控制建筑内部空间PM2.5污染的建筑设计研究

本文是建筑学论文，根据不同季节，在建筑设计实践中合理的优化建筑通风，合理地控制室内湿度及材料的铺设面积，使得电气石在该建筑中能够最大效率的释放负氧离子。并利用CFD技术下的FLUENT软件进行计算机数值模拟，结果表明，在1384平方米的建筑中，通过铺设2044m2的电气石材料，可在10h内，沉降134µg/m³左右的PM2.5，最终将建筑内的PM2.5浓度沉降到25µg/m³左右，低于我国室内24小时PM2.5的平均浓度标准，基本满足人们居住生活的要求。因此，也证实了通过建筑设计的方式控制建筑内部空间PM2.5污染的合理性，该研究可以为今后建筑设计阶段考虑是否通过电气石材料改善建筑内部空间空气质量起到参考作用。根据负氧离子可以使空气中的PM2.5等颗粒物聚集成团并受到重力的作用沉降到地面的原理，试图探索建筑设计与降低建筑内部空间PM2.5浓度之间存在的关联和契合之处，并结合建筑设计能够在设计的各个阶段优化建筑内部空间的风环境和湿度环境，同时可方便的实现材料的控制，形成降低PM2.5浓度的天然优势。并通过FLUENT软件对设计过程进行计算机数值模拟，以验证设计的可行性，最后探讨出建筑设计控制建筑内部空间PM2.5污染的可行性方法。通过查阅国内外控制室内PM2.5污染的相关文献，对已研究出的成果进行总结和学习，找出建筑设计和控制建筑内部空间PM2.5污染的关联，寻求创新点，为本文的研究提供切入点和理论支撑。
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1绪论

近几十年来，由于我国的快速发展，颗粒物污染越发严重，利用计算流体力学(ComputationalFluidDynamics，CFD)对空气流动进行数值仿真的方法开始越来越多的进入暖通空调领域，对于PM2.5室内净化的数值模拟实验进行了研究。在国外颗粒物控制方法的基础之上，中外学者开始运用CFD软件模拟建筑内部颗粒物分布的规律和分布情况，对颗粒物污染的控制策略进行进一步的研究。1997年，ChristianL等人[29]在质量平衡的基础上，对夜间关闭空调情况下的实验房间进行监测。结果表明，换气次数少致使房间内颗粒物浓度随走廊内颗粒物浓度的增加变化不大。1999年，ThomasC[30]等对办公室内颗粒物浓度的实测研究，结果表明，由于换气次数较小，办公室颗粒物浓度随走廊内颗粒物浓度的增加变化不大。这与ChristianL研究结果相吻合。2005年，Matson[31]利用数量守恒原理建立颗粒物的物理动态模型，并在对只考虑通风换气次数的影响未考虑颗粒物的穿透率及沉积率的影响因素前提下，对建筑内动力学当量在粒径0.01~1µm的颗粒物进行数值模拟。2008年，HusseinT等[32]对建筑内颗粒物模型建立过程中的机理和实际应用进行了介绍，并提出其建立所需要的基本原则是质量平衡方程，被称为是室内PM2.5浓度预测模型的里程碑。对于目前建筑设计研究忽视了控制其内部空间PM2.5的污染的问题，本课题进行了反思。

2建筑内部空间PM2.5污染调研分析

2.1建筑内部空间PM2.5实测分析

由于测试条件有限，选取徐州市宝龙广场某办公室、中国矿业大学某学生宿舍、中国矿业大学音乐餐厅作为测量对象。通过检测结果了解目前徐州市建筑内部空间中PM2.5的污染状况，为后续开展建筑内部空间PM2.5污染控制奠定基础。徐州市宝龙广场办公室距离马路较近，位于一栋13层办公楼的9F，面积为102平方米，室内地面铺有普通瓷地砖，有10台式电脑和20台笔记本电脑，平时办公室人数为20-30人左右（图2-1）。秋季，的门窗均打开，采样时室内处于自然通风状态，办公室、宿舍和音乐餐厅的测试时间均为2018年10月1日--2018年10月31日，每天的室内外PM2.5平均值取各检测点检测值的平均值。由图2-12、图2-13和图2-14可知，10月份过渡季的办公室、宿舍和音乐餐厅的室内外PM2.5浓度变化的趋势大致一样，呈现出明显的相关性。当室外PM2.5浓度达到当月峰值时，可发现10月份办公室、宿舍和音乐餐厅的室内PM2.5浓度也达到了本月室内最高值，分别是76µg/m3、65µg/m3、54µg/m3。与我国建筑室内PM2.5检测日平均浓度标准值规定的35µg/m3相比，宝龙广场办公室、宿舍、音乐餐厅的室内PM2.5浓度10月份超标天数分别为8天、9天和13天。可见过渡季的建筑内部PM2.5污染明显轻于冬季的建筑内PM2.5污染。

2.2检验测量PM2.5仪器的精确性

通过以上数据的对比发现，PM2.5测量仪器检测出来的数据要比我国环境监测总站公布的数据普遍略低，导致结果出现差异的主要原因是监测地点不相同或是由于徐州不同地区气压环境的不同等，但总的结果显示两者之间的差值稳定，属于正常的误差，由此说明这个仪器测得的数据较稳定。因此，上述实验结果较准确，PM2.5的实测值较可靠。室外PM2.5可以通过各种方式进入到室内来影响室内PM2.5的浓度，比如通风、门窗等围护结构的缝隙以及吸附在人们的衣物上被携带进室内（图2-19）。建筑物的机械通风、自然通风和渗风都会使得建筑室外空间中可吸入颗粒物进入到建筑室内。机械通风系统中，室外可吸入颗粒物可以通过室外通风管道进入室内，并且机械通风系统中的过滤器不能百分之百的对颗粒物起到过滤的作用，所以仍有很多室外颗粒物通过机械系统进入到室内。自然通风一般在风压和热压的作用下，室外颗粒物通过门窗进入到室内。在开空调和采暖设备的情况下，门窗紧闭，室外的颗粒物就会伴随着新风透过建筑的围护结构进入室内。如惬意的休闲区、洽谈区、创意活动区等内部小空间。这些轻松地共享的共享环境里，可增进设计师之间的交流互动，增加交流共享，在这种多元化的办公空间里，激发建筑师创造性的思维。

3建筑设计控制建筑内部空间PM2.5污染的可行性............................................25
3.1建筑内部空间设计的内容....................................................................................25
3.2控制建筑内部PM2.5污染的可行性理论分析..................................................26
3.3控制建筑内部空间PM2.5污染的可行性实验研究..........................................28
3.4建筑设计控制建筑内部空间PM2.5污染的可行性策略...................................38
3.5本章小结...............................................................................................................39
4控制建筑内部空间PM2.5污染的建筑设计........................................................41
4.1前期调研...............................................................................................................41
4.2设计构思...............................................................................................................42
4.3设计分析...............................................................................................................43
4.4数值模拟分析.......................................................................................................57
4.5本章小结...............................................................................................................63
5结论与展望..............................................................................................................64

4控制建筑内部空间PM2.5污染的建筑设计

4.1前期调研

基地位于江苏省徐州市新城区大龙湖湖北岸，距离老城区市中心约12公里，基地所处的新城区板块不仅拥有齐全的公共配套设施、优美的自然生态风景、蓬勃发展的经济，也逐渐成为宜居宜游、宜业宜商的现代化城市主导中心（图4-1）。大龙湖及周边景观带就位于徐州新城区的中心，西邻拖龙山，南临迎宾大道，东及东南方向为徐州新城主导发展区。周边交通便利，有91路和92路班次公交车直达徐州老城区。同时，基地所处的大龙湖景区不仅风景秀丽也是整个新城区的氧吧。结合以人为本的设计理念，创造有序而和谐的工作空间。针对本案，在考虑建筑师的办公功能的同时，更加重视绿化设计和生态设计，通过在建筑内部空间中合理配置绿色植株可使建筑师的工作效率提高，同时设计景观庭院和屋顶观景平台等也可缓解建筑师的工作压力；此外设计中应该更多的尊重在内工作的建筑师的多种需求，为人的需求不断改变而提供相应可能性，如在办公区的设计中增加更多的通透部分，建筑也因此可以减少能源消耗。设计上充分考虑建筑师团队的需求和日常活动，赋予空间新的特性，以简约风格为核心的设计理念，因此设计过程中避免使用繁琐复杂的装饰，运用原始混凝土墙面，建筑体形和表皮皆选用简单的形状和颜色，以此来保证办公建筑立面简约的效果。现代社会建筑师行业工作压力大，简洁、干净、舒心自在的办公氛围可给工作状态紧张且易怒的建筑师带来较为积极的影响，可使建筑师心情更为愉悦。

4.2设计构思

本项目认为所设计的建筑师事务所，需要考虑建筑设计师们的工作需求和精神需要。首先，建筑师在工作过程中是一个团队协作和灵感碰撞的过程，所以在设计时需作出一块独特的空间便于他们工作的交流。其次，考虑到建筑设计师具有任务重、压力大的工作特点，其工作之余均渴望放松心情，遂在设计时需将时尚、活力的设计元素应用其中，给年轻人带去活力和生机，同时可将生态绿色的设计理念融入到设计中，缓解员工的身心压力。因此，尽管该建筑师事务所设计初衷是利用建筑设计的手段降低室内PM2.5，但仍需在设计的过程中考虑使用者的多重需求，务必在确保功能适用、设计美观的同时，控制其内部的PM2.5的污染。本项目将从以下几个方面进行控制PM2.5污染的优化设计：第一，从建筑的场地入手，充分利用场地周边环境的优势和资源，并将自然通风的被动式设计的理念融入在建筑设计的各个阶段，从而为建筑内部空间创造沉降PM2.5的风环境。第二，建筑设计可通过控制电气石材料的铺设面积来控制其内部空间PM2.5的污染。第三，利用科学的设计手段优化其建筑师事务所内部空间的相对湿度。由于在该设计中不仅要满足使用对象的工作需求和精神需要，还要考虑控制其内部空间中PM2.5浓度的需求，故在设计过程中应当全面考虑，使之相互协调。为了避免现代办公空间太过单调统一、枯燥乏味，办公环境的设计应注重对人员的工作效率的提升及工作压力的缓解，在考虑私密的会议空间和开放的办公区的同时，还需考虑氛围愉快的共享空间。

5结论与展望

这些已有的建筑设计研究在保护环境、调节建筑微气候环境、提高空间舒适性以及节能减排等方面已作出很多相关的研究，并取得了一些成效。然而，建筑设计在注重环境保护和节能减排的同时，对雾霾污染严重引起的建筑内部空间PM2.5污染的研究重视度不够，并没有提出有效的建筑设计方法去解决内部空间的PM2.5问题。因此，本文旨在探索并找到如何利用建筑设计的方法控制建筑内部空间PM2.5污染，从而创造出健康的内部空间环境。本文对建筑设计的方式控制建筑内部空间PM2.5污染进行了初步的探索，提出的解决建筑内部空间PM2.5污染的问题极具迫切性，从建筑设计的角度解决室内空气质量问题极具创新性，同时通过研究发现具有一定的可行性，但由于本课题涉及到多个学科且相关建筑设计几乎没有，还有很多不足之处，在今后的研究中还需进一步完善：1.由于作者对FLUENT软件的研究处于初级阶段，在模型的建立和网格的绘制过程中为方便模拟计算，对模型进行简化，而导致模拟结果产生误差。2.在建筑设计优化通风的设计过程中，不能保证建筑室内的风速保证均匀，使得最终数值模拟的结果存在误差。3.由于过渡季的建筑通风优化设计受气候因素影响较大，本文中建筑的选址在徐州市，所以建筑设计的室内通风优化、室内相对湿度的控制是基于徐州的气候特点进行的，其他地区还需根据当地的气候进行相应的建筑通风优化。
参考文献（略）