某臨街建筑周圍PM2.5垂直分布特性研究（建筑）
某臨街建筑周圍PM2.5垂直分布特性研究（建筑）
馬洪波1譚洪衛1，2，3*胡婷莛3
1同濟大學機械與能源工程學院2聯合國環境規劃署同濟大學環境與可持續發展學院3同濟大學綠色建筑與新能源研究中心
摘要：本文通過現場實測和CFD數值模擬的手段研究了某臨近街道建筑周圍顆粒物在垂直方向上的分布情況。研究結果表明建筑周圍PM2.5濃度在垂直方向上并不絕對隨高度而衰減，若上風向有高層建筑物遮擋，城市主干道街區峽谷內建筑高中層部分容易形成一個主漩渦。在主漩渦的帶動下，顆粒物濃度場沿壁面呈現“爬墻效應”，將地面交通主干道上產生的顆粒污染物帶至建筑上部，進而造成迎風側頂層顆粒物濃度很高，而迎風側中部由于處于渦旋運動中心，顆粒物濃度反而很低。此外建筑周圍PM2.5垂直分布還與天氣條件有明顯相關性。
關鍵詞：臨街建筑PM2.5垂直分布CFD模擬
0 引言
現代社會中，人們有大約90%的時間在室內度過，室內空氣品質越來越受到關注。室外顆粒物可通過通風和滲透的方式進入室內，因此室外顆粒物對室內環境有重要影響。在建筑環境領域，更需要了解建筑周圍顆粒污染物的濃度分布，從而為室內通風與環境控制提供指導。
室外顆粒物濃度具有一定的時空分布特性，且受氣象條件的影響明顯。近些年來也有很多國內外專家學者利用氣象鐵塔或超高層建筑進行顆粒物或其他污染物的垂直分布規律研究。然而現實生活中大多數均為多層或高層建筑，在沒有氣象塔或超高層建筑的監測條件下，為探究與人們生活最為貼近的多層或高層居民住宅室外顆粒物垂直分布情況，筆者選取了一棟高層學生公寓作為研究對象，在PM2.5濃度垂直分布測試的基礎上，試圖通過CFD的手段對室外顆粒物的擴散過程進行模擬，以期為居民開窗策略提出良好建議并為今后的室外顆粒物濃度預測模型研究打下基礎。
1 實測手段
1.1測試方法
2015年7月17日至8月11日對上海市某學生宿舍進行了室外PM2.5濃度垂直分布上的測試。該學生宿舍地上層數為18層，地下一層為車庫，南向、西向以及東向均靠近馬路。建筑周圍均為其他學生宿舍，除交通污染外沒有其他明顯污染源。測試過程中，室內空調關閉，無采暖，同時住宅外門窗緊閉，只有通過門窗縫隙進行滲透形式的自然通風。測試期間室內禁止吸煙以及任何形式的衛生打掃。由于為學生宿舍，室內也無油煙污染。
室外測點布置在學生宿舍陽臺上（圖1），儀器通過伸向陽臺外的導氣管取樣并記錄PM2.5質量濃度?？紤]到儀器數量以及建筑朝向的因素，儀器分別布置在靠近馬路一側（南向）的13樓和18樓以及不靠近馬路一側（北向）的2樓、13樓和18樓。數據每15 min記錄一次。
本次測試采用國產PC-6A粉塵濃度檢測儀，該儀器檢測靈敏度為0.001 mg/m3，檢測范圍為0.001-10.0 mg/m3。為保證數據的有效性，將PC-6A與美國聯邦參考方法（FRM）所規定的標準重力分析采樣儀(TEOM，1405-F)進行了比較和訂正。采用線性回歸方程將各PC-6A儀器訂正到與TEOM 1405-F同一水平的質量濃度，以其中一臺儀器為例：y=0.8366x+14.564（其中，，為儀器訂正后的質量濃度，u g/m3；x為PC-6A本身觀測濃度，u g/m3;R20.8817，樣本數51）。
1.2測試結果與分析
交通因素是非常重要的顆粒物污染源，本次測試也是選取了靠近馬路的一側（南向）和不靠近馬路的一側（北向）兩個建筑朝向來作對比分析，各測點所在位置PM2.5濃度均值、峰谷值以及采集數據樣本標準差作于圖2中。從圖2中可以發現，相同樓層下，各測點采集來的數據樣本標準差南向樓層相對北向樓層較高，即數據波動南向比北向要大，可能受交通因素影響。但是非常奇怪的是各測點中濃度均值最低的出現在南向13樓，南向18樓為各測點濃度均值最高的測點。另外，從圖2中還可看出除北向2樓濃度均值較高外，其余北向樓層濃度均值都相差不大，北向13樓PM2.5濃度均值稍低于18樓濃度均值?？梢姵^低層民居室外受地面交通等污染源直接影響造成PM2.5濃度值較高外，高樓層民居室外PM2.5濃度值垂直分布較為復雜，甚至會出現顆粒物濃度隨高度而增加的這種“逆流”現象。
為了探究建筑朝向對建筑周圍PM2.5垂直分布的影響，筆者將南向各測試樓層PM2.5濃度值隨時間變化的情況作于圖3中，可以看到南向18樓PM2.5的濃度值始終是高于13樓PM2.5的濃度值。再將北向測試各樓層PM2.5濃度隨時間變化的情況作于圖4中，從圖中可以發現2樓PM2.5濃度相對于13樓和18樓始終是最高，而隨著時間的推移，13樓和18樓之間的PM2.5濃度值互有高低。統計發現，13樓PM2.5濃度高于18樓PM2.5濃度的時間占總測試時間的51.23%，13樓PM2.5濃度低于18樓PM2.5濃度的時間占總測試時間的48.77%?？梢姴煌ㄖ蛳?/font>PM2.5垂直分布趨勢會有所不同。
由于建筑南向PM2.5垂直分布情況非常明朗，下面著重分析建筑北向PM2.5垂直分布情況。從圖4中可以發現，陰影部分（即13樓濃度低于18樓濃度的時間）多出現在PM2.5背景濃度值偏高的情況，而非陰影部分（即13樓濃度高于18樓濃度的時間）多出現在PM2.5背景濃度值偏低的情況下。這就造成了13樓PM2.5濃度高于18樓PM2.5濃度的時間長，但均值反而卻低于18樓PM2.5濃度均值。測試期間北向2樓、13樓和18樓PM2.5測試濃度均值分別為34.47 u g/m3、25.86 u g/m3和26.12 u g/m3。
為了探究天氣條件對建筑周圍PM2.5垂直分布的影響，筆者選取了幾種典型天氣條件，觀察在該天氣條件下PM2.5的垂直分布情況，分別作于圖5中。
從圖5中可以發現多數降雨和晴朗天氣條件下，PM2.5濃度隨高度增加而衰減，但是當出現多云或陰天天氣時，PM2.5濃度在隨著高度的增加時會出現如圖5(3)中所示的“拐點”，拐點處（即13樓）濃度值為72 u g/m3，而2樓和18樓的濃度均有超標情況。當然，各天氣條件下PM2.5的垂直分布趨勢并不絕對如圖5中所示，同一天氣條件下會出現顆粒物濃度隨高度衰減的情況，也會出現顆粒物濃度并不隨高度而衰減的情況。但每種天氣條件下，顆粒物濃度的垂直分布都有一個主導趨勢，表1中通過統計兩種情況的小時占比數來得出夏季不同天氣條件下更容易出現的PM2.5垂直分布趨勢。
從表1中可以發現，有降雨出現的時候PM2.5在垂直分布上明顯趨近于濃度隨高度增加而衰減的情況，晴天時也是大部分時間PM2.5濃度隨高度增加而衰減，但是當出現多云或陰天的天氣時，由于空氣流通較少不利于顆粒物的擴散，大部分時間PM2.5濃度是不隨高度增加而衰減的。
2模擬手段
在垂直方向上，氣流的湍流強度會促進可吸入顆粒物的傳輸和混合，從而減少可吸入顆粒物在低處聚集。在擴散過程中，風速主導了顆粒物的傳輸，而風的紊流特性主導了顆粒物的擴散。因此筆者采用CFD模擬的方法試圖探究室外顆粒污染物在建筑周圍的擴散情況。
根據測試對象周圍建筑布置情況建立物理模型，物理模型中包括測試對象及其周圍300 m內的建筑和道路。速度邊界條件采用上海夏季主導東南風向氣流流入，室外風速分布采用指數分布，根據現場風速測定結果，設定風速邊界條件為在基準高度Z o=10 m時基準風速U o=3.78 m/s。根據測試現場地形地貌設定粗糙指數a=0.15。出口處各變量的法向導數為零，所有的建筑物表面和街道地面都定義為無滑移速度邊界，在固體表面上對顆粒物采用捕捉邊界條件。由于建筑周圍除交通污染外無其他污染源，所以濃度邊界條件的設定采用以道路為污染源的空間濃度模型加上以人流導入顆粒物污染源的邊界濃度模型。關于污染源強的界定，不同學者研究方法及結果均有差異，由于本次模擬僅是觀察街谷內建筑室外顆粒物的擴散情況以及垂直方向上的分布趨勢，因此并沒有對污染源強進行特別的界定，最終結果以無量綱濃度為導向。物理模型及邊界條件的建立見于圖6。
調研結果顯示標準k-8模型對街谷內污染物濃度分布的預測效果要好于其他湍流模型，本文采用標準k-
模型，
對離散的顆粒物用Lagangian方法追蹤其運動軌跡，視連續相和顆粒相的溫度相同，對顆粒進行受力分析后，顆粒的軌跡方程為：
3 模擬結果對實測現象的解釋
從圖7中可以發現，由于上風向高層建筑物的遮擋，在城市主干道街區峽谷內建筑高中層部分容易形成一個主漩渦。在主漩渦的帶動下，顆粒物濃度場沿壁面呈現“爬墻效應”，將地面交通主干道上產生的顆粒污染物帶至建筑上部，進而造成顆粒物濃度在垂直分布上并不是絕對地隨高度衰減。
實測在夏季進行，上海夏季主導風向為東南風，測試建筑南向為迎風側，北向為背風側。正如實測結果，由于受街區峽谷自然風渦旋運動影響，南向交通干道產生的顆粒物均被帶至建筑高樓層部分，導致南向18樓濃度非常高，而南向13樓由于處于渦旋運動的中心地帶，風速較大，其顆粒物濃度為所有測點中最低。背風側（即北向）2樓由于直接受地面交通污染源影響顆粒物濃度很高，背風側18樓與13樓濃度十分接近，在背風側建筑高中層部分顆粒物分布較為均勻。
由于實際生活中，自然風是無規則運動的，風向風力時刻處于變化狀態，筆者也模擬了其他風向下顆粒物在建筑周圍的分布情況，在東北風向下由于無其他高層建筑遮擋，建筑南向為背風側，顆粒物濃度在南向隨高度衰減?？梢婎w粒物濃度在垂直方向上的分布受建筑周圍空間布局的影響很大，不同的建筑布局會帶來不同的街谷風場，進而造成不同的建筑周圍顆粒物濃度垂直分布。
4 結論
通過現場實測手段研究了城市臨近街道建筑周圍顆粒物在垂直方向上的分布情況，然后根據街區實際情況進行建模，通過CFD模擬的方法分析了顆粒物在建筑周圍的擴散，并對現場實測現象加以解釋。研究結果表明建筑周圍PM2.5濃度在垂直方向上并不絕對隨高度而衰減，它受到多種因素的影響：
1)由于受到建筑周圍風環境影響，若上風向有高層建筑物遮擋，城市主干道街區峽谷內建筑高中層部分容易形成一個主漩渦。在主漩渦的帶動下，顆粒物濃度場沿壁面呈現“爬墻效應”，將地面交通主干道上產生的顆粒污染物帶至建筑上部，進而造成迎風側頂層顆粒物濃度很高，而迎風側中部由于處于渦旋運動中心，顆粒物濃度反而很低。背風側由于無較強氣流組織，除低樓層受污染源直接影響濃度較高外，其余高中部樓層室外顆粒物分布較為均勻。在不同的建筑朝向上PM2.5的垂直分布規律會有所不同。
2)天氣條件對PM2.5本身背景濃度值影響較大，同時對PM2.5在垂直方向上的分布也有影響。降雨和晴天天氣下，PM2.5整體背景濃度值往往較低，在垂直分布上更趨近于隨高度而衰減，而當出現多云或陰天時，PM2.5整體背景濃度值往往會升高，在垂直方向上的分布也較為復雜。
