交通相关空气污染物侵入与自然通风建筑室内空气质量的流动条件渗透指标

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：A flow conditioned infiltration metric for traffic-related air pollution ingress and indoor air quality in naturally ventilated buildings

　　

自然通风建筑中室内外污染物浓度关系通常通过室内/室外浓度比进行研究。该指标提供了相对于室外环境的瞬时暴露水平信息，但未考虑控制污染物通过建筑开口传输的局地气流条件。本工作旨在开发一种流动条件侵入参数，以补充室内/室外浓度比，从而物理描述室内外关系。研究人员在位于马耳他G?ira高宽比街道峡谷中的一栋单侧通风办公楼内，同步开展了室内外NO₂浓度、交通流量和风况的现场测量。将所提指标与传统室内/室外比进行比较。对两个参数的低频域分析表明，传统室内/室外浓度比紧密跟随主导交通频率，且不随风况变化而改变；另一方面，新提出的指标也表现出对风况的依赖性，这改变了其频率响应。此外，传统室内/室外比在低室外浓度事件期间呈高离散度，且未表现出对局地流动条件的明确依赖；所提指标则表现出对局地流动条件的清晰敏感性，其极性指示有利或不利通风状态是否占主导。因此，所提参数被证明提供了一种可物理解释的指标，将气态污染物传输过程与室内污染物浓度联系起来，弥补了传统指标在暴露于污染室外环境的自然通风建筑设计中的局限性。

该研究发表于《BUILDING AND ENVIRONMENT》，针对自然通风建筑暴露于交通相关空气污染时的室内外污染物交换问题展开。城市街道峡谷中，交通源排放的二氧化氮（NO₂）等气态污染物在立面与行人高度分布不均，自然通风可能将受污染空气引入室内。传统上常用室内/室外浓度比（I/O ratio，R_I/O）描述室内外关系，但该指标仅反映瞬时暴露水平，不包含决定污染物通过窗户等开口传输的局地气流方向与强度，且在室外浓度趋零时产生奇异值、不确定性放大，也无法区分相同比值对应的不同绝对暴露水平，因而不能物理描述污染物侵入过程。为此，研究人员提出流动条件侵入参数Φ(t)=U_n(t)[C_out(t)-C_in(t)]，其中U_n为窗户法向风速分量，利用室外与室内浓度差乘以局部法向速度来表征污染物的净传输倾向。研究在马耳他G?ira的Rue D’Argens高宽比约3的街道峡谷开展，选取一栋临街市政办公楼内的单侧通风办公室，于2021年10月和11月各数天内同步测量室内外NO₂浓度、交通流量、屋顶及窗前风速风向等。研究显示，传统R_I/O受室外低浓度奇异行为影响明显，而Φ通过其正负极性能够直接指示有利或不利的通风状态，为自然通风设计提供更具物理意义的补充指标。

在关键技术方法方面，研究人员采用MetroCount RoadPod VT5900气压管车辆计数器获取交通流，采用Vaisala AQT420与Aeroqual Series 500分别监测室外和室内NO₂，采用Thies Clima? 3D与2D超声风速计测量窗前与屋顶风况。对缺失交通计数，利用路口转向比模型和线性走廊模型重建。数据分析方面，对浓度、交通流量和Φ进行快速傅里叶变换（FFT）低频频谱分析；按0.1 m/s的U_n区间对R_I/O与Φ作条件平均分箱，并绘制其随交通流量与U_n变化的等值线分布。现场样本来自马耳他G?ira的Rue D’Argens街道峡谷内一栋市政办公楼，周边路网同步交通数据用于重建缺失记录。

主要研究结果如下。时间序列与频域特征方面，室外NO₂浓度随交通流呈明显日变化，低交通时段接近零；室内浓度较稳定，夜间衰减缓慢。10月风向北东较稳定、平均风速约3 m/s，11月风向变化剧烈、平均风速约2 m/s。FFT分析显示交通流主峰周期为24小时、次峰为12小时，另有8小时和6小时通勤相关峰；室外NO₂主频与交通一致，室内主频为24.83小时，较交通主频略有偏移，且室内次峰在风向稳定的10月较弱，在风向多变的11月不再突出，说明室内浓度受窗口气流动态过滤。传统R_I/O的主频在两种风况下均接近交通主频，而Φ在11月无明显主峰，频谱展宽，反映其对风向变化敏感。

传统I/O比与流动条件参数对比方面，按U_n分箱后，R_I/O随U_n单调上升，在负值入流时接近但大于1，正值出流时出现极大值并伴随大离散度，这主要由室外低浓度奇异性造成；Φ则呈现清晰极性：U_n为负即入流时平均Φ为正，U_n为正即出流时平均Φ为负。按照符号约定，正Φ表示有利通风，负Φ表示不利通风，从而可直接判断单侧通风状态。

联合依赖分析方面，二维等值线中R_I/O分布高度不连续，极值多出现在低交通流即低室外浓度区，无明确趋势；Φ则受U_n主导，负U_n时为正，正U_n时为负，且低交通流时负值更明显；高交通流下正Φ变小但仍为正值。接近零U_n时，湍流脉动对污染物传输的作用凸显，与单侧通风研究文献一致。

讨论部分指出，Φ考虑了窗口气流方向与浓度差，能更全面描述传输过程，而R_I/O仍是暴露水平的有用指标，两者宜互补使用。与计算流体力学（CFD）和风洞研究相比，现场数据包含更多瞬态交通与大气湍流，但结果支持局部气流组织决定污染物侵入效率这一物理认识。研究局限包括测量时间短、窗前法向速度为距开口1米处单点测量、仅验证单一建筑类型。研究还通过雷诺分解给出Φ的广义形式，包含平均项与湍流协方差项，并指出弱平均流条件下需要高频测量或大涡模拟（LES）进一步研究。Φ可辅助自然通风设计、运行控制，并可推广至颗粒物（PM）和挥发性有机化合物（VOCs）等其他交通相关污染物。

研究结论可概括为：提出了流动条件侵入参数Φ，通过结合窗户法向风速与室内外浓度差，比传统浓度比更能物理描述污染物侵入；室外NO₂浓度跟随交通源频率，室内浓度表现为动态过滤响应；R_I/O在低室外浓度时不稳定且对风况不敏感，而Φ的极性可区分有利与不利通风状态，且对窗法向平均风速敏感；该参数不应取代I/O比，而是作为补充，用于量化暴露并诊断开口处局地气流如何影响污染物传输，进而为自然通风控制策略提供依据。未来需在不同建筑类型、湍流传输条件及其他交通相关污染物中进一步验证。该工作由Daniel Micallef和Kenneth Scerri完成。