新冠肺炎疫情期间办公建筑通风效果分析及优化策略研究

2020 年初新型冠状病毒肺炎（COVID-19）疫情暴发，作为呼吸道传播病，新冠肺炎主要依靠空气飞沫及密切接触传播，且存在气溶胶传播（空气传播）风险。2022 年 3 月蔓延的上海疫情，导致多数居民小区封闭管理，企业推行居家办公，城市生产力水平大幅下降。感染原因聚焦于不合规的集中空调通风引起的空气交叉感染。

建筑室内环境是人类接触最密切的外界环境之一。室内空间相对封闭、人员密度高、使用时间长的办公建筑室内环境存在较大交叉感染风险。

本文以上海某典型办公区为研究对象（简称为办公区），应用数值模拟与现场实测，分析过渡季自然通风稀释效果对新冠病毒传播风险的影响。同时，针对过渡季办公建筑设计使用特点，提出室内环境优化策略，为办公建筑疫情防控提供运行指导。

1 办公建筑防控思路

多数学者指出室外新风是安全清洁的。疫情防控期间，根据 GB 50365-2019《空调通风系统运行管理标准》，空调通风系统宜按全新风工况运行，防止回风带来的交叉污染。加大新风通风换气量可改善空气品质，稀释空气中的新冠病毒浓度，加速去除潜在病原体颗粒，降低传播风险。因此，办公建筑宜优先大量引入室外新风，提高通风换气能力。

上海地区过渡季，室外平均温度为 17 ℃，气温舒适。通过调研，绝大多数办公建筑在疫情严峻时期根据疾控部门要求，暂停使用空调通风系统，优先利用自然通风。作为应急防控措施，虽没法完全保证室内温度，但能最大限度切断新冠病毒通过空调通风系统传播。

2 研究案例

研究案例为大空间办公区，位于某建筑 5 层，面积为 627 m2，设有可开启外窗（平推窗，最大平推距离为 10 cm），过渡季可自然通风。室内常驻 120 人。空调系统形式为多联式空调加新风系统，新风机组集中设于新风机房。办公区平面布置图如图1 所示。

图1 办公区平面布置图

3 研究方法

本文采用数值模拟与现场实测相结合的研究方法，研究过渡季自然通风量对室内气溶胶的稀释效果。CO2浓度作为新风量控制指标，众多学者指出室内 CO2测量有望大规模监测 COVID-19 等呼吸道疾病的室内气溶胶传播风险。清华大学林波荣教授在“新冠疫情下典型封闭空间环境参数实测及安全运行策略分析”研讨会中提出：CO2浓度（即 CO2体积分数）大于 600 ppm（1 ppm=100×10-6,下同）时，可认为该室内环境存在新冠肺炎感染风险。由于室内感染者的呼吸是新冠病毒主要来源，与室内 CO2来源一致，故本文以 CO2浓度作为感染风险核心指标，将 600 ppm 作为室内新风量不足的警示值。

实测之前，采用计算机流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）数值模拟方法建立计算模型，分析自然通风条件下办公区室内 1 m 平面（人员呼吸带高度）空气龄分布，确定 CO2传感器位置。这是由于空气龄作为评价通风效率的有效指标，不同空气龄代表不同通风效率，可间接表明 CO2的停留时间，使 CO2浓度监测点位更具代表性。

3.1 数值模拟

选用 CFD 软件 STAR-CCM+，较真实地还原办公区及其所在建筑的自然通风环境。计算模型如图2 所示。

图2 几何模型图

3.2 现场实测

现场实测选取 6 个连续工作日（2022 年初春），测试时间为人员密度稳定的集中办公时间（9:00-18:00）。根据空气龄分布，选取 4 个特征点位，布置 CO2传感器（距地高度为 1 m），采样间隔为 5 min。同时，两天为一组改变平推窗平推距离（10.0、7.5、5.0 cm），以改变有效通风面积影响新风量。

互质阵列是一种非均匀稀疏阵列，所以阵列流型A不满足范德蒙矩阵的形式，此时方向向量a(θi)=(1,e-jMπsinθi,e-jNπsinθi,…,e-j(2M-1)Nπsinθi)T，为了充分利用阵列的稀疏特性，对接收信号协方差矩阵进行列向量化处理如式(5)所示

4 分析与讨论

4.1 模拟结果与实测点位确定

通过数值模拟，可得到过渡季办公区自然通风条件下室内 1 m 平面的空气龄分布：A 区外窗位于建筑迎风面，整体通风情况最好；除新风入口处空气最新鲜外，两端通风情况较好，空气龄均值在 600 s 左右；但中部气流形成漩涡，不易扩散。C 区外窗在建筑背风面，对气流影响较小。B 区相对封闭，易造成气流堵塞，空气龄最大值（1 420 s）出现在中部 2 个小办公室内。整个办公区自然通风的平均空气龄为 967 s。根据空气龄分布，现场实测选取 4 个代表点位（1#～4#）。空气龄分布及点位选取如图3 所示，点位选取依据详见表1。

图3 自然通风条件下空气龄分布及点位（1#～4#）选取图（单位：s）

表1 点位选取依据表

4.2 实测结果

3 组外窗平推距离条件下，各点位 CO2浓度随时间变化的曲线如图4 所示。图4 中所示 CO2浓度均为同一平推距离下同一时刻的平均值。由 CO2传感器得到 6 个工作日各点位的 CO2平均浓度详见表2。CO2浓度随时间变化没有明显规律性，但不同点位 CO2浓度存在明显差别，总体上，4 个点位 CO2浓度从高到低排列顺序为：1#、4#、2#和 3#。这是由于 CO2浓度除与通风效率有关外，还与人员密度息息相关。通风效率决定 CO2的停留时间，而人员密度决定 CO2的生成量。1#～3# 区域的人员密度基本一致，约为 3.5 m2/人；4# 位于独立办公室，人员密度较小，约为 6.0 m2/人。虽然 4# 的空气龄最大，但其人员密度较小，CO2浓度低于 1#。而同一人员密度下，空气龄越高的区域，室内 CO2浓度也越高。

表2 各实测条件下 CO2 平均浓度

图4 3 组外窗平推距离条件下各点位 CO2 浓度

图4 也体现了各点位 CO2浓度＞600 ppm 的时间比例。综合来看：1#、4# 所在区域有 65% 以上概率，表示通风对室内气溶胶稀释效果并不理想；2# 所在区域有 25% 以上的概率；3# 所在区域通风效果最好，10.0 cm 外窗平推距离条件下，CO2的浓度均＜600 ppm。

本文进一步分析了 CO2浓度与外窗平推距离及实测日新风风级的关系，如图5、图6 所示。外窗的平推距离即有效通风面积对于 CO2的浓度影响没有室外新风风级大。新风风级增大，CO2浓度随之降低，室内通风效果增强，新冠病毒浓度也可进一步降低。

图5 3 组外窗平推距离条件下 CO2 平均浓度

图6 不同新风风级条件下 CO2 平均浓度

5 优化方案

根据以上结果，办公区自然通风对气溶胶的稀释效果不佳，需进一步加大新风降低感染风险。由于自然通风效率不仅受新风风级、通风面积影响，与新风风速、风向等因素也息息相关，无法保证办公区人均 30 m3/(h·人)的最小新风量。为尽量确保使用者健康与安全，以机械通风辅助自然通风的复合通风可保证新风量供给，同时避免空调运行带来的病毒交叉感染与能源消耗。综合考虑可操作性、经济性、合理性，本文提出 2 个复合通风方案，机械送/排风口布置图如图7 所示，方案说明具体如下。

图7 机械送/排风口布置图

（1）方案 1 为自然通风+机械排风方案。机械排风风量为 3 600 m3/h，风速 3 m/s。排风口主要设置在空气龄较大区域，且尽量远离新风入口及人员活动区。

（2）方案 2 为机械送风+自然排风方案。机械送风风量为 3 600 m3/h，风速 3.5 m/s。机械送风系统沿用原系统新风风管，并在新风机房增设 1 台普通风机。通过阀门的切换，过渡季开启普通风机运行，而冬季夏季开启新风机运行。

采用数值模拟来论证 2 个方案对自然通风的强化效果。方案 1、方案 2 室内 1 m 平面的空气龄分布详如图8、图9 所示。自然通风方案及复合通风方案下室内 1 m平面温度及风速也进行了模拟计算，详见表3。分析发现，复合通风方案不仅能显著提升室内通风换气能力，还能改善气流组织，加速去除潜在病原体颗粒。由图8、图9 可知，2 个方案下空气龄分布都较为均匀，空气龄最大的地方均出现在资料室，对人员办公没有影响。由表3 可见：方案 1 平均空气龄为 633 s，方案 2 平均空气龄为 486 s。根据先前结论，人员密度一致时，空气龄越小，室内 CO2浓度越低，对应的感染风险也越小。温度方面，依据我国人体热舒适评价适应性模型[3]，月平均室外温度为 17.0 ℃ 时，人体中性温度为 24.8 ℃，以 80% 的人可接受舒适区宽度为 7.0 ℃ 定义室内舒适温度范围为 21.3～28.3 ℃。这表示过渡季，自然通风条件下室内平均温度已处于人体热舒适范围内，验证了过渡季关闭空调的合理性，而机械送/回风的引入能强化自然通风，进一步带走室内热源散发的热量。风速方面，复合通风方案平均风速≤0.3 m/s, 设计较为合理。相较而言，机械送风对室内气流组织的影响更大，对于自然通风的强化效果也更好。

图8 方案 1 空气龄分布（单位：s）

图9 方案 2 空气龄分布（单位：s）

表3 各方案空气龄、温度、风速模拟结果

6 结 语

本文以上海某典型办公区为研究对象，综合应用数值模拟与现场实测，分析过渡季自然通风对新冠病毒的稀释效果，并基于新风量不足的现状提出复合通风优化方案，结论如下。

（1）同一人员密度下，空气龄越高，室内 CO2浓度越高，通风对新冠病毒的稀释效果减弱。当 CO2浓度超过 600 ppm 时，存在较大的感染风险。

（2）办公区自然通风对气溶胶的稀释效果不佳，复合通风能显著减小各区域空气龄，降低病毒感染风险，保证新风量供给。

（3）相比于机械排风，案例研究中机械送风对室内气流组织影响更大，对于自然通风的强化效果更好。

本文通过建立空气龄与 CO2浓度之间的联系，探讨了建筑室内通风效果对疫情防控的影响。受限于场地条件，仅安装了 4 个传感器，研究发现空气龄与 CO2浓度的变化趋势存在一致性，但直接对应关系尚不清楚。后续建议监测更多点位以期建立两者函数关系，使建筑室内通风设计更加有效地防止新冠病毒传播。

办公建筑设计时需保证疫情期间主要功能房间具备自然通风的能力，空调通风系统宜具备全新风运行工况。疫情期间建筑运营需考虑其设计及使用特点，提出合理运行策略，保证人员健康安全。建议设置通风空调监测预警系统，将 CO2浓度作为室内环境控制指标，当浓度超过警示值时及时提高新风量。对于过渡季自然通风建筑室内，可适当引入机械通风系统，以优先采用自然通风为原则，当自然通风受限时启动机械通风提高建筑通风换气能力，降低新冠肺炎感染风险。