新冠肺炎疫情期間辦公建筑通風效果分析及優化策略研究

2020 年初新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）疫情暴發，作為呼吸道傳播病，新冠肺炎主要依靠空氣飛沫及密切接觸傳播，且存在氣溶膠傳播（空氣傳播）風險。2022 年 3 月蔓延的上海疫情，導致多數居民小區封閉管理，企業推行居家辦公，城市生產力水平大幅下降。感染原因聚焦于不合規的集中空調通風引起的空氣交叉感染。

建筑室內環境是人類接觸最密切的外界環境之一。室內空間相對封閉、人員密度高、使用時間長的辦公建筑室內環境存在較大交叉感染風險。

本文以上海某典型辦公區為研究對象（簡稱為辦公區），應用數值模擬與現場實測，分析過渡季自然通風稀釋效果對新冠病毒傳播風險的影響。同時，針對過渡季辦公建筑設計使用特點，提出室內環境優化策略，為辦公建筑疫情防控提供運行指導。

1 辦公建筑防控思路

多數學者指出室外新風是安全清潔的。疫情防控期間，根據 GB 50365-2019《空調通風系統運行管理標準》，空調通風系統宜按全新風工況運行，防止回風帶來的交叉污染。加大新風通風換氣量可改善空氣品質，稀釋空氣中的新冠病毒濃度，加速去除潛在病原體顆粒，降低傳播風險。因此，辦公建筑宜優先大量引入室外新風，提高通風換氣能力。

上海地區過渡季，室外平均溫度為 17 ℃，氣溫舒適。通過調研，絕大多數辦公建筑在疫情嚴峻時期根據疾控部門要求，暫停使用空調通風系統，優先利用自然通風。作為應急防控措施，雖沒法完全保證室內溫度，但能最大限度切斷新冠病毒通過空調通風系統傳播。

2 研究案例

研究案例為大空間辦公區，位于某建筑 5 層，面積為 627 m2，設有可開啟外窗（平推窗，最大平推距離為 10 cm），過渡季可自然通風。室內常駐 120 人。空調系統形式為多聯式空調加新風系統，新風機組集中設于新風機房。辦公區平面布置圖如圖1 所示。

圖1 辦公區平面布置圖

3 研究方法

本文采用數值模擬與現場實測相結合的研究方法，研究過渡季自然通風量對室內氣溶膠的稀釋效果。CO2濃度作為新風量控制指標，眾多學者指出室內 CO2測量有望大規模監測 COVID-19 等呼吸道疾病的室內氣溶膠傳播風險。清華大學林波榮教授在“新冠疫情下典型封閉空間環境參數實測及安全運行策略分析”研討會中提出：CO2濃度（即 CO2體積分數）大于 600 ppm（1 ppm=100×10-6,下同）時，可認為該室內環境存在新冠肺炎感染風險。由于室內感染者的呼吸是新冠病毒主要來源，與室內 CO2來源一致，故本文以 CO2濃度作為感染風險核心指標，將 600 ppm 作為室內新風量不足的警示值。

實測之前，采用計算機流體動力學（Computational Fluid Dynamics,CFD）數值模擬方法建立計算模型，分析自然通風條件下辦公區室內 1 m 平面（人員呼吸帶高度）空氣齡分布，確定 CO2傳感器位置。這是由于空氣齡作為評價通風效率的有效指標，不同空氣齡代表不同通風效率，可間接表明 CO2的停留時間，使 CO2濃度監測點位更具代表性。

3.1 數值模擬

選用 CFD 軟件 STAR-CCM+，較真實地還原辦公區及其所在建筑的自然通風環境。計算模型如圖2 所示。

圖2 幾何模型圖

3.2 現場實測

現場實測選取 6 個連續工作日（2022 年初春），測試時間為人員密度穩定的集中辦公時間（9:00-18:00）。根據空氣齡分布，選取 4 個特征點位，布置 CO2傳感器（距地高度為 1 m），采樣間隔為 5 min。同時，兩天為一組改變平推窗平推距離（10.0、7.5、5.0 cm），以改變有效通風面積影響新風量。

互質陣列是一種非均勻稀疏陣列，所以陣列流型A不滿足范德蒙矩陣的形式，此時方向向量a(θi)=(1,e-jMπsinθi,e-jNπsinθi,…,e-j(2M-1)Nπsinθi)T，為了充分利用陣列的稀疏特性，對接收信號協方差矩陣進行列向量化處理如式(5)所示

4 分析與討論

4.1 模擬結果與實測點位確定

通過數值模擬，可得到過渡季辦公區自然通風條件下室內 1 m 平面的空氣齡分布：A 區外窗位于建筑迎風面，整體通風情況最好；除新風入口處空氣最新鮮外，兩端通風情況較好，空氣齡均值在 600 s 左右；但中部氣流形成漩渦，不易擴散。C 區外窗在建筑背風面，對氣流影響較小。B 區相對封閉，易造成氣流堵塞，空氣齡最大值（1 420 s）出現在中部 2 個小辦公室內。整個辦公區自然通風的平均空氣齡為 967 s。根據空氣齡分布，現場實測選取 4 個代表點位（1#～4#）。空氣齡分布及點位選取如圖3 所示，點位選取依據詳見表1。

圖3 自然通風條件下空氣齡分布及點位（1#～4#）選取圖（單位：s）

表1 點位選取依據表

4.2 實測結果

3 組外窗平推距離條件下，各點位 CO2濃度隨時間變化的曲線如圖4 所示。圖4 中所示 CO2濃度均為同一平推距離下同一時刻的平均值。由 CO2傳感器得到 6 個工作日各點位的 CO2平均濃度詳見表2。CO2濃度隨時間變化沒有明顯規律性，但不同點位 CO2濃度存在明顯差別，總體上，4 個點位 CO2濃度從高到低排列順序為：1#、4#、2#和 3#。這是由于 CO2濃度除與通風效率有關外，還與人員密度息息相關。通風效率決定 CO2的停留時間，而人員密度決定 CO2的生成量。1#～3# 區域的人員密度基本一致，約為 3.5 m2/人；4# 位于獨立辦公室，人員密度較小，約為 6.0 m2/人。雖然 4# 的空氣齡最大，但其人員密度較小，CO2濃度低于 1#。而同一人員密度下，空氣齡越高的區域，室內 CO2濃度也越高。

表2 各實測條件下 CO2 平均濃度

圖4 3 組外窗平推距離條件下各點位 CO2 濃度

圖4 也體現了各點位 CO2濃度＞600 ppm 的時間比例。綜合來看：1#、4# 所在區域有 65% 以上概率，表示通風對室內氣溶膠稀釋效果并不理想；2# 所在區域有 25% 以上的概率；3# 所在區域通風效果最好，10.0 cm 外窗平推距離條件下，CO2的濃度均＜600 ppm。

本文進一步分析了 CO2濃度與外窗平推距離及實測日新風風級的關系，如圖5、圖6 所示。外窗的平推距離即有效通風面積對于 CO2的濃度影響沒有室外新風風級大。新風風級增大，CO2濃度隨之降低，室內通風效果增強，新冠病毒濃度也可進一步降低。

圖5 3 組外窗平推距離條件下 CO2 平均濃度

圖6 不同新風風級條件下 CO2 平均濃度

5 優化方案

根據以上結果，辦公區自然通風對氣溶膠的稀釋效果不佳，需進一步加大新風降低感染風險。由于自然通風效率不僅受新風風級、通風面積影響，與新風風速、風向等因素也息息相關，無法保證辦公區人均 30 m3/(h·人)的最小新風量。為盡量確保使用者健康與安全，以機械通風輔助自然通風的復合通風可保證新風量供給，同時避免空調運行帶來的病毒交叉感染與能源消耗。綜合考慮可操作性、經濟性、合理性，本文提出 2 個復合通風方案，機械送/排風口布置圖如圖7 所示，方案說明具體如下。

圖7 機械送/排風口布置圖

（1）方案 1 為自然通風+機械排風方案。機械排風風量為 3 600 m3/h，風速 3 m/s。排風口主要設置在空氣齡較大區域，且盡量遠離新風入口及人員活動區。

（2）方案 2 為機械送風+自然排風方案。機械送風風量為 3 600 m3/h，風速 3.5 m/s。機械送風系統沿用原系統新風風管，并在新風機房增設 1 臺普通風機。通過閥門的切換，過渡季開啟普通風機運行，而冬季夏季開啟新風機運行。

采用數值模擬來論證 2 個方案對自然通風的強化效果。方案 1、方案 2 室內 1 m 平面的空氣齡分布詳如圖8、圖9 所示。自然通風方案及復合通風方案下室內 1 m平面溫度及風速也進行了模擬計算，詳見表3。分析發現，復合通風方案不僅能顯著提升室內通風換氣能力，還能改善氣流組織，加速去除潛在病原體顆粒。由圖8、圖9 可知，2 個方案下空氣齡分布都較為均勻，空氣齡最大的地方均出現在資料室，對人員辦公沒有影響。由表3 可見：方案 1 平均空氣齡為 633 s，方案 2 平均空氣齡為 486 s。根據先前結論，人員密度一致時，空氣齡越小，室內 CO2濃度越低，對應的感染風險也越小。溫度方面，依據我國人體熱舒適評價適應性模型[3]，月平均室外溫度為 17.0 ℃ 時，人體中性溫度為 24.8 ℃，以 80% 的人可接受舒適區寬度為 7.0 ℃ 定義室內舒適溫度范圍為 21.3～28.3 ℃。這表示過渡季，自然通風條件下室內平均溫度已處于人體熱舒適范圍內，驗證了過渡季關閉空調的合理性，而機械送/回風的引入能強化自然通風，進一步帶走室內熱源散發的熱量。風速方面，復合通風方案平均風速≤0.3 m/s, 設計較為合理。相較而言，機械送風對室內氣流組織的影響更大，對于自然通風的強化效果也更好。

圖8 方案 1 空氣齡分布（單位：s）

圖9 方案 2 空氣齡分布（單位：s）

表3 各方案空氣齡、溫度、風速模擬結果

6 結 語

本文以上海某典型辦公區為研究對象，綜合應用數值模擬與現場實測，分析過渡季自然通風對新冠病毒的稀釋效果，并基于新風量不足的現狀提出復合通風優化方案，結論如下。

（1）同一人員密度下，空氣齡越高，室內 CO2濃度越高，通風對新冠病毒的稀釋效果減弱。當 CO2濃度超過 600 ppm 時，存在較大的感染風險。

（2）辦公區自然通風對氣溶膠的稀釋效果不佳，復合通風能顯著減小各區域空氣齡，降低病毒感染風險，保證新風量供給。

（3）相比于機械排風，案例研究中機械送風對室內氣流組織影響更大，對于自然通風的強化效果更好。

本文通過建立空氣齡與 CO2濃度之間的聯系，探討了建筑室內通風效果對疫情防控的影響。受限于場地條件，僅安裝了 4 個傳感器，研究發現空氣齡與 CO2濃度的變化趨勢存在一致性，但直接對應關系尚不清楚。后續建議監測更多點位以期建立兩者函數關系，使建筑室內通風設計更加有效地防止新冠病毒傳播。

辦公建筑設計時需保證疫情期間主要功能房間具備自然通風的能力，空調通風系統宜具備全新風運行工況。疫情期間建筑運營需考慮其設計及使用特點，提出合理運行策略，保證人員健康安全。建議設置通風空調監測預警系統，將 CO2濃度作為室內環境控制指標，當濃度超過警示值時及時提高新風量。對于過渡季自然通風建筑室內，可適當引入機械通風系統，以優先采用自然通風為原則，當自然通風受限時啟動機械通風提高建筑通風換氣能力，降低新冠肺炎感染風險。