雾霾天气对建筑光环境影响的定量化研究

刘　刚，鲁世伟，党　睿，郭晋生，刘　博

(1.天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津　300072；

2.北京建筑大学，绿色建筑与节能技术北京市重点实验室，北京　100044)



雾霾天气对建筑光环境影响的定量化研究

刘刚1，鲁世伟1，党睿1，郭晋生2，刘博2

(1.天津大学建筑学院，天津市建筑物理环境与生态技术重点实验室，天津300072；

2.北京建筑大学，绿色建筑与节能技术北京市重点实验室，北京100044)

摘要：以雾霾天气较为严重的天津市为样本，收集市区空气质量指数AQI逐时数据以衡量雾霾等级；同时持续监测雾霾天气过程中太阳光照度和分光谱辐照度等参数。通过对比分析AQI与太阳光照度数据研究雾霾对人工照明开启时间的量化影响；通过对比分析AQI与分光谱辐照度数据研究雾霾对天然采光质量的量化影响。研究结论得到了雾霾天气对建筑光环境的量化影响规律，为相关研究提供数据支持。

关键词：雾霾天气；照度；显色性；量化影响

引言

随着工业、交通和城市化的发展，我国很多地区出现雾霾。京津冀地区、长三角、珠三角地区均出现了不同程度的空气污染，按照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)评价标准，2014年邢台、衡水等19个城市空气质量达标天数比例不足50%。雾霾问题已经引发各方面的关注[1-2]。

学者针对雾霾天气进行了大量研究，研究对象多为京津冀、长三角、珠三角等东部沿海发达地区[3-7]，同时也包括西安等中西部大中型城市[8]。张人禾等针对华北地区的一次罕见重度雾霾天气的研究，探讨了雾霾天气的产生、演变与转化及机理，研究结果表明，高压天气系统和静风条件是雾霾形成和发展的重要原因[9]。除环境空气颗粒物浓度外，地面风速、相对湿度、大气层结稳定性等因素也是引起雾霾天气的重要因素[1]。此外，众多学者对雾霾天气的主要污染源——气溶胶粒子的物理特性进行了研究，以揭示雾霾过程的环境效果[10-11]。气溶胶粒子的数浓度、尺度谱分布、化学性质等特性往往是决定其对人体健康和生态环境的重要因素[12-13]。雾霾天气过程中大气气溶胶的浓度和理化性质会产生较大改变，从而影响气溶胶的区域环境和气候效应[14-18]，如气溶胶的消光能力直接影响着雾霾天的能见度，其光学厚度(AOD)是表征气溶胶消光性质的一个重要参数[19-20]。针对大面积雾霾事件导致的直接经济损失评估显示，仅2013年1月份的期间的雾霾事件造成的交通和健康的损失保守估计值约为230亿元[21]。目前针对雾霾天气的研究主要集中在气象学领域，且多从雾霾天气的形成机理、发展演化过程,雾霾天气大气气溶胶的特性和辐射效应，进而推断其气候效应和经济社会危害角度分析，而关于雾霾天气对建筑光环境影响的定量化研究较少。雾霾天气往往导致建筑光环境发生变化，改变照明时间和采光质量。

针对上述问题，本文利用太阳分光辐射计，对天津2015年冬季的一次完整雾霾过程中(3月3日—11日)，空气质量指数AQI与太阳光相关照度变化规律进行研究，对比分析了两者之间的相关关系，得到了空气质量指数AQI与建筑光环境间的初步定量化结果。

1实验设计

1.1实验位置

室外太阳光相关照度测点位于天津大学建筑学院系馆6层平台(117°18′E,39.11′N，海拔约为20m)，测点周围主要为教学科研区，无明显污染源。测点距地面高度约为18m，周围是开阔平台，无遮挡和较强反射面。

研究所采用的空气质量数据来自中国空气质量在线监测分析平台上公布的监测数据，选取监测点中距离太阳光相关照度测点最近的天津市监测中心站点(117°17′E，39°11′N，海拔约为10m)，两者直线距离约1.2km。该站点位于天津市南开区境内，站点周边主要为居民区，无较大的污染源。

1.2实验仪器

本研究采用的柯尼卡美能达Soma S-2440/2441太阳分光辐射计，具有300～1100nm的测试波长范围，5nm的半波宽，2.5～1000ms的曝光时间。配合定时触发软件，可以连续精确测得每分钟的太阳光照度、辐照度、分光谱辐射照度等数值。

本文选取空气质量指数AQI作为衡量雾霾天气空气质量的指标。空气质量指数( AQI)是定量描述空气质量状况的无量纲指数，以数值的形式表述空气质量状况，便于公众简明、清楚地了解空气质量的优劣程度，及时、准确地向公众提供易于理解的当地空气质量状况，还可以用来进行环境现状、回顾性评价和趋势分析，因而在国内外被普遍应用。在2012年2月我国对环境空气质量标准进行了第3次修订，发布了《环境空气质量指数(AQI) 技术规定(试行)》，规定了AQI的计算方法和发布要求。

2实验数据

实验在2015年3月3日到2015年3月11日进行了连续的监测和记录，每天的测试时间为9：00—18：00，共10个小时，监测期间天空晴朗无云。其中2015年3月5日为中国传统节日——元宵节，节日期间燃放了大量的烟花爆竹，导致AQI出现较大变化。测试共得到9天共100个小时的空气质量指数逐时数据和6600个太阳光照度和太阳分光谱辐照度数值。

2.1监测期间测点处空气质量指数AQI变化

图1为3月3日—3月11日测点处空气质量指数AQI的逐时变化序列。根据《环境空气质量指数(AQI)技术规定(试行)》HJ 633-2012的规定，按照AQI指数大小对雾霾等级进行了划分。数据显示3月3日—3月5日、3月9日—3月11日AQI数值均较低，测试期间AQI日均值均小于等于70，其中3月4日均值为42，空气质量等级为优；3月6日—3月8日AQI数值明显增大，其中3月8日15：00数值为304，为严重污染。这一变化主要是因为3月5日元宵节期间燃放了大量的烟花爆竹，同时3月5日之后天气晴朗无风，静稳天气导致了大气中污染物质难以散去，最终使测点处经历了一次完整的雾霾天气。

图1　监测期间监测点空气质量指数AQI逐时变化序列Fig.1　Hourly change of AQI on monitoring point during monitoring

2.2监测期间测点处照度变化

图2是3月3日—11日测点处太阳光照度数值逐时变化情况。可以发现监测期间每天的照度整体变化趋势相同，即早晚照度小，午间照度最大。雾霾天气下，早上测点照度达到稳定状态的时间较非雾霾天晚，而下午照度由稳定状态开始减少的时间提前；从照度数值来看，雾霾天气的照度数值整体低于非雾霾天。

图2　监测期间监测点照度数值逐时变化序列Fig.2　Minutely change of illuminance on monitoringpoint during monitoring

3数据分析

3.1雾霾天气对建筑采光照度影响

由图2可知，监测期间测点处照度数值变化较大，其中3月6日—3月8日照度数值明显减小。按照《建筑采光设计标准》GB 50033—2013的规定，3月8日14：30—15：30测点处照度数值已经小于室外设计照度值15000lx，需进行人工照明补充，而3月4日同一时刻的照度值大于25000lx。

为进一步分析空气质量指数AQI与建筑采光数量的关系，选取3月4日和3月8日作为典型非雾霾日和典型雾霾日，比较两天中同一时刻照度差值与AQI差值的关系，如图3所示。图中面积图和散点图分别为两天中同一时刻的照度差值和AQI差值。从照度差值数值来看，两天中昼间照度差值基本在5000lx以上，且在09：30、15：00出现两个峰值，达到14000lx左右。而照度变化趋势则呈现早上(09：00—11：00)、下午(14：00—16：00)差值大，中午(11：00—14：00)差值小。

结合AQI差值变化趋势进一步分析照度变化原因。12：00—18：00时段，照度差值与AQI差值呈正相关关系，这主要是因为随着空气中雾霾颗粒增多，其对太阳光有消光散射作用，导致测试点处照度数值减小；相关研究显示地面空气湿度增大，大气中吸湿性粒子膨胀，导致大气气溶胶光学厚度增加，进而影响测点照度；随着太阳辐照度增强、气温上升、相对湿度降低，光学厚度减小，对照度影响减小[4]。通过查阅测试当天的气象资料，3月4日早间空气湿度较大，造成当日早间测点照度值偏小，导致两天中此时段照度差值与AQI差值关系规律不明显。

图3　3月4日与3月8日同一时刻照度差值与AQI差值变化趋势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《建筑采光设计标准》GB 50033—2013的规定，对于三类光气候区的室外设计照度值定为15000lx，根据这一照度和采光系数标准值换算出来的室内天然光照度值与人工照明的照度值相对应，只要满足这些照度值，工作场所就可以全部利用天然光照明，当室外照度低于室外照度设计值时，室内即需要使用人工照明进行补充。因此本文以15000lx为准，比较监测期间不同AQI下室外照度第一次达到15000lx的时间。表1为监测期间照度数值与对应时间的AQI数值，表中室外照度达到15000lx时间为仪器检测到的测点第一次出现小于15000lx的时间(以分钟为单位)。以2015年3月3日为相对零点，计算出的每天照度达到15000lx的相对时间。表中负值表示该日照度达到15000lx的相对时间较3月3日提前。使用统计软件SPSS分析AQI数值与室外照度达到15000lx的时间的相关性，得到两者相关系数为-0.915，P<0.01，二者显著相关性。由此可见空气质量指数AQI直接影响到建筑室内使用人工照明的时间，其中3月6日室内开灯时间较3月3日提前半小时。室内人工照明时间增加必将加大照明能耗。

表1　监测点照度达到室外设计照度的时间与

3.2雾霾天气对太阳光显色性影响

为分析雾霾天气下太阳光显色性的变化，以3月4日和3月8日两天为例，取光谱中的410nm、440nm、460nm、550nm、570nm、610nm、660nm 7个典型波段的辐射照度值进行分析，见图4。从太阳光辐照度数值上来看，两天中570nm、610nm、660nm三个波段单色光辐照度数值均相对较高，分析其原因是非雾霾天气时大气中存在大量气溶胶粒子，且其粒径多集中在20～90nm，光的波长越接近此数值，相应的吸收、散射、折射作用越强，而以上三种波段波长相对较长，传播中损失相对较小，因此测点接受到的辐照度值较大；雾霾天气时空气中气溶胶浓度增大，尤其是粒径较大的粒子如PM10往往对长波段的光影响更大，导致570nm黄色光、610nm橙色光两个波段辐照度数值减小。

图4　测点处分光谱照度变化序列Fig.4　Minutely change of spectrum irradiance on monitoring point

为进一步分析雾霾天气对各波长单色光的影响，比较3月4日与3月8日两天同一时刻的测点处各波长辐照度差值与AQI差值的关系。由图5可见，受AQI变化影响较大的是570nm、610nm、660nm三个波段的光，而其余波段的光则受影响较小，太阳光谱中长波部分的减弱会导致对黄红等颜色的表达减弱，使物体看起来发青发乌，长期处于这种光环境中将对人的心理和生理产生影响。

图5　3月4日与3月8日相同波段的太阳光辐照度逐时差值与AQI数值变化序列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结论

1)2015年3月3—3月11日，测点处经历了一次完整的雾霾天气过程。典型雾霾日和非典型雾霾日的室外照度数据显示，当AQI差值为253时(15:00)，测点处照度差值达到13622lx，当AQI差值为83时(18:00)，测点处照度差值为223lx，因此雾霾天照度减小值与AQI数值之间存在一定相关性。雾霾天照度值的减小将延长室内人工照明时间，增大照明能耗。雾霾日室内开始采用人工照明进行补光时间最高可提前30min，使用统计软件SPSS分析开灯提前时间与AQI数值之间相关，-0.915，P<0.01，故两者显著相关。

2)雾霾天气太阳光中的可见光7个典型波段的辐照度受到影响不同，570nm、610nm、660nm三个长波波段受影响较大，其中610nm的橙色光辐照度在典型雾霾日减小48μW/cm2，减小幅度达73%。太阳光谱的改变会导致太阳光显色性发生变化，进而改变雾霾天气中物体颜色，影响人体心理和生理健康。

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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

通讯作者：党睿，EMAIL:dr_tju@163.com

基金项目：国家自然科学基金重点项目(项目编号51338006)、高等学校学科创新引智计划(项目编号B13011)、绿色建筑与节能技术北京市重点实验室开放基金

中图分类号：TU 113

文献标识码：A

DOI:10.3969j.issn.1004-440X.2015.06.005