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(huán)境科學與工程學院

根據(jù)調(diào)查，人類90%以上的時間是在室內(nèi)度過[1]，因此提升室內(nèi)空氣品質(zhì)尤為重要。長時間處于密閉空間中，房間內(nèi)二氧化碳濃度升高，會引起人呼吸不暢、精神不振繼而引發(fā)各種健康問題，因此為了給建筑使用者提供良好的室內(nèi)環(huán)境，引入新風系統(tǒng)尤為重要。然而近些年，我國大氣污染嚴重，多地霧霾頻發(fā)，2016年霧霾更是在全國集中爆發(fā)，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(guī)的空調(diào)新風處理系統(tǒng)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(nèi)的空氣質(zhì)量達到健康標準，應該考慮在室內(nèi)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(xiàn)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(xiàn)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(nèi)主要城市近三年逐日PM2.5及PM10數(shù)據(jù)收集并分析，采用暖通設計慣用的“歷年平均不保證天數(shù)法”進行計算得出不同城市的室外顆粒物設計濃度?？梢詾椴煌鞘嗅槍Ξ?shù)鼐唧w情況進行空氣過濾時提供因地制宜的辦法。

1 典型地區(qū)顆粒物濃度分布調(diào)研

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

1.1 環(huán)境空氣顆粒物狀況調(diào)查及分析

根據(jù)2015年來自環(huán)保部的中國環(huán)境狀況公報內(nèi)容：2015年全國338個地級以上城市全部開展空氣質(zhì)量新標準監(jiān)測。監(jiān)測結(jié)果顯示，有73個城市環(huán)境空氣質(zhì)量達標，占21.6%。265個城市環(huán)境空氣質(zhì)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(shù)占監(jiān)測天數(shù)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(fā)布環(huán)境空氣質(zhì)量標準GB 3095-2012，其中增加了對PM2.5的限值要求，并調(diào)整了對PM10濃度的限值要求。國內(nèi)外主要國家、地區(qū)對大氣環(huán)境顆粒物污染濃度限值見表1[6-7]。

表1 國內(nèi)外主要國家、地區(qū)對大氣環(huán)境顆粒物污染濃度限值

如表1所示，美國對室內(nèi)PM2.5濃度給出了較為合理限值，室內(nèi)PM10基本給出了控制標準?？梢钥闯?，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(huán)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(qū)、上海地區(qū)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(xiàn)明顯的V型分布，季節(jié)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(xiàn)在1月中旬左右。數(shù)據(jù)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(qū)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(shù)R為0.9645。PM2.5季節(jié)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(shù)——變異系數(shù)（Coefficient of Variation）為參考標準，計算每年各城市PM2.5濃度數(shù)據(jù)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(shù)可以消除單位和平均數(shù)不同對兩個或多個資料變異程度比較的影響。變異系數(shù)計算公式如下：

式中：CV為變異系數(shù)；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(jù)圖1、圖2可知，顆粒物分布呈現(xiàn)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(qū)別，根據(jù)變異系數(shù)計算公式得出計算結(jié)果，分析結(jié)果可知，顆粒物年度變異系數(shù)的數(shù)值呈現(xiàn)明顯的由北向南逐漸遞減的地域特點，綜合變異系數(shù)數(shù)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(nèi)30個主要城市分為三類：1）I類城市，顆粒物季節(jié)變化明顯，即顆粒物濃度分布呈現(xiàn)V形分布，呈現(xiàn)冬天高夏天低的特點，此類城市年度顆粒物變異系數(shù)在69%～102%之間。2）Ⅱ類城市，顆粒物季節(jié)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(shù)在60%～69%之間。3）Ⅲ類城市，顆粒物年變化平穩(wěn)，即顆粒物濃度四季平穩(wěn)，年度顆粒物濃度變異系數(shù)小于60%，波動較小。各城市變異系數(shù)計算值以及城市分區(qū)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(shù)計算值

表3 Ⅱ類城市PM2.5年度變異系數(shù)計算值

表4 Ⅲ類城市PM2.5年度變異系數(shù)計算值

在收集到的國內(nèi)30個城市的氣象參數(shù)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(shù)。通常的方法是根據(jù)房間的換氣次數(shù)或者根據(jù)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(shù)的影響，無法根據(jù)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(jù)當?shù)貧庀筚Y料選擇年均值、日均值以及經(jīng)驗值作為室外設計參數(shù)，然而此方法存在一定的缺點。

暖通業(yè)內(nèi)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(shù)法”，這是一種比較合理地確定供暖室外計算溫度的統(tǒng)計方法，“不保證天數(shù)法”以日平均溫度為統(tǒng)計基礎，按照歷年室外實際出現(xiàn)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?！安槐ＷC天數(shù)”方法中，統(tǒng)計3年的數(shù)據(jù)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(shù)”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(tǒng)設計類似，目的都是為了提供良好的室內(nèi)環(huán)境舒適度。如果污染物濃度在短時間內(nèi)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(shù)下的室外顆粒物濃度為室外設計濃度，既能確保室內(nèi)顆粒物中所需的天數(shù)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(jīng)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(shù)”的國內(nèi)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(shù)”的顆粒物室外設計濃度確定方法?！安槐ＷC天數(shù)”主要顆粒物室外設計濃度確定方法是統(tǒng)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(shù)”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(shù)據(jù)取平均值。根據(jù)對2013-2016年全國30個城市全年數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，取“不保證天數(shù)”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(jié)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(jù)表5-表7的計算結(jié)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(shù)”的過濾器最低效率

表9 Ⅱ類城市基于“不保證天數(shù)”的過濾器最低效率

表10 Ⅲ類城市基于“不保證天數(shù)”的過濾器最低效率

結(jié)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(qū)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(qū)間段內(nèi)，其余五個城市集中在62%～71%區(qū)間范圍內(nèi)。

3 結(jié)論與分析

1）室外顆粒物分布呈現(xiàn)地域性特征，由北向南推移顆粒物季節(jié)波動趨勢減弱，顆粒物年平均值逐漸降低。本文以暖通行業(yè)確定室外設計溫度的方法為基礎，根據(jù)30個城市近三年顆粒物濃度經(jīng)計算得出了顆粒物高發(fā)季節(jié)，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(zhì)量滿足國標標準，可以僅將數(shù)據(jù)作為城市空氣質(zhì)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(qū)間有較大差別。因此在實際應用中應該根據(jù)地區(qū)特性制定因地制宜的空氣過濾方案。