全国主要城市颗粒物浓度波动分析及设计值比较

郭凯璇 杨学宾 王雪羽

东华大学环境科学与工程学院

根据调查，人类90%以上的时间是在室内度过[1]，因此提升室内空气品质尤为重要。长时间处于密闭空间中，房间内二氧化碳浓度升高，会引起人呼吸不畅、精神不振继而引发各种健康问题，因此为了给建筑使用者提供良好的室内环境，引入新风系统尤为重要。然而近些年，我国大气污染严重，多地雾霾频发，2016年雾霾更是在全国集中爆发，为了保证引入洁净的新风，需要对引入的新风进行净化处理。常规的空调新风处理系统只有粗、中级空气过滤器，对颗粒物不能进行有效的控制[2]。在雾霾愈演愈烈的背景下，为了保证室内的空气质量达到健康标准，应该考虑在室内采用有效空气过滤方案。

作为雾霾诱因的PM2.5、PM10问题已引起社会广泛关注[3]。由于雾霾分布呈现明显的地域特征，不同城市的颗粒物浓度分布及雾霾高峰期时间有各自的特点[4]，在空气过滤方案的制定过程中如果一概而论会出现设备选型不合理的情况。本文针对雾霾天空气过滤方案的问题，通过对国内主要城市近三年逐日PM2.5及PM10数据收集并分析，采用暖通设计惯用的“历年平均不保证天数法”进行计算得出不同城市的室外颗粒物设计浓度。可以为不同城市针对当地具体情况进行空气过滤时提供因地制宜的办法。

1 典型地区颗粒物浓度分布调研

本文对国内主要城市对应环境进行了数据采集，由空气质量历史数据查询网站[5]提供2014～2016年全国30个主要城市的逐日空气质量数据，分析各城市污染物浓度特性，与目前国内典型大气及建筑环境的颗粒物污染水平进行对比分析。

1.1 环境空气颗粒物状况调查及分析

根据2015年来自环保部的中国环境状况公报内容：2015年全国338个地级以上城市全部开展空气质量新标准监测。监测结果显示，有73个城市环境空气质量达标，占21.6%。265个城市环境空气质量超标，占78.4%。PM2.5年均浓度平均值为50 μg/m3，为国家一级标准3.22倍。日均值超标天数占监测天数的比例为17.5%。达标城市比例为22.5%。PM10年均浓度为87微克/立方米，为国家一级标准1.74倍。

针对目前我国国情，我国于2012年发布环境空气质量标准GB 3095-2012，其中增加了对PM2.5的限值要求，并调整了对PM10浓度的限值要求。国内外主要国家、地区对大气环境颗粒物污染浓度限值见表1[6-7]。

表1 国内外主要国家、地区对大气环境颗粒物污染浓度限值

如表1所示，美国对室内PM2.5浓度给出了较为合理限值，室内PM10基本给出了控制标准。可以看出，中国PM2.5年平均二级标准限值同比高出美国限值20 μg/m3，年平均一级标准限值高出美国限值3 μg/m3。我国针对建筑环境PM10给出了控制标准，标准限值高出欧盟限值100 μg/m3，与美国限值持平。

1.2 典型城市近三年颗粒物变化趋势分析

选取北京地区、上海地区为代表做出近三年颗粒物变化趋势图。

图1 上海市2014～2016年PM2.5、PM10日均值

由图1可知，上海市颗粒物浓度呈现明显的V型分布，季节分布强，9月～次年5月是颗粒物浓度高峰期。每年颗粒物峰值时期出现在1月中旬左右。数据显示，全年约三分之一的时间上海市PM2.5日均浓度超过GB3095-2012二级标准限值，约70%时间超过一级标准限值。

图2 北京市2014-2016年PM2.5、PM10日均值

图2是北京地区2014-2016年颗粒物浓度变化趋势图。由图可见，北京市PM2.5日平均浓度与PM10日平均浓度有显著的相关性，计算得出相关系数R为0.9645。PM2.5季节性变化趋势明显，呈V形趋势变化，夏季低冬季高。全年约70%时间北京市PM2.5日均浓度超过国标二级标准的限值，且均超过一级标准的限值。

1.3 全国主要城市污染物浓度分析

本文中以无量纲参数——变异系数（Coefficient of Variation）为参考标准，计算每年各城市PM2.5浓度数据离散程度，以此衡量各个城市颗粒物浓度四季波动程度[8]。变异系数可以消除单位和平均数不同对两个或多个资料变异程度比较的影响。变异系数计算公式如下：

式中：CV为变异系数；SD为某城市年颗粒物浓度标准差；Mean为某城市年颗粒物浓度平均值。

根据图1、图2可知，颗粒物分布呈现明显的“V型分布”的特征，即周期性。同时，不同城市的颗粒物峰值时期与高峰颗粒物浓度均有较大区别，根据变异系数计算公式得出计算结果，分析结果可知，颗粒物年度变异系数的数值呈现明显的由北向南逐渐递减的地域特点，综合变异系数数值、各城市地域分布、主要颗粒物PM2.5、PM10的年平均浓度变化情况图像，将国内30个主要城市分为三类：1）I类城市，颗粒物季节变化明显，即颗粒物浓度分布呈现V形分布，呈现冬天高夏天低的特点，此类城市年度颗粒物变异系数在69%～102%之间。2）Ⅱ类城市，颗粒物季节变化略明显，颗粒物浓度分布可见冬天高夏天低的特点，年度颗粒物浓度变异系数在60%～69%之间。3）Ⅲ类城市，颗粒物年变化平稳，即颗粒物浓度四季平稳，年度颗粒物浓度变异系数小于60%，波动较小。各城市变异系数计算值以及城市分区情况则如表2、表3、表4所示。

表2 I类城市PM2.5年度变异系数计算值

表3 Ⅱ类城市PM2.5年度变异系数计算值

表4 Ⅲ类城市PM2.5年度变异系数计算值

在收集到的国内30个城市的气象参数中，所有的城市年平均PM2.5、PM10浓度三年平均值均高于国标年平均浓度一级限值。年平均PM2.5浓度三年平均值低于国标年平均浓度二级限值的城市有3个，分别为拉萨、福州、深圳，年平均浓度分别为25.2 μg/m3、29.3 μg/m3，29.8 μg/m3。年平均 PM10 浓度三年平均值低于了国标年平均浓度二级限值的城市有6个，占比20%,分别为拉萨、广州、昆明、福州、贵阳、深圳，年平均浓度则分别为 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，广州、昆明、贵阳三城市超过国标二级限值至16%、10%、14%。在这30个城市中，日平均PM2.5浓度满足国标PM2.5日平均浓度二限值的比例高于90%的城市有五个，分别为拉萨、昆明、福州、贵阳、深圳，达标率分别为99%、92%、97%、90%、96%。

2 全国主要城市主要颗粒物室外设计浓度

2.1 颗粒物室外设计浓度的确定原则

在进行空气净化方案制定时，通常需要选择空气净化设备的型号参数。通常的方法是根据房间的换气次数或者根据建筑类型以及人均新风量来确定空气净化设备风量，但此方法忽略了室外参数的影响，无法根据各个城市各自的颗粒物分布特性来选择设备。在空气颗粒物污染控制设计中，应确定主要的颗粒物PM2.5及PM10室外设计浓度，由于室外颗粒物浓度随机性较强，一般根据当地气象资料选择年均值、日均值以及经验值作为室外设计参数，然而此方法存在一定的缺点。

暖通业内计算冷热负荷时，为了确定室外计算温度，通常采用“不保证天数法”，这是一种比较合理地确定供暖室外计算温度的统计方法，“不保证天数法”以日平均温度为统计基础，按照历年室外实际出现的较低的日平均温度低于室外计算温度的时间，平均每年不超过5天的原则，确定供暖室外计算温度。“不保证天数”方法中，统计3年的数据的方法是将室外颗粒物浓度的日均值进行从高到低排序，剔除“不保证天数”后颗粒物浓度平均值就是颗粒物室外设计浓度。因此提出以“历年平均不保证”的方法制定的室外颗粒物设计浓度，比较符合暖通人的设计思路[9]。

颗粒物污染控制设计，与暖通系统设计类似，目的都是为了提供良好的室内环境舒适度。如果污染物浓度在短时间内偏离设计值，不会造成很大影响。因此，选择某一保证率或不保证天数下的室外颗粒物浓度为室外设计浓度，既能确保室内颗粒物中所需的天数达到要求，又可以避免按年均值计算而带来的保证率低，按照日均值或经验值计算导致的设备选型不合适等问题。

2.2 基于“不保证天数”的国内主要城市颗粒物浓度设计值

对于主要颗粒物PM2.5、PM10室外设计浓度，本文提出了基于“不保证天数”的颗粒物室外设计浓度确定方法。“不保证天数”主要颗粒物室外设计浓度确定方法是统计最近至少三年的颗粒物浓度日均值，将每年室外颗粒物浓度的日均值进行从高到低排序，剔除“不保证天数”颗粒物浓度的最高浓度就是颗粒物室外设计浓度,并将多年的数据取平均值。根据对2013-2016年全国30个城市全年数据的统计结果，取“不保证天数”分别为5天、10天所对应室外PM2.5、PM10浓度作为PM2.5、PM10室外设计浓度，结果见表5～7。

表5 I类城市基于历年平均不保证的主要颗粒物室外设计浓度值

表6 Ⅱ类城市基于历年平均不保证的主要颗粒物室外设计浓度值

表7 Ⅲ类城市基于历年平均不保证的主要颗粒物室外设计浓度值

针对PM2.5及PM10浓度历年平均不保证5天的设计值中，设计值最高的为石家庄市，为95.5 μg/m3，PM2.5设计值高于国标年平均浓度二级限值35 μg/m3的城市有27个，占比90%。高于国标年平均浓度二级限值两倍70 μg/m3的城市有6个，占比20%。PM10设计值高于国标年平均浓度二级限值75 μg/m3的城市有22个，占比73.3%。PM10设计值高于国标年平均浓度二级限值两倍150 μg/m3的城市有3个，占比10%。同时满足PM2.5和PM10国标年平均浓度限值35 μg/m3的有深圳、福州、拉萨，占比10%。

根据表5-表7的计算结果，得出I/Ⅱ/Ⅲ类城市为满足PM2.5年平均一级限值而所需的过滤器PM2.5的最低过滤效率。如表8～10所示。

表8 I类城市基于“不保证天数”的过滤器最低效率

表9 Ⅱ类城市基于“不保证天数”的过滤器最低效率

表10 Ⅲ类城市基于“不保证天数”的过滤器最低效率

结果显示，基于历年不保证5天以及10天的室外PM2.5浓度，不同类别的城市为满足国标PM2.5年平均一级限值所需的过滤器最低效率范围区间有较大差别。I类城市的过滤器最低效率集中在75%～85%之间，Ⅱ类城市过滤器最低效率集中在64%～78.7%之间。Ⅲ类城市的过滤器PM2.5最低效率较分散，深圳、福州、拉萨这三个城市集中在36.6%～49%区间段内，其余五个城市集中在62%～71%区间范围内。

3 结论与分析

1）室外颗粒物分布呈现地域性特征，由北向南推移颗粒物季节波动趋势减弱，颗粒物年平均值逐渐降低。本文以暖通行业确定室外设计温度的方法为基础，根据30个城市近三年颗粒物浓度经计算得出了颗粒物高发季节，室外的PM2.5及PM10设计值，为制定空气过滤方案以及选择过滤设备提供了参考。

2）针对PM2.5及PM10浓度历年平均不保证5天的设计值中，设计值最高的为石家庄市，为95.5 μg/m3，同时满足PM2.5和PM10国标年平均浓度限值35 μg/m3的有深圳、福州、拉萨，占比10%。上述三个城市空气质量满足国标标准，可以仅将数据作为城市空气质量的参考，不考虑安装空气过滤设备。

3）基于历年不保证5天以及10天的室外PM2.5浓度，不同类别的城市为满足国标PM2.5年平均一级限值所需的过滤器最低效率范围区间有较大差别。因此在实际应用中应该根据地区特性制定因地制宜的空气过滤方案。