供參考。

1 方法

1.1 室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度的確定方法

目前我國對室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度確定方法的研究更傾向于采用不保證天數(shù)法，但是對于全國氣象數(shù)據(jù)量較少的情況，目前采用不保證天數(shù)法進(jìn)行計(jì)算出現(xiàn)了多種計(jì)算方法。本文通過對已有的計(jì)算方法進(jìn)行了總結(jié)，發(fā)現(xiàn)了不保證天數(shù)法可以分為以下三種計(jì)算方式：

1）歷年不保證天數(shù)法

式中：Cj,i表示第j年不保證天數(shù)為i天的室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度值；C1,C2,……C365為某一個(gè)日歷年中室外PM2.5日平均濃度，假設(shè)一個(gè)日歷年的天數(shù)為365天，將365天的室外PM2.5日平均濃度按照降序依次排列，取第i+1個(gè)值表示為不保證天數(shù)為i天的室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度；j為年份，若已有4年（2013-2016年）的氣象數(shù)據(jù)，則每一年均會產(chǎn)生1組不保證天數(shù)為i天的室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度，因此本文j=2013,2014,2015,2016。

2）歷年不保證天數(shù)的平均值

3）歷年平均不保證值

式中：Ci表示n年中歷年平均不保證i天室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度值，將n年的室外PM2.5日平均濃度按照降序排列，取第i*n+1個(gè)值作為平均不保證i天的室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度值，對于n年，總共的不保證天數(shù)為i*n天。

通過以上三種計(jì)算方法確定的設(shè)計(jì)濃度一共有n+2個(gè)，其中n為獲得氣象數(shù)據(jù)的年數(shù)，本次研究n=4。以北京市為例，PM2.5室外設(shè)計(jì)濃度按照不同方法的計(jì)算結(jié)果如圖1所示。

圖1 北京市PM2.5室外設(shè)計(jì)濃度

1.2 新風(fēng)過濾器選型

建筑室內(nèi)PM2.5濃度的來源主要來自于空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙的穿透，室內(nèi)污染源以及人體的帶入。由于室內(nèi)污染源散發(fā)濃度較難確定，同時(shí)室外空氣中的PM2.5通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的門窗縫隙穿透進(jìn)入室內(nèi)，受不同地區(qū)，不同建筑類型以及建筑使用情況等影響，通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙的穿透較難確定。因此，新風(fēng)過濾器的選型不考慮室內(nèi)顆粒物散發(fā)源，圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙穿透以及人員的帶入量等，僅考慮室外PM2.5通過新風(fēng)進(jìn)行進(jìn)入室內(nèi)的情況。新風(fēng)過濾器對新風(fēng)中PM2.5的過濾效率按照式（4）進(jìn)行計(jì)算：

式中：η為新風(fēng)過濾器的計(jì)算過濾效率；Ci為室內(nèi)PM2.5 設(shè)計(jì)濃度值，根據(jù)文獻(xiàn)和規(guī)范[5，11]取 35 μg/m3；Co為PM2.5室外設(shè)計(jì)濃度值，μg/m3。

根據(jù)上述不同的計(jì)算方法計(jì)算得到的PM2.5室外設(shè)計(jì)濃度后，再按照新風(fēng)過濾器的過濾效率公式計(jì)算對應(yīng)的過濾效率，可得各種確定方法下新風(fēng)過濾器的過濾效率，北京市新風(fēng)過濾效率計(jì)算結(jié)果則如圖2所示。

圖2 北京市新風(fēng)過濾效率計(jì)算結(jié)果

1.3 不保證天數(shù)的范圍

在實(shí)際的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，過濾效率應(yīng)根據(jù)空氣過濾器的過濾效率確定。空氣過濾器的過濾效率可通過過濾等級劃分。本文參考文獻(xiàn)對不同過濾等級過濾器實(shí)測的計(jì)重效率，如表1所示。所選用的過濾器計(jì)重效率不能低于計(jì)算所需要的過濾效率，圖3為北京市新風(fēng)過濾器的選型結(jié)果。

表1 空氣過濾器的PM2.5過濾效率

圖3 北京市新風(fēng)過濾器選型

過濾器的過濾等級不同，過濾效率不同，同時(shí)過濾器的初阻力，單位面積容塵量和容塵阻力特性均不同，風(fēng)機(jī)運(yùn)行能耗和過濾器的使用壽命也不同。因此，選取合理過濾等級的過濾器對新風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分必要的。本文通過計(jì)算各過濾等級下的過濾器在全年逐時(shí)數(shù)據(jù)下（即8760小時(shí)逐時(shí)PM2.5濃度值）過濾后新風(fēng)送風(fēng)的PM2.5濃度值不滿足室內(nèi)PM2.5設(shè)計(jì)濃度要求的小時(shí)數(shù)，如式（5）所示，以判斷過濾器是否能滿足設(shè)計(jì)要求，從而確定合理的過濾等級。其中，Ci為新風(fēng)送風(fēng)PM2.5濃度，C0為室內(nèi)PM2.5設(shè)計(jì)濃度。

以北京市為例，北京市不保證50天內(nèi)過濾器等級為3級（H11、H10、F9），將對應(yīng)的過濾效率代入北京市逐時(shí)室內(nèi)PM2.5濃度進(jìn)行計(jì)算，得出的不滿足小時(shí)數(shù)分別為37 h、0 h、0 h，因此在過濾效果上，采用H10和H11的新風(fēng)過濾器均可完全滿足要求。考慮到采用高等級的過濾器會增加新風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行的能耗和費(fèi)用，因此北京市使用過濾等級為H10的過濾器比較合適。

在確定了合理的過濾等級之后（如北京市H10），不同確定方法的不保證天數(shù)范圍也可以確定。將這個(gè)不保證天數(shù)范圍假設(shè)為[ds,de]，ds表示最小的不保證天數(shù)，最小值為0，定義為起點(diǎn)；de表示最大的不保證天數(shù)，定義為終點(diǎn)。根據(jù)以上計(jì)算規(guī)則，可計(jì)算出全國各城市在合理的過濾等級上不保證天數(shù)的范圍[ds,de]。合理的不保證天數(shù)范圍最好能夠同時(shí)滿足各城市以及各種確定方法，因此可以表示為[ds,max,de,min]，ds,max表示所有城市在不同確定方法下得到的起點(diǎn)ds,最大值，de,min表示所有城市在不同確定方法下得到的終點(diǎn)de的最小值。

1.4 各種確定方法之間的比較

城市逐年的污染情況不同，則各確定方法得出的不保證天數(shù)的范圍有一定的差異。

在相同的過濾等級下，起點(diǎn)ds和終點(diǎn)de越小，則說明該確定方法計(jì)算的污染物濃度水平越低。當(dāng)起點(diǎn)ds越小，則說明采用該方法確定的最高的室外PM2.5濃度越低。過濾器等級越級表示通過計(jì)算得到的過濾器等級比合理的過濾器等級大。在給定的不保證天數(shù)下，采用該方法確定的室外PM2.5濃度值偏低，經(jīng)過計(jì)算得出過濾器等級越級的可能性小。當(dāng)終點(diǎn)de越小，表明可能更容易進(jìn)入下一個(gè)過濾等級，使用低等級的過濾器會導(dǎo)致室內(nèi)污染物濃度水平不滿足要求。對于不同的確定方法，其起點(diǎn)ds越小越好，終點(diǎn)de越大越好。

2 結(jié)果

2.1 新風(fēng)過濾器等級

本文結(jié)合全國72個(gè)城市（京津冀，長三角，珠三角等重點(diǎn)區(qū)域以及直轄市和省會城市）2013年-2016年的室外PM2.5逐時(shí)濃度值，計(jì)算出不同城市合理的過濾器等級和不保天數(shù)的范圍。72個(gè)城市合理的過濾器等級如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)過濾等級主要集中在F9，H10和H11三個(gè)等級。

圖4 全國72城市過濾器等級

其中過濾器等級為H11的城市有8個(gè)，主要分布在東北三省和河北省。42個(gè)城市的過濾等級為H10，主要分布在我國北方地區(qū)，22個(gè)城市過濾器等級為F9，主要分布在我國南方地區(qū)。

2.2 合理的確定方法和不保證天數(shù)范圍

在新風(fēng)送風(fēng)PM2.5濃度不保證10h的情況下，圖5和圖6分別為不同計(jì)算方法下不保證天數(shù)范圍起點(diǎn)和終點(diǎn)的頻數(shù)，其中-1表示在該方法下沒有最合適的過濾等級。對于不保證天數(shù)起點(diǎn)，C2014，i、C2015，i、C2016，i均存在過濾等級缺失的情況；對于終點(diǎn)，僅不存在過濾等級缺失的情況。歷年不保證天數(shù)的平均值和歷年平均不保證值的這兩種計(jì)算方法在不保證天數(shù)的范圍上的頻數(shù)非常接近。對于不保證天數(shù)起點(diǎn)，歷年不保證天數(shù)的平均值更集中于不保證天數(shù)為0天，而歷年平均不保證值分布在1～3天的頻數(shù)更多。對于不保證天數(shù)的終點(diǎn)，歷年不保證天數(shù)和歷年平均不保證值在46～50天范圍內(nèi)的頻數(shù)相同。因此，根據(jù)不保證天數(shù)范圍分布情況，采用歷年不保證天數(shù)的平均值計(jì)算室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度更準(zhǔn)確。

大部分城市不保證天數(shù)范圍的起點(diǎn)為不保證0天，超過 3 天的計(jì)算方法主要為 C2013，i和 C2014，i。由于采用歷年不保證天數(shù)的平均值計(jì)算更為準(zhǔn)確，因此起點(diǎn)可選為3天。

大部分城市不保證天數(shù)范圍的終點(diǎn)分布在46～50天，對于單一某日歷年不保證天數(shù)占比在17%～57%之間，而對于其他兩種計(jì)算方法占比為35%。終點(diǎn)越大，則表示進(jìn)入下一個(gè)過濾等級的不保證天數(shù)越大。不保證天數(shù)范圍的終點(diǎn)分布較為發(fā)散，原因是不同城市的污染狀況不同。終點(diǎn)小表示室外PM2.5濃度氣象數(shù)據(jù)中濃度值較高時(shí)所占天數(shù)較小，也說明過濾器等級選型較為嚴(yán)格。當(dāng)合理的不保證天數(shù)范圍終點(diǎn)越小，則合理過濾器等級下可保證新風(fēng)送風(fēng)不滿足小時(shí)數(shù)越小。終點(diǎn)為5天時(shí)所有確定方法的不保證天數(shù)為3%～15%為7%，在可接受范圍內(nèi)，因此終點(diǎn)可取5天是可接受的。

圖5 不保證天數(shù)范圍起點(diǎn)ds分布頻數(shù)

圖6 不保證天數(shù)范圍終點(diǎn)de分布頻數(shù)

通過對不同計(jì)算方法的不保證天數(shù)范圍進(jìn)行分析，采用歷年不保證天數(shù)的平均值計(jì)算室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度更合理，合理的不保證天數(shù)應(yīng)該在3～5天。類比采暖室外空氣溫度的計(jì)算（不保證天數(shù)5天），則可采用歷年不保證5天的平均值作為室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度的確定方法。

計(jì)算方法采用歷年不保證5天的平均值，隨著我國各城市室外PM2.5數(shù)據(jù)逐年增多，只需將每年的日平均濃度取不保證5天值帶入計(jì)算即可，無需對新數(shù)據(jù)之前的每年濃度值進(jìn)行更新，可節(jié)省很大的計(jì)算量，有利于工程上的快速計(jì)算。

3 結(jié)論

我國主要的城市選用合理的新風(fēng)過濾器等級在F9～H11之間，過濾效率需求在84.1%～93.5%之間。

本文研究不保證天數(shù)法確定室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度，對比各種計(jì)算方法確定的不保證天數(shù)的頻數(shù)，結(jié)果表明歷年不保證天數(shù)的平均值作為PM2.5設(shè)計(jì)濃度確定方式是最優(yōu)的。通過對全國72城市合理不保證天數(shù)的范圍進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)不保證天數(shù)范圍應(yīng)該在3～5天。因此，本文建議工程計(jì)算可選取歷年不保證天數(shù)為5天的平均值作為室外PM2.5設(shè)計(jì)濃度。