新冠肺炎疫情期間辦公建筑通風(fēng)效果分析及優(yōu)化策略研究

2020 年初新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情暴發(fā)，作為呼吸道傳播病，新冠肺炎主要依靠空氣飛沫及密切接觸傳播，且存在氣溶膠傳播（空氣傳播）風(fēng)險(xiǎn)。2022 年 3 月蔓延的上海疫情，導(dǎo)致多數(shù)居民小區(qū)封閉管理，企業(yè)推行居家辦公，城市生產(chǎn)力水平大幅下降。感染原因聚焦于不合規(guī)的集中空調(diào)通風(fēng)引起的空氣交叉感染。

建筑室內(nèi)環(huán)境是人類接觸最密切的外界環(huán)境之一。室內(nèi)空間相對封閉、人員密度高、使用時(shí)間長的辦公建筑室內(nèi)環(huán)境存在較大交叉感染風(fēng)險(xiǎn)。

本文以上海某典型辦公區(qū)為研究對象（簡稱為辦公區(qū)），應(yīng)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測，分析過渡季自然通風(fēng)稀釋效果對新冠病毒傳播風(fēng)險(xiǎn)的影響。同時(shí)，針對過渡季辦公建筑設(shè)計(jì)使用特點(diǎn)，提出室內(nèi)環(huán)境優(yōu)化策略，為辦公建筑疫情防控提供運(yùn)行指導(dǎo)。

1 辦公建筑防控思路

多數(shù)學(xué)者指出室外新風(fēng)是安全清潔的。疫情防控期間，根據(jù) GB 50365-2019《空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行管理標(biāo)準(zhǔn)》，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)宜按全新風(fēng)工況運(yùn)行，防止回風(fēng)帶來的交叉污染。加大新風(fēng)通風(fēng)換氣量可改善空氣品質(zhì)，稀釋空氣中的新冠病毒濃度，加速去除潛在病原體顆粒，降低傳播風(fēng)險(xiǎn)。因此，辦公建筑宜優(yōu)先大量引入室外新風(fēng)，提高通風(fēng)換氣能力。

上海地區(qū)過渡季，室外平均溫度為 17 ℃，氣溫舒適。通過調(diào)研，絕大多數(shù)辦公建筑在疫情嚴(yán)峻時(shí)期根據(jù)疾控部門要求，暫停使用空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，優(yōu)先利用自然通風(fēng)。作為應(yīng)急防控措施，雖沒法完全保證室內(nèi)溫度，但能最大限度切斷新冠病毒通過空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)傳播。

2 研究案例

研究案例為大空間辦公區(qū)，位于某建筑 5 層，面積為 627 m2，設(shè)有可開啟外窗（平推窗，最大平推距離為 10 cm），過渡季可自然通風(fēng)。室內(nèi)常駐 120 人?？照{(diào)系統(tǒng)形式為多聯(lián)式空調(diào)加新風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)機(jī)組集中設(shè)于新風(fēng)機(jī)房。辦公區(qū)平面布置圖如圖1 所示。

圖1 辦公區(qū)平面布置圖

3 研究方法

本文采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的研究方法，研究過渡季自然通風(fēng)量對室內(nèi)氣溶膠的稀釋效果。CO2濃度作為新風(fēng)量控制指標(biāo)，眾多學(xué)者指出室內(nèi) CO2測量有望大規(guī)模監(jiān)測 COVID-19 等呼吸道疾病的室內(nèi)氣溶膠傳播風(fēng)險(xiǎn)。清華大學(xué)林波榮教授在“新冠疫情下典型封閉空間環(huán)境參數(shù)實(shí)測及安全運(yùn)行策略分析”研討會(huì)中提出：CO2濃度（即 CO2體積分?jǐn)?shù)）大于 600 ppm（1 ppm=100×10-6,下同）時(shí)，可認(rèn)為該室內(nèi)環(huán)境存在新冠肺炎感染風(fēng)險(xiǎn)。由于室內(nèi)感染者的呼吸是新冠病毒主要來源，與室內(nèi) CO2來源一致，故本文以 CO2濃度作為感染風(fēng)險(xiǎn)核心指標(biāo)，將 600 ppm 作為室內(nèi)新風(fēng)量不足的警示值。

實(shí)測之前，采用計(jì)算機(jī)流體動(dòng)力學(xué)（Computational Fluid Dynamics,CFD）數(shù)值模擬方法建立計(jì)算模型，分析自然通風(fēng)條件下辦公區(qū)室內(nèi) 1 m 平面（人員呼吸帶高度）空氣齡分布，確定 CO2傳感器位置。這是由于空氣齡作為評價(jià)通風(fēng)效率的有效指標(biāo)，不同空氣齡代表不同通風(fēng)效率，可間接表明 CO2的停留時(shí)間，使 CO2濃度監(jiān)測點(diǎn)位更具代表性。

3.1 數(shù)值模擬

選用 CFD 軟件 STAR-CCM+，較真實(shí)地還原辦公區(qū)及其所在建筑的自然通風(fēng)環(huán)境。計(jì)算模型如圖2 所示。

圖2 幾何模型圖

3.2 現(xiàn)場實(shí)測

現(xiàn)場實(shí)測選取 6 個(gè)連續(xù)工作日（2022 年初春），測試時(shí)間為人員密度穩(wěn)定的集中辦公時(shí)間（9:00-18:00）。根據(jù)空氣齡分布，選取 4 個(gè)特征點(diǎn)位，布置 CO2傳感器（距地高度為 1 m），采樣間隔為 5 min。同時(shí)，兩天為一組改變平推窗平推距離（10.0、7.5、5.0 cm），以改變有效通風(fēng)面積影響新風(fēng)量。

互質(zhì)陣列是一種非均勻稀疏陣列，所以陣列流型A不滿足范德蒙矩陣的形式，此時(shí)方向向量a(θi)=(1,e-jMπsinθi,e-jNπsinθi,…,e-j(2M-1)Nπsinθi)T，為了充分利用陣列的稀疏特性，對接收信號協(xié)方差矩陣進(jìn)行列向量化處理如式(5)所示

4 分析與討論

4.1 模擬結(jié)果與實(shí)測點(diǎn)位確定

通過數(shù)值模擬，可得到過渡季辦公區(qū)自然通風(fēng)條件下室內(nèi) 1 m 平面的空氣齡分布：A 區(qū)外窗位于建筑迎風(fēng)面，整體通風(fēng)情況最好；除新風(fēng)入口處空氣最新鮮外，兩端通風(fēng)情況較好，空氣齡均值在 600 s 左右；但中部氣流形成漩渦，不易擴(kuò)散。C 區(qū)外窗在建筑背風(fēng)面，對氣流影響較小。B 區(qū)相對封閉，易造成氣流堵塞，空氣齡最大值（1 420 s）出現(xiàn)在中部 2 個(gè)小辦公室內(nèi)。整個(gè)辦公區(qū)自然通風(fēng)的平均空氣齡為 967 s。根據(jù)空氣齡分布，現(xiàn)場實(shí)測選取 4 個(gè)代表點(diǎn)位（1#～4#）。空氣齡分布及點(diǎn)位選取如圖3 所示，點(diǎn)位選取依據(jù)詳見表1。

圖3 自然通風(fēng)條件下空氣齡分布及點(diǎn)位（1#～4#）選取圖（單位：s）

表1 點(diǎn)位選取依據(jù)表

4.2 實(shí)測結(jié)果

3 組外窗平推距離條件下，各點(diǎn)位 CO2濃度隨時(shí)間變化的曲線如圖4 所示。圖4 中所示 CO2濃度均為同一平推距離下同一時(shí)刻的平均值。由 CO2傳感器得到 6 個(gè)工作日各點(diǎn)位的 CO2平均濃度詳見表2。CO2濃度隨時(shí)間變化沒有明顯規(guī)律性，但不同點(diǎn)位 CO2濃度存在明顯差別，總體上，4 個(gè)點(diǎn)位 CO2濃度從高到低排列順序?yàn)椋?#、4#、2#和 3#。這是由于 CO2濃度除與通風(fēng)效率有關(guān)外，還與人員密度息息相關(guān)。通風(fēng)效率決定 CO2的停留時(shí)間，而人員密度決定 CO2的生成量。1#～3# 區(qū)域的人員密度基本一致，約為 3.5 m2/人；4# 位于獨(dú)立辦公室，人員密度較小，約為 6.0 m2/人。雖然 4# 的空氣齡最大，但其人員密度較小，CO2濃度低于 1#。而同一人員密度下，空氣齡越高的區(qū)域，室內(nèi) CO2濃度也越高。

表2 各實(shí)測條件下 CO2 平均濃度

圖4 3 組外窗平推距離條件下各點(diǎn)位 CO2 濃度

圖4 也體現(xiàn)了各點(diǎn)位 CO2濃度＞600 ppm 的時(shí)間比例。綜合來看：1#、4# 所在區(qū)域有 65% 以上概率，表示通風(fēng)對室內(nèi)氣溶膠稀釋效果并不理想；2# 所在區(qū)域有 25% 以上的概率；3# 所在區(qū)域通風(fēng)效果最好，10.0 cm 外窗平推距離條件下，CO2的濃度均＜600 ppm。

本文進(jìn)一步分析了 CO2濃度與外窗平推距離及實(shí)測日新風(fēng)風(fēng)級的關(guān)系，如圖5、圖6 所示。外窗的平推距離即有效通風(fēng)面積對于 CO2的濃度影響沒有室外新風(fēng)風(fēng)級大。新風(fēng)風(fēng)級增大，CO2濃度隨之降低，室內(nèi)通風(fēng)效果增強(qiáng)，新冠病毒濃度也可進(jìn)一步降低。

圖5 3 組外窗平推距離條件下 CO2 平均濃度

圖6 不同新風(fēng)風(fēng)級條件下 CO2 平均濃度

5 優(yōu)化方案

根據(jù)以上結(jié)果，辦公區(qū)自然通風(fēng)對氣溶膠的稀釋效果不佳，需進(jìn)一步加大新風(fēng)降低感染風(fēng)險(xiǎn)。由于自然通風(fēng)效率不僅受新風(fēng)風(fēng)級、通風(fēng)面積影響，與新風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)向等因素也息息相關(guān)，無法保證辦公區(qū)人均 30 m3/(h·人)的最小新風(fēng)量。為盡量確保使用者健康與安全，以機(jī)械通風(fēng)輔助自然通風(fēng)的復(fù)合通風(fēng)可保證新風(fēng)量供給，同時(shí)避免空調(diào)運(yùn)行帶來的病毒交叉感染與能源消耗。綜合考慮可操作性、經(jīng)濟(jì)性、合理性，本文提出 2 個(gè)復(fù)合通風(fēng)方案，機(jī)械送/排風(fēng)口布置圖如圖7 所示，方案說明具體如下。

圖7 機(jī)械送/排風(fēng)口布置圖

（1）方案 1 為自然通風(fēng)+機(jī)械排風(fēng)方案。機(jī)械排風(fēng)風(fēng)量為 3 600 m3/h，風(fēng)速 3 m/s。排風(fēng)口主要設(shè)置在空氣齡較大區(qū)域，且盡量遠(yuǎn)離新風(fēng)入口及人員活動(dòng)區(qū)。

（2）方案 2 為機(jī)械送風(fēng)+自然排風(fēng)方案。機(jī)械送風(fēng)風(fēng)量為 3 600 m3/h，風(fēng)速 3.5 m/s。機(jī)械送風(fēng)系統(tǒng)沿用原系統(tǒng)新風(fēng)風(fēng)管，并在新風(fēng)機(jī)房增設(shè) 1 臺普通風(fēng)機(jī)。通過閥門的切換，過渡季開啟普通風(fēng)機(jī)運(yùn)行，而冬季夏季開啟新風(fēng)機(jī)運(yùn)行。

采用數(shù)值模擬來論證 2 個(gè)方案對自然通風(fēng)的強(qiáng)化效果。方案 1、方案 2 室內(nèi) 1 m 平面的空氣齡分布詳如圖8、圖9 所示。自然通風(fēng)方案及復(fù)合通風(fēng)方案下室內(nèi) 1 m平面溫度及風(fēng)速也進(jìn)行了模擬計(jì)算，詳見表3。分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)合通風(fēng)方案不僅能顯著提升室內(nèi)通風(fēng)換氣能力，還能改善氣流組織，加速去除潛在病原體顆粒。由圖8、圖9 可知，2 個(gè)方案下空氣齡分布都較為均勻，空氣齡最大的地方均出現(xiàn)在資料室，對人員辦公沒有影響。由表3 可見：方案 1 平均空氣齡為 633 s，方案 2 平均空氣齡為 486 s。根據(jù)先前結(jié)論，人員密度一致時(shí)，空氣齡越小，室內(nèi) CO2濃度越低，對應(yīng)的感染風(fēng)險(xiǎn)也越小。溫度方面，依據(jù)我國人體熱舒適評價(jià)適應(yīng)性模型[3]，月平均室外溫度為 17.0 ℃ 時(shí)，人體中性溫度為 24.8 ℃，以 80% 的人可接受舒適區(qū)寬度為 7.0 ℃ 定義室內(nèi)舒適溫度范圍為 21.3～28.3 ℃。這表示過渡季，自然通風(fēng)條件下室內(nèi)平均溫度已處于人體熱舒適范圍內(nèi)，驗(yàn)證了過渡季關(guān)閉空調(diào)的合理性，而機(jī)械送/回風(fēng)的引入能強(qiáng)化自然通風(fēng)，進(jìn)一步帶走室內(nèi)熱源散發(fā)的熱量。風(fēng)速方面，復(fù)合通風(fēng)方案平均風(fēng)速≤0.3 m/s, 設(shè)計(jì)較為合理。相較而言，機(jī)械送風(fēng)對室內(nèi)氣流組織的影響更大，對于自然通風(fēng)的強(qiáng)化效果也更好。

圖8 方案 1 空氣齡分布（單位：s）

圖9 方案 2 空氣齡分布（單位：s）

表3 各方案空氣齡、溫度、風(fēng)速模擬結(jié)果

6 結(jié) 語

本文以上海某典型辦公區(qū)為研究對象，綜合應(yīng)用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測，分析過渡季自然通風(fēng)對新冠病毒的稀釋效果，并基于新風(fēng)量不足的現(xiàn)狀提出復(fù)合通風(fēng)優(yōu)化方案，結(jié)論如下。

（1）同一人員密度下，空氣齡越高，室內(nèi) CO2濃度越高，通風(fēng)對新冠病毒的稀釋效果減弱。當(dāng) CO2濃度超過 600 ppm 時(shí)，存在較大的感染風(fēng)險(xiǎn)。

（2）辦公區(qū)自然通風(fēng)對氣溶膠的稀釋效果不佳，復(fù)合通風(fēng)能顯著減小各區(qū)域空氣齡，降低病毒感染風(fēng)險(xiǎn)，保證新風(fēng)量供給。

（3）相比于機(jī)械排風(fēng)，案例研究中機(jī)械送風(fēng)對室內(nèi)氣流組織影響更大，對于自然通風(fēng)的強(qiáng)化效果更好。

本文通過建立空氣齡與 CO2濃度之間的聯(lián)系，探討了建筑室內(nèi)通風(fēng)效果對疫情防控的影響。受限于場地條件，僅安裝了 4 個(gè)傳感器，研究發(fā)現(xiàn)空氣齡與 CO2濃度的變化趨勢存在一致性，但直接對應(yīng)關(guān)系尚不清楚。后續(xù)建議監(jiān)測更多點(diǎn)位以期建立兩者函數(shù)關(guān)系，使建筑室內(nèi)通風(fēng)設(shè)計(jì)更加有效地防止新冠病毒傳播。

辦公建筑設(shè)計(jì)時(shí)需保證疫情期間主要功能房間具備自然通風(fēng)的能力，空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)宜具備全新風(fēng)運(yùn)行工況。疫情期間建筑運(yùn)營需考慮其設(shè)計(jì)及使用特點(diǎn)，提出合理運(yùn)行策略，保證人員健康安全。建議設(shè)置通風(fēng)空調(diào)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，將 CO2濃度作為室內(nèi)環(huán)境控制指標(biāo)，當(dāng)濃度超過警示值時(shí)及時(shí)提高新風(fēng)量。對于過渡季自然通風(fēng)建筑室內(nèi)，可適當(dāng)引入機(jī)械通風(fēng)系統(tǒng)，以優(yōu)先采用自然通風(fēng)為原則，當(dāng)自然通風(fēng)受限時(shí)啟動(dòng)機(jī)械通風(fēng)提高建筑通風(fēng)換氣能力，降低新冠肺炎感染風(fēng)險(xiǎn)。