全國主要城市顆粒物濃度波動分析及設計值比較

郭凱璇 楊學賓 王雪羽

東華大學環境科學與工程學院

根據調查，人類90%以上的時間是在室內度過[1]，因此提升室內空氣品質尤為重要。長時間處于密閉空間中，房間內二氧化碳濃度升高，會引起人呼吸不暢、精神不振繼而引發各種健康問題，因此為了給建筑使用者提供良好的室內環境，引入新風系統尤為重要。然而近些年，我國大氣污染嚴重，多地霧霾頻發，2016年霧霾更是在全國集中爆發，為了保證引入潔凈的新風，需要對引入的新風進行凈化處理。常規的空調新風處理系統只有粗、中級空氣過濾器，對顆粒物不能進行有效的控制[2]。在霧霾愈演愈烈的背景下，為了保證室內的空氣質量達到健康標準，應該考慮在室內采用有效空氣過濾方案。

作為霧霾誘因的PM2.5、PM10問題已引起社會廣泛關注[3]。由于霧霾分布呈現明顯的地域特征，不同城市的顆粒物濃度分布及霧霾高峰期時間有各自的特點[4]，在空氣過濾方案的制定過程中如果一概而論會出現設備選型不合理的情況。本文針對霧霾天空氣過濾方案的問題，通過對國內主要城市近三年逐日PM2.5及PM10數據收集并分析，采用暖通設計慣用的“歷年平均不保證天數法”進行計算得出不同城市的室外顆粒物設計濃度。可以為不同城市針對當地具體情況進行空氣過濾時提供因地制宜的辦法。

1 典型地區顆粒物濃度分布調研

本文對國內主要城市對應環境進行了數據采集，由空氣質量歷史數據查詢網站[5]提供2014～2016年全國30個主要城市的逐日空氣質量數據，分析各城市污染物濃度特性，與目前國內典型大氣及建筑環境的顆粒物污染水平進行對比分析。

1.1 環境空氣顆粒物狀況調查及分析

根據2015年來自環保部的中國環境狀況公報內容：2015年全國338個地級以上城市全部開展空氣質量新標準監測。監測結果顯示，有73個城市環境空氣質量達標，占21.6%。265個城市環境空氣質量超標，占78.4%。PM2.5年均濃度平均值為50 μg/m3，為國家一級標準3.22倍。日均值超標天數占監測天數的比例為17.5%。達標城市比例為22.5%。PM10年均濃度為87微克/立方米，為國家一級標準1.74倍。

針對目前我國國情，我國于2012年發布環境空氣質量標準GB 3095-2012，其中增加了對PM2.5的限值要求，并調整了對PM10濃度的限值要求。國內外主要國家、地區對大氣環境顆粒物污染濃度限值見表1[6-7]。

表1 國內外主要國家、地區對大氣環境顆粒物污染濃度限值

如表1所示，美國對室內PM2.5濃度給出了較為合理限值，室內PM10基本給出了控制標準。可以看出，中國PM2.5年平均二級標準限值同比高出美國限值20 μg/m3，年平均一級標準限值高出美國限值3 μg/m3。我國針對建筑環境PM10給出了控制標準，標準限值高出歐盟限值100 μg/m3，與美國限值持平。

1.2 典型城市近三年顆粒物變化趨勢分析

選取北京地區、上海地區為代表做出近三年顆粒物變化趨勢圖。

圖1 上海市2014～2016年PM2.5、PM10日均值

由圖1可知，上海市顆粒物濃度呈現明顯的V型分布，季節分布強，9月～次年5月是顆粒物濃度高峰期。每年顆粒物峰值時期出現在1月中旬左右。數據顯示，全年約三分之一的時間上海市PM2.5日均濃度超過GB3095-2012二級標準限值，約70%時間超過一級標準限值。

圖2 北京市2014-2016年PM2.5、PM10日均值

圖2是北京地區2014-2016年顆粒物濃度變化趨勢圖。由圖可見，北京市PM2.5日平均濃度與PM10日平均濃度有顯著的相關性，計算得出相關系數R為0.9645。PM2.5季節性變化趨勢明顯，呈V形趨勢變化，夏季低冬季高。全年約70%時間北京市PM2.5日均濃度超過國標二級標準的限值，且均超過一級標準的限值。

1.3 全國主要城市污染物濃度分析

本文中以無量綱參數——變異系數（Coefficient of Variation）為參考標準，計算每年各城市PM2.5濃度數據離散程度，以此衡量各個城市顆粒物濃度四季波動程度[8]。變異系數可以消除單位和平均數不同對兩個或多個資料變異程度比較的影響。變異系數計算公式如下：

式中：CV為變異系數；SD為某城市年顆粒物濃度標準差；Mean為某城市年顆粒物濃度平均值。

根據圖1、圖2可知，顆粒物分布呈現明顯的“V型分布”的特征，即周期性。同時，不同城市的顆粒物峰值時期與高峰顆粒物濃度均有較大區別，根據變異系數計算公式得出計算結果，分析結果可知，顆粒物年度變異系數的數值呈現明顯的由北向南逐漸遞減的地域特點，綜合變異系數數值、各城市地域分布、主要顆粒物PM2.5、PM10的年平均濃度變化情況圖像，將國內30個主要城市分為三類：1）I類城市，顆粒物季節變化明顯，即顆粒物濃度分布呈現V形分布，呈現冬天高夏天低的特點，此類城市年度顆粒物變異系數在69%～102%之間。2）Ⅱ類城市，顆粒物季節變化略明顯，顆粒物濃度分布可見冬天高夏天低的特點，年度顆粒物濃度變異系數在60%～69%之間。3）Ⅲ類城市，顆粒物年變化平穩，即顆粒物濃度四季平穩，年度顆粒物濃度變異系數小于60%，波動較小。各城市變異系數計算值以及城市分區情況則如表2、表3、表4所示。

表2 I類城市PM2.5年度變異系數計算值

表3 Ⅱ類城市PM2.5年度變異系數計算值

表4 Ⅲ類城市PM2.5年度變異系數計算值

在收集到的國內30個城市的氣象參數中，所有的城市年平均PM2.5、PM10濃度三年平均值均高于國標年平均濃度一級限值。年平均PM2.5濃度三年平均值低于國標年平均濃度二級限值的城市有3個，分別為拉薩、福州、深圳，年平均濃度分別為25.2 μg/m3、29.3 μg/m3，29.8 μg/m3。年平均 PM10 濃度三年平均值低于了國標年平均濃度二級限值的城市有6個，占比20%,分別為拉薩、廣州、昆明、福州、貴陽、深圳，年平均濃度則分別為 65.1 μg/m3、63.2 μg/m3、64.5 μg/m3、57.5 μg/m3、65.3 μg/m3、51.1 μg/m3。其中，廣州、昆明、貴陽三城市超過國標二級限值至16%、10%、14%。在這30個城市中，日平均PM2.5濃度滿足國標PM2.5日平均濃度二限值的比例高于90%的城市有五個，分別為拉薩、昆明、福州、貴陽、深圳，達標率分別為99%、92%、97%、90%、96%。

2 全國主要城市主要顆粒物室外設計濃度

2.1 顆粒物室外設計濃度的確定原則

在進行空氣凈化方案制定時，通常需要選擇空氣凈化設備的型號參數。通常的方法是根據房間的換氣次數或者根據建筑類型以及人均新風量來確定空氣凈化設備風量，但此方法忽略了室外參數的影響，無法根據各個城市各自的顆粒物分布特性來選擇設備。在空氣顆粒物污染控制設計中，應確定主要的顆粒物PM2.5及PM10室外設計濃度，由于室外顆粒物濃度隨機性較強，一般根據當地氣象資料選擇年均值、日均值以及經驗值作為室外設計參數，然而此方法存在一定的缺點。

暖通業內計算冷熱負荷時，為了確定室外計算溫度，通常采用“不保證天數法”，這是一種比較合理地確定供暖室外計算溫度的統計方法，“不保證天數法”以日平均溫度為統計基礎，按照歷年室外實際出現的較低的日平均溫度低于室外計算溫度的時間，平均每年不超過5天的原則，確定供暖室外計算溫度。“不保證天數”方法中，統計3年的數據的方法是將室外顆粒物濃度的日均值進行從高到低排序，剔除“不保證天數”后顆粒物濃度平均值就是顆粒物室外設計濃度。因此提出以“歷年平均不保證”的方法制定的室外顆粒物設計濃度，比較符合暖通人的設計思路[9]。

顆粒物污染控制設計，與暖通系統設計類似，目的都是為了提供良好的室內環境舒適度。如果污染物濃度在短時間內偏離設計值，不會造成很大影響。因此，選擇某一保證率或不保證天數下的室外顆粒物濃度為室外設計濃度，既能確保室內顆粒物中所需的天數達到要求，又可以避免按年均值計算而帶來的保證率低，按照日均值或經驗值計算導致的設備選型不合適等問題。

2.2 基于“不保證天數”的國內主要城市顆粒物濃度設計值

對于主要顆粒物PM2.5、PM10室外設計濃度，本文提出了基于“不保證天數”的顆粒物室外設計濃度確定方法。“不保證天數”主要顆粒物室外設計濃度確定方法是統計最近至少三年的顆粒物濃度日均值，將每年室外顆粒物濃度的日均值進行從高到低排序，剔除“不保證天數”顆粒物濃度的最高濃度就是顆粒物室外設計濃度,并將多年的數據取平均值。根據對2013-2016年全國30個城市全年數據的統計結果，取“不保證天數”分別為5天、10天所對應室外PM2.5、PM10濃度作為PM2.5、PM10室外設計濃度，結果見表5～7。

表5 I類城市基于歷年平均不保證的主要顆粒物室外設計濃度值

表6 Ⅱ類城市基于歷年平均不保證的主要顆粒物室外設計濃度值

表7 Ⅲ類城市基于歷年平均不保證的主要顆粒物室外設計濃度值

針對PM2.5及PM10濃度歷年平均不保證5天的設計值中，設計值最高的為石家莊市，為95.5 μg/m3，PM2.5設計值高于國標年平均濃度二級限值35 μg/m3的城市有27個，占比90%。高于國標年平均濃度二級限值兩倍70 μg/m3的城市有6個，占比20%。PM10設計值高于國標年平均濃度二級限值75 μg/m3的城市有22個，占比73.3%。PM10設計值高于國標年平均濃度二級限值兩倍150 μg/m3的城市有3個，占比10%。同時滿足PM2.5和PM10國標年平均濃度限值35 μg/m3的有深圳、福州、拉薩，占比10%。

根據表5-表7的計算結果，得出I/Ⅱ/Ⅲ類城市為滿足PM2.5年平均一級限值而所需的過濾器PM2.5的最低過濾效率。如表8～10所示。

表8 I類城市基于“不保證天數”的過濾器最低效率

表9 Ⅱ類城市基于“不保證天數”的過濾器最低效率

表10 Ⅲ類城市基于“不保證天數”的過濾器最低效率

結果顯示，基于歷年不保證5天以及10天的室外PM2.5濃度，不同類別的城市為滿足國標PM2.5年平均一級限值所需的過濾器最低效率范圍區間有較大差別。I類城市的過濾器最低效率集中在75%～85%之間，Ⅱ類城市過濾器最低效率集中在64%～78.7%之間。Ⅲ類城市的過濾器PM2.5最低效率較分散，深圳、福州、拉薩這三個城市集中在36.6%～49%區間段內，其余五個城市集中在62%～71%區間范圍內。

3 結論與分析

1）室外顆粒物分布呈現地域性特征，由北向南推移顆粒物季節波動趨勢減弱，顆粒物年平均值逐漸降低。本文以暖通行業確定室外設計溫度的方法為基礎，根據30個城市近三年顆粒物濃度經計算得出了顆粒物高發季節，室外的PM2.5及PM10設計值，為制定空氣過濾方案以及選擇過濾設備提供了參考。

2）針對PM2.5及PM10濃度歷年平均不保證5天的設計值中，設計值最高的為石家莊市，為95.5 μg/m3，同時滿足PM2.5和PM10國標年平均濃度限值35 μg/m3的有深圳、福州、拉薩，占比10%。上述三個城市空氣質量滿足國標標準，可以僅將數據作為城市空氣質量的參考，不考慮安裝空氣過濾設備。

3）基于歷年不保證5天以及10天的室外PM2.5濃度，不同類別的城市為滿足國標PM2.5年平均一級限值所需的過濾器最低效率范圍區間有較大差別。因此在實際應用中應該根據地區特性制定因地制宜的空氣過濾方案。