霧霾天氣對建筑光環(huán)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(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津　300072；

2.北京建筑大學(xué)，綠色建筑與節(jié)能技術(shù)北京市重點實驗室，北京　100044)

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霧霾天氣對建筑光環(huán)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(xué)建筑學(xué)院，天津市建筑物理環(huán)境與生態(tài)技術(shù)重點實驗室，天津300072；

2.北京建筑大學(xué)，綠色建筑與節(jié)能技術(shù)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(qū)空氣質(zhì)量指數(shù)AQI逐時數(shù)據(jù)以衡量霧霾等級；同時持續(xù)監(jiān)測霧霾天氣過程中太陽光照度和分光譜輻照度等參數(shù)。通過對比分析AQI與太陽光照度數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)研究霧霾對天然采光質(zhì)量的量化影響。研究結(jié)論得到了霧霾天氣對建筑光環(huán)境的量化影響規(guī)律，為相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支持。

關(guān)鍵詞：霧霾天氣；照度；顯色性；量化影響

引言

隨著工業(yè)、交通和城市化的發(fā)展，我國很多地區(qū)出現(xiàn)霧霾。京津冀地區(qū)、長三角、珠三角地區(qū)均出現(xiàn)了不同程度的空氣污染，按照《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB 3095—2012)評價標準，2014年邢臺、衡水等19個城市空氣質(zhì)量達標天數(shù)比例不足50%。霧霾問題已經(jīng)引發(fā)各方面的關(guān)注[1-2]。

學(xué)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(fā)達地區(qū)[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(qū)的一次罕見重度霧霾天氣的研究，探討了霧霾天氣的產(chǎn)生、演變與轉(zhuǎn)化及機理，研究結(jié)果表明，高壓天氣系統(tǒng)和靜風(fēng)條件是霧霾形成和發(fā)展的重要原因[9]。除環(huán)境空氣顆粒物濃度外，地面風(fēng)速、相對濕度、大氣層結(jié)穩(wěn)定性等因素也是引起霧霾天氣的重要因素[1]。此外，眾多學(xué)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(huán)境效果[10-11]。氣溶膠粒子的數(shù)濃度、尺度譜分布、化學(xué)性質(zhì)等特性往往是決定其對人體健康和生態(tài)環(huán)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(zhì)會產(chǎn)生較大改變，從而影響氣溶膠的區(qū)域環(huán)境和氣候效應(yīng)[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(xué)厚度(AOD)是表征氣溶膠消光性質(zhì)的一個重要參數(shù)[19-20]。針對大面積霧霾事件導(dǎo)致的直接經(jīng)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(xué)領(lǐng)域，且多從霧霾天氣的形成機理、發(fā)展演化過程,霧霾天氣大氣氣溶膠的特性和輻射效應(yīng)，進而推斷其氣候效應(yīng)和經(jīng)濟社會危害角度分析，而關(guān)于霧霾天氣對建筑光環(huán)境影響的定量化研究較少。霧霾天氣往往導(dǎo)致建筑光環(huán)境發(fā)生變化，改變照明時間和采光質(zhì)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(zhì)量指數(shù)AQI與太陽光相關(guān)照度變化規(guī)律進行研究，對比分析了兩者之間的相關(guān)關(guān)系，得到了空氣質(zhì)量指數(shù)AQI與建筑光環(huán)境間的初步定量化結(jié)果。

1實驗設(shè)計

1.1實驗位置

室外太陽光相關(guān)照度測點位于天津大學(xué)建筑學(xué)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(xué)科研區(qū)，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(zhì)量數(shù)據(jù)來自中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺上公布的監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取監(jiān)測點中距離太陽光相關(guān)照度測點最近的天津市監(jiān)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(qū)境內(nèi)，站點周邊主要為居民區(qū)，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(fā)軟件，可以連續(xù)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(shù)值。

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

2實驗數(shù)據(jù)

實驗在2015年3月3日到2015年3月11日進行了連續(xù)的監(jiān)測和記錄，每天的測試時間為9：00—18：00，共10個小時，監(jiān)測期間天空晴朗無云。其中2015年3月5日為中國傳統(tǒng)節(jié)日——元宵節(jié)，節(jié)日期間燃放了大量的煙花爆竹，導(dǎo)致AQI出現(xiàn)較大變化。測試共得到9天共100個小時的空氣質(zhì)量指數(shù)逐時數(shù)據(jù)和6600個太陽光照度和太陽分光譜輻照度數(shù)值。

2.1監(jiān)測期間測點處空氣質(zhì)量指數(shù)AQI變化

圖1為3月3日—3月11日測點處空氣質(zhì)量指數(shù)AQI的逐時變化序列。根據(jù)《環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)技術(shù)規(guī)定(試行)》HJ 633-2012的規(guī)定，按照AQI指數(shù)大小對霧霾等級進行了劃分。數(shù)據(jù)顯示3月3日—3月5日、3月9日—3月11日AQI數(shù)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(zhì)量等級為優(yōu)；3月6日—3月8日AQI數(shù)值明顯增大，其中3月8日15：00數(shù)值為304，為嚴重污染。這一變化主要是因為3月5日元宵節(jié)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(fēng)，靜穩(wěn)天氣導(dǎo)致了大氣中污染物質(zhì)難以散去，最終使測點處經(jīng)歷了一次完整的霧霾天氣。

圖1　監(jiān)測期間監(jiān)測點空氣質(zhì)量指數(shù)AQI逐時變化序列Fig.1　Hourly change of AQI on monitoring point during monitoring

2.2監(jiān)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(shù)值逐時變化情況。可以發(fā)現(xiàn)監(jiān)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(wěn)定狀態(tài)的時間較非霧霾天晚，而下午照度由穩(wěn)定狀態(tài)開始減少的時間提前；從照度數(shù)值來看，霧霾天氣的照度數(shù)值整體低于非霧霾天。

圖2　監(jiān)測期間監(jiān)測點照度數(shù)值逐時變化序列Fig.2　Minutely change of illuminance on monitoringpoint during monitoring

3數(shù)據(jù)分析

3.1霧霾天氣對建筑采光照度影響

由圖2可知，監(jiān)測期間測點處照度數(shù)值變化較大，其中3月6日—3月8日照度數(shù)值明顯減小。按照《建筑采光設(shè)計標準》GB 50033—2013的規(guī)定，3月8日14：30—15：30測點處照度數(shù)值已經(jīng)小于室外設(shè)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(zhì)量指數(shù)AQI與建筑采光數(shù)量的關(guān)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(guān)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(shù)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(xiàn)兩個峰值，達到14000lx左右。而照度變化趨勢則呈現(xiàn)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(jié)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(guān)關(guān)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(dǎo)致測試點處照度數(shù)值減小；相關(guān)研究顯示地面空氣濕度增大，大氣中吸濕性粒子膨脹，導(dǎo)致大氣氣溶膠光學(xué)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(xué)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(dǎo)致兩天中此時段照度差值與AQI差值關(guān)系規(guī)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(shè)計標準》GB 50033—2013的規(guī)定，對于三類光氣候區(qū)的室外設(shè)計照度值定為15000lx，根據(jù)這一照度和采光系數(shù)標準值換算出來的室內(nèi)天然光照度值與人工照明的照度值相對應(yīng)，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(shè)計值時，室內(nèi)即需要使用人工照明進行補充。因此本文以15000lx為準，比較監(jiān)測期間不同AQI下室外照度第一次達到15000lx的時間。表1為監(jiān)測期間照度數(shù)值與對應(yīng)時間的AQI數(shù)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(xiàn)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(tǒng)計軟件SPSS分析AQI數(shù)值與室外照度達到15000lx的時間的相關(guān)性，得到兩者相關(guān)系數(shù)為-0.915，P<0.01，二者顯著相關(guān)性。由此可見空氣質(zhì)量指數(shù)AQI直接影響到建筑室內(nèi)使用人工照明的時間，其中3月6日室內(nèi)開燈時間較3月3日提前半小時。室內(nèi)人工照明時間增加必將加大照明能耗。

表1　監(jiān)測點照度達到室外設(shè)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(shù)值上來看，兩天中570nm、610nm、660nm三個波段單色光輻照度數(shù)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(shù)值，相應(yīng)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(dǎo)致570nm黃色光、610nm橙色光兩個波段輻照度數(shù)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(guān)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(dǎo)致對黃紅等顏色的表達減弱，使物體看起來發(fā)青發(fā)烏，長期處于這種光環(huán)境中將對人的心理和生理產(chǎn)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(shù)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(jié)論

1)2015年3月3—3月11日，測點處經(jīng)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(shù)據(jù)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(shù)值之間存在一定相關(guān)性。霧霾天照度值的減小將延長室內(nèi)人工照明時間，增大照明能耗。霧霾日室內(nèi)開始采用人工照明進行補光時間最高可提前30min，使用統(tǒng)計軟件SPSS分析開燈提前時間與AQI數(shù)值之間相關(guān)，-0.915，P<0.01，故兩者顯著相關(guān)。

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(dǎo)致太陽光顯色性發(fā)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(xué)基金重點項目(項目編號51338006)、高等學(xué)校學(xué)科創(chuàng)新引智計劃(項目編號B13011)、綠色建筑與節(jié)能技術(shù)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