某临街建筑周围PM2.5垂直分布特性研究（建筑）

                        马洪波¹谭洪卫^1，2，3*胡婷莛³

1同济大学机械与能源工程学院2联合国环境规划署同济大学环境与可持续发展学院3同济大学绿色建筑与新能源研究中心

摘要：本文通过现场实测和CFD数值模拟的手段研究了某临近街道建筑周围颗粒物在垂直方向上的分布情况。研究结果表明建筑周围PM2.5浓度在垂直方向上并不绝对随高度而衰减，若上风向有高层建筑物遮挡，城市主干道街区峡谷内建筑高中层部分容易形成一个主漩涡。在主漩涡的带动下，颗粒物浓度场沿壁面呈现“爬墙效应”，将地面交通主干道上产生的颗粒污染物带至建筑上部，进而造成迎风侧顶层颗粒物浓度很高，而迎风侧中部由于处于涡旋运动中心，颗粒物浓度反而很低。此外建筑周围PM2.5垂直分布还与天气条件有明显相关性。

关键词：临街建筑PM2.5垂直分布CFD模拟

0  引言

    现代社会中，人们有大约90%的时间在室内度过，室内空气品质越来越受到关注。室外颗粒物可通过通风和渗透的方式进入室内，因此室外颗粒物对室内环境有重要影响。在建筑环境领域，更需要了解建筑周围颗粒污染物的浓度分布，从而为室内通风与环境控制提供指导。

    室外颗粒物浓度具有一定的时空分布特性，且受气象条件的影响明显。近些年来也有很多国内外专家学者利用气象铁塔或超高层建筑进行颗粒物或其他污染物的垂直分布规律研究。然而现实生活中大多数均为多层或高层建筑，在没有气象塔或超高层建筑的监测条件下，为探究与人们生活最为贴近的多层或高层居民住宅室外颗粒物垂直分布情况，笔者选取了一栋高层学生公寓作为研究对象，在PM2.5浓度垂直分布测试的基础上，试图通过CFD的手段对室外颗粒物的扩散过程进行模拟，以期为居民开窗策略提出良好建议并为今后的室外颗粒物浓度预测模型研究打下基础。

1  实测手段

1.1测试方法

    2015年7月17日至8月11日对上海市某学生宿舍进行了室外PM2.5浓度垂直分布上的测试。该学生宿舍地上层数为18层，地下一层为车库，南向、西向以及东向均靠近马路。建筑周围均为其他学生宿舍，除交通污染外没有其他明显污染源。测试过程中，室内空调关闭，无采暖，同时住宅外门窗紧闭，只有通过门窗缝隙进行渗透形式的自然通风。测试期间室内禁止吸烟以及任何形式的卫生打扫。由于为学生宿舍，室内也无油烟污染。

    室外测点布置在学生宿舍阳台上（图1），仪器通过伸向阳台外的导气管取样并记录PM2.5质量浓度。考虑到仪器数量以及建筑朝向的因素，仪器分别布置在靠近马路一侧（南向）的13楼和18楼以及不靠近马路一侧（北向）的2楼、13楼和18楼。数据每15 min记录一次。

    本次测试采用国产PC-6A粉尘浓度检测仪，该仪器检测灵敏度为0.001 mg/m³，检测范围为0.001-10.0 mg/m³。为保证数据的有效性，将PC-6A与美国联邦参考方法（FRM）所规定的标准重力分析采样仪(TEOM，1405-F)进行了比较和订正。采用线性回归方程将各PC-6A仪器订正到与TEOM 1405-F同一水平的质量浓度，以其中一台仪器为例：y=0.8366x+14.564（其中，，为仪器订正后的质量浓度，u g/m³；x为PC-6A本身观测浓度，u g/m³;R20.8817，样本数51）。

1.2测试结果与分析

  交通因素是非常重要的颗粒物污染源，本次测试也是选取了靠近马路的一侧（南向）和不靠近马路的一侧（北向）两个建筑朝向来作对比分析，各测点所在位置PM2.5浓度均值、峰谷值以及采集数据样本标准差作于图2中。从图2中可以发现，相同楼层下，各测点采集来的数据样本标准差南向楼层相对北向楼层较高，即数据波动南向比北向要大，可能受交通因素影响。但是非常奇怪的是各测点中浓度均值最低的出现在南向13楼，南向18楼为各测点浓度均值最高的测点。另外，从图2中还可看出除北向2楼浓度均值较高外，其余北向楼层浓度均值都相差不大，北向13楼PM2.5浓度均值稍低于18楼浓度均值。可见除较低层民居室外受地面交通等污染源直接影响造成PM2.5浓度值较高外，高楼层民居室外PM2.5浓度值垂直分布较为复杂，甚至会出现颗粒物浓度随高度而增加的这种“逆流”现象。

    为了探究建筑朝向对建筑周围PM2.5垂直分布的影响，笔者将南向各测试楼层PM2.5浓度值随时间变化的情况作于图3中，可以看到南向18楼PM2.5的浓度值始终是高于13楼PM2.5的浓度值。再将北向测试各楼层PM2.5浓度随时间变化的情况作于图4中，从图中可以发现2楼PM2.5浓度相对于13楼和18楼始终是最高，而随着时间的推移，13楼和18楼之间的PM2.5浓度值互有高低。统计发现，13楼PM2.5浓度高于18楼PM2.5浓度的时间占总测试时间的51.23%，13楼PM2.5浓度低于18楼PM2.5浓度的时间占总测试时间的48.77%。可见不同建筑朝向下PM2.5垂直分布趋势会有所不同。   

由于建筑南向PM2.5垂直分布情况非常明朗，下面着重分析建筑北向PM2.5垂直分布情况。从图4中可以发现，阴影部分（即13楼浓度低于18楼浓度的时间）多出现在PM2.5背景浓度值偏高的情况，而非阴影部分（即13楼浓度高于18楼浓度的时间）多出现在PM2.5背景浓度值偏低的情况下。这就造成了13楼PM2.5浓度高于18楼PM2.5浓度的时间长，但均值反而却低于18楼PM2.5浓度均值。测试期间北向2楼、13楼和18楼PM2.5测试浓度均值分别为34.47 u g/m³、25.86 u g/m³和26.12 u g/m³。

    为了探究天气条件对建筑周围PM2.5垂直分布的影响，笔者选取了几种典型天气条件，观察在该天气条件下PM2.5的垂直分布情况，分别作于图5中。

    从图5中可以发现多数降雨和晴朗天气条件下，PM2.5浓度随高度增加而衰减，但是当出现多云或阴天天气时，PM2.5浓度在随着高度的增加时会出现如图5(3)中所示的“拐点”，拐点处（即13楼）浓度值为72 u g/m³，而2楼和18楼的浓度均有超标情况。当然，各天气条件下PM2.5的垂直分布趋势并不绝对如图5中所示，同一天气条件下会出现颗粒物浓度随高度衰减的情况，也会出现颗粒物浓度并不随高度而衰减的情况。但每种天气条件下，颗粒物浓度的垂直分布都有一个主导趋势，表1中通过统计两种情况的小时占比数来得出夏季不同天气条件下更容易出现的PM2.5垂直分布趋势。

    从表1中可以发现，有降雨出现的时候PM2.5在垂直分布上明显趋近于浓度随高度增加而衰减的情况，晴天时也是大部分时间PM2.5浓度随高度增加而衰减，但是当出现多云或阴天的天气时，由于空气流通较少不利于颗粒物的扩散，大部分时间PM2.5浓度是不随高度增加而衰减的。

2模拟手段

    在垂直方向上，气流的湍流强度会促进可吸入颗粒物的传输和混合，从而减少可吸入颗粒物在低处聚集。在扩散过程中，风速主导了颗粒物的传输，而风的紊流特性主导了颗粒物的扩散。因此笔者采用CFD模拟的方法试图探究室外颗粒污染物在建筑周围的扩散情况。

    根据测试对象周围建筑布置情况建立物理模型，物理模型中包括测试对象及其周围300 m内的建筑和道路。速度边界条件采用上海夏季主导东南风向气流流入，室外风速分布采用指数分布，根据现场风速测定结果，设定风速边界条件为在基准高度Z _o=10 m时基准风速U _o=3.78 m/s。根据测试现场地形地貌设定粗糙指数a=0.15。出口处各变量的法向导数为零，所有的建筑物表面和街道地面都定义为无滑移速度边界，在固体表面上对颗粒物采用捕捉边界条件。由于建筑周围除交通污染外无其他污染源，所以浓度边界条件的设定采用以道路为污染源的空间浓度模型加上以人流导入颗粒物污染源的边界浓度模型。关于污染源强的界定，不同学者研究方法及结果均有差异，由于本次模拟仅是观察街谷内建筑室外颗粒物的扩散情况以及垂直方向上的分布趋势，因此并没有对污染源强进行特别的界定，最终结果以无量纲浓度为导向。物理模型及边界条件的建立见于图6。

    调研结果显示标准k-8模型对街谷内污染物浓度分布的预测效果要好于其他湍流模型，本文采用标准k-模型，

    对离散的颗粒物用Lagangian方法追踪其运动轨迹，视连续相和颗粒相的温度相同，对颗粒进行受力分析后，颗粒的轨迹方程为：

3  模拟结果对实测现象的解释

    从图7中可以发现，由于上风向高层建筑物的遮挡，在城市主干道街区峡谷内建筑高中层部分容易形成一个主漩涡。在主漩涡的带动下，颗粒物浓度场沿壁面呈现“爬墙效应”，将地面交通主干道上产生的颗粒污染物带至建筑上部，进而造成颗粒物浓度在垂直分布上并不是绝对地随高度衰减。

  实测在夏季进行，上海夏季主导风向为东南风，测试建筑南向为迎风侧，北向为背风侧。正如实测结果，由于受街区峡谷自然风涡旋运动影响，南向交通干道产生的颗粒物均被带至建筑高楼层部分，导致南向18楼浓度非常高，而南向13楼由于处于涡旋运动的中心地带，风速较大，其颗粒物浓度为所有测点中最低。背风侧（即北向）2楼由于直接受地面交通污染源影响颗粒物浓度很高，背风侧18楼与13楼浓度十分接近，在背风侧建筑高中层部分颗粒物分布较为均匀。

    由于实际生活中，自然风是无规则运动的，风向风力时刻处于变化状态，笔者也模拟了其他风向下颗粒物在建筑周围的分布情况，在东北风向下由于无其他高层建筑遮挡，建筑南向为背风侧，颗粒物浓度在南向随高度衰减。可见颗粒物浓度在垂直方向上的分布受建筑周围空间布局的影响很大，不同的建筑布局会带来不同的街谷风场，进而造成不同的建筑周围颗粒物浓度垂直分布。

4  结论

    通过现场实测手段研究了城市临近街道建筑周围颗粒物在垂直方向上的分布情况，然后根据街区实际情况进行建模，通过CFD模拟的方法分析了颗粒物在建筑周围的扩散，并对现场实测现象加以解释。研究结果表明建筑周围PM2.5浓度在垂直方向上并不绝对随高度而衰减，它受到多种因素的影响：

    1)由于受到建筑周围风环境影响，若上风向有高层建筑物遮挡，城市主干道街区峡谷内建筑高中层部分容易形成一个主漩涡。在主漩涡的带动下，颗粒物浓度场沿壁面呈现“爬墙效应”，将地面交通主干道上产生的颗粒污染物带至建筑上部，进而造成迎风侧顶层颗粒物浓度很高，而迎风侧中部由于处于涡旋运动中心，颗粒物浓度反而很低。背风侧由于无较强气流组织，除低楼层受污染源直接影响浓度较高外，其余高中部楼层室外颗粒物分布较为均匀。在不同的建筑朝向上PM2.5的垂直分布规律会有所不同。

  2)天气条件对PM2.5本身背景浓度值影响较大，同时对PM2.5在垂直方向上的分布也有影响。降雨和晴天天气下，PM2.5整体背景浓度值往往较低，在垂直分布上更趋近于随高度而衰减，而当出现多云或阴天时，PM2.5整体背景浓度值往往会升高，在垂直方向上的分布也较为复杂。