北方集中供暖地区建筑因素对 PM 2.5 排放特性影响 中国建筑科学研究院 2014.5.1 项目信息 项目资助号 G-1302-17644 Grant Number G-1302-17644 项目期 2013年 4月 1至 2014年 4月 1 Grant period 04/01/2013-04/01/2014 所属领域 建筑 Sector Building 项目概述 目前，可入肺颗粒物（ PM2.5）已经成为了政府特别关心，百姓特别关注的焦点问题之一。 大量研究表明长期暴露于较高浓度 PM2.5大气环境中个体容易诱发上呼吸道疾病；携带有生 物、化学及物理毒性的 PM2.5超细颗粒能够 通过 呼吸 系统进 入肺 部毛 细 血管 ， 造 成 人 体肺 炎 、 哮喘 、 哮吼等 疾病发生。 美国杨 百 翰 大学 流行 病学 家 Arden Pope指出 ，较 小 的 PM2.5颗粒可 以穿透人 体呼吸道的 防御毛 发 状结构且深达人 体肺 部 ，有 些 超细颗粒 甚 至可 以渗透进 入 血 液 ， 从而引 发 人 体上呼吸道疾病；中 国工程院院士 、 北京 大学环境学 院教授唐孝严亦指出 ， PM2.5能够 进 入 支 气 管 、肺 部和血液 ， 造 成呼吸 系统和 心 血管系统 疾病； 此外 ， 其对人 体 免疫 系统 、生 育系统 、 神 经 系统等也 可能 造 成 损害 。 自 2011年 11月，环 保部在 环境 空 气 质 量 标准二次公开征求意见时 ， 首次将 PM2.5 纳 入 国标 ， 并将 年 均和日均 浓度 限值分 别 定 为 35 g/m 3 和 75 g/m 3 ， 各直辖市 及 省会级城市相继宣布 对 PM2.5颗粒物 实 行时时 监测 ， 同 时 温 家 宝总 理 宣布 PM2.5是“十 二 五” 期 间 大气 污染 物 削减 的 重要 目 标 参数 。 如何 从 源头控制 PM2.5 的 排放 ， 降低 大气环境中 PM2.5的 质 量浓度， 改善 大气环境 质 量已经成为了 社会各界共同面 临 的 重要 问题。 据不完全 统 计 ， 除 了 机动车 外北京 地区 PM2.5，有 16.7来 自 煤炭燃烧排放 ， 16来 自 全 市 建筑 工 地扬尘 ，全市 的 水泥厂 、汽车喷漆 等工 业喷涂占 16.3，农村养殖 、 秸秆焚烧占 4.5。 据 2013年 1月 14日 发 布 迈向 环境可 持续 的 未来 中 华 人 民共 和国国家 环境 分 析 报告 指出 ， 全 球 10大 空 气 污染城市 中，中 国 占 7个， 其 中 北京 、 石 家 庄 及 太原 等 6个 城市 位 于 北 方集 中 采暖 地区 ， 据 北京 市 环境 监测 网 不完全 统 计 ， 2012年 北京出 现 7次 大气 六 级 以 上 严 重污 染 ， 全 部出 现 在 集 中 采暖季节 ， 由 此 可 见 集 中 采暖 过程 中 排放 的 污染 物 是 造 成 PM2.5质 量浓 度 增加 的 重要 原因 。 集 中 采暖与 建筑能 耗息息 相 关， 降低 建筑能 耗 、 提 高建筑 节 能 标准 能够 明 显 从 源头减 少 PM2.5颗粒物的 排放 量； 同 时 ， 北京 地区 约 6000万平方米 建筑 工 地 ， 去 年 改 建 新 建项目 6885项，建筑 扬尘 亦 成为 PM2.5颗粒物 产 生 重要 的 来源 ； 且 不同 类型 建筑 排放 的 不同 性 质 的 PM2.5颗粒物， 民 用 建筑 厨房油烟 、 工 业 建筑的颗粒物 粉 尘 对 大气 PM2.5颗粒物 贡 献率 不 甚 明 确 ， 文献 表明 由 于 城市 厨房油烟 及 工 业 粉 尘 粒 径 分 布 较 小 ， 同 时 容易 产 生 二次 污 染 ， 因 此二 者 亦 成为 PM2.5重要来源 。 由 此 看 出 ， 诸 如 冬季采暖 、建筑 扬尘 及建筑 类型 等 建 筑 因素很 大 程 度上 影响 大气环境中 PM2.5质 量浓度。 基 于建筑 因素 能够 很 大 程 度上 影响 PM2.5颗粒物的 排放 ， 然 而二 者 之 间 缺乏 定 量关 系 ， 降低 单位 建筑能 耗 能够 降低 多少 PM2.5颗粒物的 排放 量， 提 高建筑 节 能 标准 能够 降低 多少 PM2.5 颗粒物 排放 量，目前 不 甚 清晰 。目前 北京 地区 节 能建筑 改 造 完 成百 分 比 不 足 10， 待 全 部 建 筑 节 能 改 造 完 成 后 会 使 PM2.5降低 到 何 种 程 度， 如何 更加 有 效 的 控制 新 建、 改 建 等 施 工 相 关 活 动 产 生的 PM2.5， 如何 确 定不同 类型 建筑 排放污染 物 对 大气环境中 PM2.5的 贡献率 ， 这 一 系 列疑 问 引人深 思 ， 然 而 这 些 重要 问题 更需 要 迫切解决 。 探讨 建筑 因素 对 大气环境中 PM2.5的 影响 ， 不 仅 能够 定 量 考核 建筑 节 能 实 施 过程 中发 挥 的环境 效益 ， 同 时 能够 定 量的 减 少 PM2.5 的 排放 量，为 国家 实 施节 能 减排 提供 重要 的 依 据 ， 同 时 能够有 效 的 改善 大气环境 质 量， 从 节 能环 保 方 面来 讲 ， 此 课 题 无疑具 有 非 常 重 大的 意 义 。 Project Discription Alveolic particle mater PM2.5 has become a particular concern to the government and all of the people. Nowadays, the recent continuous thick cloud of hazardous smog enveloped the Beijing city and triggers the citizen upset and anxiety. A large number of studies have shown that the individual long-term exposure to atmospheric environment with higher concentrations of PM2.5 could easily suffer from upper respiratory tracts diseases. Alveolic particle mater PM2.5 carrying biological, chemical and physical toxicity could lead to the occurrence of pneumonia, asthma and croup. Arden Pope, a famous epidemiologist from Brigham Young University, pointed out that PM2.5 can penetrate the defense of the human hair-like respiratory tracts into human lungs and some of them could even penetrate into the blood, causing the human upper respiratory tract diseases. Xiaoyan Tang, an academician from Chinese Academy of Engineering and Peking University professor, also pointed out PM2.5 can enter into the bronchus, lung, and blood, causing respiratory and cardiovascular diseases and damaging the bodys immune system, reproductive system and nervous system. The threshold value of PM2.5 had been written in national standard by the Ministry of Environmental Protection for the first time and PM2.5 has been monitored by different cities in China in November 2011 and the daily and year average value were 35 g/m3 and 75 g/m3 respectively. The Peking university school of public health and the international environmental organization Greenpeace jointly released the report “ Assessment Study of Health Hazards and Economic losses of PM2.5” , which indicated that 2589 people died and 2.06 billion Yuan had been lost due PM2.5 in 2012.The premier Wenjiabao presented that recent fog and haze had great impact on human everyday life and physical health, and the effective measures should be taken to accelerate the adjustment of industrial structure and layout, to promote energy conservation, and construction of ecological civilization and the index of PM2.5 had been become the cutting target of during “ 12th Five-Year” . How to control PM2.5 emissions from the source and how to reduce PM2.5 mass concentration in the atmospheric environment and improve the quality of atmospheric environment have become an important issue for whole society. According to incomplete statistics, coal combustion, construction, industrial manufacture and straw burning contributed to about16.7, 16, 16.3 and 4.5 respectively. According to the report of “ Toward an Environmentally Sustainable Future Country Environmental Analysis of the Peoples Republic of China” released on January 14, 2013, for “ The Global Ten Polluted Cities” , seven serious polluted cities are from China and six of them, such as Beijing, Shijiazhuang, are located in north central heating regions. There were twelve times for Beijings air quality hit level five, the worst rating in the governments guidelines in the central heating season of 2012, which was an important reason for PM2. 5 increasing. Central heating is closely linked with the building energy consumption. Reducing energy consumption and improving building energy efficiency standards could significantly reduce emissions of PM2.5. Meanwhile, there are about 60 million m2 construction site and 6885 new projects in Beijing city, which have also become the important source of PM2.5. Kitchen fumes and industrial construction particulate dust are also important sources of PM2.5 and some literatures indicate that smaller urban kitchen fumes are more easier to produce secondary pollution. In summary, the winter heating, construction dust and building types are largely affected the PM2.5 mass concentration in the atmospheric environment. Although, building factors can greatly influence the emissions of PM2.5 particulate matter, there are lack of quantitative relationship between of them and how to affect the PM2.5 emission due to decreasing unit building energy consumption and improving building energy efficiency standards are not clear. So far, the completion percentage of energy-saving building renovation and reconstruction in Beijing area is less than 10, how much PM2.5 could be reduced after the all the energy-saving building have completed How to control the PM2.5 generated by new construction, renovation and other construction-related activities more efficiently, how to determine the contribution rate of PM2.5 from different types of building, which are thought-provoking problem. However, these important questions need to be urgently addressed. To discuss the impacts of building factors, not only can quantitative inspect environmental benefits in the implementation process of building energy-saving, but also can reduce the PM2.5 emissions quantitatively, which lay strong foundation for the national implementation of energy conservation and improvement of the atmospheric environmental quality. This research has great significance undoubtedly, in terms of energy saving and environmental protection. 项目成 员 徐伟 、 邹瑜 、 刘志坚 、 陈曦 、 张 时 聪 、 袁闪闪 、 孙德宇 Project team XU Wei、 ZOU Yu、 Liu Zhijian、 CHEN Xi、 ZHANG Shicong、 YUAN Shanshan、 SUN Deyu 关 键词 供暖 、 炊事 、建筑 扬尘 、 PM2.5、 贡献率 Key Word Heating、 Cooking、 Construction fugitive dust、 PM2.5、 Contribution rate 本 报告 由 能 源 基 金 会 资助。 报告 内 容 不 代 表能 源 基 金 会 观 点。 This report is funded by Energy Foundation. It does not represent the views of Energy Foundation. I 摘要 本 课 题 主 要 探讨 了 北京 地区 供暖因素 对 大气环境中 PM2.5的 排放 特性 影响 。 课 题 首 先 确 定 研究 方 法 ， 主 要 包括 源 解 析 法 、 调 研 分 析 法 、 产 排污 系 数 法 、建筑能 耗 目 标 数 值 计 算法 、 Arcgis空 间 分 配 数 值 计 算法 。 根 据 前 人对 大气环境 不同 因素 对 PM2.5贡献率 源 解 析 研究， 通 过对 比 分 析 ， 确 定 建筑 因素 对 大气环境中 PM2.5排放 的 贡献率 及 排放 特性 影响 。 通过 查阅 相 关 文献 ， 获得 不同 供暖方 式下 PM2.5的 产 排污 系 数 ， 产 排污 系 数 为 PM2.5的 减排 量 计 算 基 础 ； 通过 调 研 北京 锅炉规模 、 种类 、 分 布 及 燃 料 用 量及 类型 ， 最终 确 定不同燃 料 类型 的 锅炉 ， 不 同 类型 建筑（ 公 共 和 民 用 建筑）及 不同 行 政 区 PM2.5的 排放 量； 以 调 研 结 果 为 边 界 条件 ， 通 过 数 值 计 算 ， 确 定 供暖季节 及 非供暖季节 北京 不同 行 政 区 及 不同 环 路 PM2.5分 布 图 ， 从而 探 讨供暖 及 不同 类型 锅炉 分 布 对 PM2.5排放 特性的 影响 。 通过对北京 周边 农村地区 的 供暖 情况 调查 ， 得 出北京 周边 采暖 燃 料 类型 、 分 布 及所 占 比 例 ， 得 出北京 农村不同 类型 燃 料 对北京 地 区 PM2.5的 排放 量， 同 时 数 值 计 算 了 炊事 以 及建筑 工 地 对北京 地区 大气环境中 PM2.5质 量浓度 分 布 特性。 通过 TRNSYS数 值 计 算 确 定不同 类型节 能目 标 ， 确 定 在 提 高 节 能 标准 、 降低 供 热 温 度、能 源 结构 调整 及 清 洁 能 源 替代 后 PM2.5的 减排 量。 通过 本 项目研究， 摸 清 了目前 北京 建筑 因素 对 PM2.5的 排放 特性 影响现 状 ， 定 量 计 算 了 采 取 一 系 列 应急措 施 以 后 PM2.5减排 量， 最终 确 定未来五 年 内随着 建筑 面 积 的 增 长，建筑 因素 对 大气环境中 PM2.5贡献率 。 II Summary The effect of heating factors in Beijing regions on emission characteristics of PM2.5 was discussed in this Aresearch project. Firstly, the research s were determined, such as source apportionment , investigation analysis, the of generation and emission coefficients, building energy consumption target value calculation , Arcgis space allocation numerical calculations . By comparing the previous source apportionment studies of the different atmospheric environmental factors on contribution rate of PM2.5, the effect of building factors on PM2.5 emission characteristics and contribution in the atmosphere was determined. By consulting related literature, generation and emission coefficients of PM2.5 under different heating were obtained, and the emission reductions of PM2.5 were calculated on the basis of these coefficients. Through investigating Beijing’s boiler size, distribution, fuel amount and type, the emissions of PM2.5 regarding to different fuel type, building types and various administrative regions were determined. Taking these investigating results as the boundary conditions, the distribution chart of PM2.5 in different administrative regions and different loops of Beijing in the heating season were determined by numerical calculations . Furthermore, the effect of heating and the distribution of different types’ boilers on emission characteristics of PM2.5 were explored. By investigating heating situation in the rural areas around Beijing, the fuel type, distribution and proportion for heating around Beijing were obtained, and the emissions of PM2.5 in Beijing regions produced by fuels of different types in the rural areas of Beijing were calculated. Meanwhile, the effect of the cooking and construction sites on distribution characteristics of PM2.5 mass concentration of Beijing was discussed by the numerical calculation and field measurements. The PM2.5 reduction was determined by carrying out efficient measures such as reducing heating temperature, improving energy efficiency standards, adjusting the energy structure and clean energy alternative. According to these research results, the situation of effects of building factors in Beijing on emission characteristics of PM2.5 was figured out, and emission reductions of PM2.5 was obtained by after taking a series of emergency measures. Finally, the contribution rate of building factors on emission of PM2.5 in the atmospheric environment was determined with the growth of the construction area within the next five years. I 目 录 第一章 北方集中采暖地区 PM2.5研究意义及污染现状 1 1.1 PM 2.5 研究 意 义 . 1 1.2 PM 2.5 污染 现 状 . 5 1.3 PM 2.5 相 关的 国家 政 策 . 9 第二章 建筑因素对 PM2.5排放特性影响方法学的确定 . 11 2.1源 解 析 方 法 -建筑 因素 对 PM 2.5 贡献率确 定 方 法 . 11 2.2不同 类型 燃 料 PM 2.5 一 次 产 排污 系 数 确 定 方 法 14 2.2.1确 定不同燃 料 烟 尘 （ TSP） 产 排污 系 数 . 14 2.2.2不同燃 料 产 生的 烟 尘 质 量粒 径 分 布 15 2.3不同 类型 建筑 节 能目 标 确 定 方 法 . 18 2.3.1 公 建 节 能目 标 确 定 方 法 . 18 2.3.2 住宅 建筑 节 能目 标 确 定 方 法 . 19 2.4 空 间数 值 模拟 方 法 20 2.4.1 ARCGIS空 间 分 配 数 值 计 算法 20 2.4.2 FLUNET空 间数 值 模拟法 . 20 第三章 北京地区供热因素对 PM2.5排放特性影响 . 23 3.1前 言 23 3.2 北京 地区 锅炉调查 统 计 结 果 24 3.2.1 北京 地区 锅炉 数 量及 分 布 概 况 . 24 3.2.2 供 热 单位 燃 料情况 . 24 3.2.3燃 料 分 布 情况 24 3.2.4锅炉 房 能 耗 情况 统 计 25 3.2.5全市不同 类型 建筑 供 热 面 积 统 计 25 3.2.6锅炉 房 地 理 位 置 分 布 情况 25 3.2.7 采暖因素产 生的 PM 2.5 总 量 26 3.3 北京 周边 农村地区 采暖 调查 统 计 结 果 26 3.4小结 27 第四章 炊事对北京地区 PM2.5排放特性影响 . 29 4.1 前 言 . 29 4.2测 试手段 31 4.3测 试 对 象 32 4.4测 试 结 果 32 第五章 建筑施工扬尘对北京 PM2.5排放特性影响 . 49 5.1 前 言 . 49 5.2 计 算 方 法 . 51 5.3测 试 对 象 54 5.4 测 试 结 果 . 56 II 第六章 数值计算建筑因素对大气环境 PM2.5分布特性影响 . 58 6.1 前 言 . 58 6.2 Fluent数 值 计 算 研究 . 59 6.3 Acrgis数 值 计 算 研究 . 69 第七章 定量评估相关措施对 PM2.5减量化特征影响 . 70 7.1 前 言 . 70 7.2 节 能 标准 提 高 对 PM 2.5 减 量化 影响 . 72 7.3降低 供 热 温 度 对 PM 2.5 减 量化 影响 74 7.4可 再 生能 源 使用 对 PM 2.5 减 量化 影响 77 7.5新 建、 改 建 节 能建筑 对 PM 2.5 减 量化 影响 77 第八章结论、控制对策及展望 79 8.1结 论 79 8.2 控制 对 策 . 80 第九章 致 谢 . 82 参考文献 . 83 1 第一章 北方集中采暖地区 PM 2.5 研究意义及污染现状 1.1 PM 2.5 研究意义 目前，雾霾已经成为了政府特别关心，百姓倍加关注的焦点问题之一，最 近几年北京地区连续出现的严重污染的雾霾天气更是触动每位市民的神经。 “ 雾霾 ” （ smog/haze）一 词 成 功 入 选 2013， 2014年度关 键词 ， 进 一 步反应 了 公 众 的 迫切 关注。 2013年的 1月， 4次 雾霾 过程 笼罩 30个 省 （ 区 、 市 ）， 在北京 仅 有 5天 不是 雾霾天 ； 2013年 3月， 北京出 现 连 续 雾霾天 气 17天 ； 2013年 11月， 北京 地区 出 现 连 续 雾霾天 气 16； 2013年 12月， 北京 地区 连 续 雾霾天 气 12天 ， 具 不完全 统 计 2013年 北京 雾霾天 气 次 数 高 达 100天 。有 报告 显 示 ，中 国 最 大的 500个 城市 中， 只 有 不 到 1的 城市 达 到 世 界 卫 生 组织推荐 的 空 气 质 量 标准 ， 其 中 不同城市 出 现 灰 霾 的 具 体 天 数如 下图 1-1所 示 ， 其 中有 16个 城市 雾霾天 数 超 过 100天 。 与 此 同 时 ， 世 界 上 污染 最 严 重 的 10个 城市 有 7个 分 布 在 中 国 ，中 国 不同区 域 地区 连 续 雾霾天 气 给 中 国 大气环境 造 成 巨 大 压力 与 挑战 ， 同 时 更 让 国人 痛苦 不 堪 。 图 1-1 中 国 2013全 国 不同城市 雾霾 出 现 的 天 数 中 国 社会 科 学 院 、中 国 气 象 局联合 发 布 的 气 候变 化 绿皮书 应 对 气 候变 化 报告 2013指出 [1]， 雾霾天 气 现 象 不 仅 会 给 气 候 、环境、 健康 、经 济 等 方 面 造2 成 显 著 的 负 面 影响 ， 而且 可 使 慢 性病 加 剧 、 使 呼吸 系统 及心 脏 系统 疾病 恶 化， 改 变 肺 功 能及 结构 、 影响 生 殖 能 力 、 改 变 人 体的 免疫结构等 ， 从而对人 体 健康 造 成 重要 影响 ；发表 在美国国家 科 学 院院 刊 上的一项研究 指出 [2]，中 国北 方 普 遍 使用 煤炭 取 暖 导致 空 气 污染 ， 其 排放污染 物 对人 体心肺 功 能 造 成 破坏 性 影响 ， 居 住 在 淮河 以北 的 5亿 中 国人将 共计 丧失 25亿 年的 预 期 寿命 ， 换 而 言 之，中 国 北 方 人 的 预 期 寿命 平 均 比 南 方 人 少 5.5 年， 同 时 肺 癌患 病 风险 率 将 增 大 1.3 倍 （ OR2.3）， 采暖因素 （ Heating） 是 人 体上呼吸道疾病发生的 重要 风险 因素 ； 世 界 卫 生 组织 下 属 国 际癌症 研究 机 构在 2013年 10月 17日 发 布报告 指出 [3]，大气 污染 将 会 诱发 癌症 发生， 并 视 PM 2.5 为 普遍 和 主 要 的环境 致癌 物， 同 时指出 大气 环境中 雾霾 所 含 的化学成 分 是 诱发 癌症 的 重要 风险 因 子 。中 国工程院院士 、 广州 呼吸疾病研究所所长 钟南山曾 在 某 论 坛 上 指出 [4]，“ 雾霾天 气 比 香 烟更 易 致癌 ” ， 近 30年 来 ， 我 国公 众 吸 烟率 不 断 下 降 ， 但 肺 癌患 病 率 却 上 升 了 4倍 多 ， 这 可能 与 雾霾天 增加 有一 定 的关 系 。中 国 环境 科 学 院 环境 污染 与 健康 研究 室 研究 员张金 良 指出 [5-6]， 空 气 污染 对 肺 癌 的 影响 有一 种 长期 慢 性的 作 用 ， 当 人 体长期 处 于 空 气 污染 环境中， 会 造 成 人 体肺 部 功 能 永久 性的 损害 ， 同 时 当 空 气中 污染 物 加 重 时 ， 会 增 大心 血管 病 人 的 死亡 率 。 北京 环境 保 护科 学研究 院 研究 员 彭 应 登博 士 还 指出 [7]， 雾霾天 空 气中的有毒颗粒物， 也 是 造 成心 血管 疾病的 重要 原因 ， PM 2.5 等 颗 粒物 在血管 内 长期 沉 积 对血液流 动 阻力 增 大，可 以 增 大高 血 压 及 脑溢 血 的疾病的 发生 率 。 北京 大学 孙 越 等人指出 [8]， 雾霾天 中的颗粒 污染 物 不 仅 造 成心 肌 缺 血 或 损 伤 ， 而且 还 会 引 发心 肌梗 死 ， 雾霾 中颗粒物 对人 体心 血管系统造 成的 损 伤 是 长期的， 永久 性的 不 可 逆转 的。 2009 年 广 东 省 气 象 局 首 席 气 象 专 家 吴兑 公开 发 表的研究 结 果 表明 [9] 考 虑 7年 滞 后 期 后 ， 广州 市 肺 癌致死 率 和 霾 粒 子 浓度的 相 关 系 数 高 达 0.97（ 如 图 1-2和 1-3所 示 ）， 这 意 味 着 今 天 呼吸 到 的 “ 有毒 ” 空 气， 或许 在 7年之 后 才 会 产 生 致命 危 害 。 由 此 可 见 ， 雾霾 持 久 的 危 害 ，长 久 的 潜 伏 期， 对人 体 产 生 巨 大的 损 伤 。 尤 其 最 近 几 年， 越 来 越 多 的 人意 识 到 雾霾 的 危 害 严 重 性， 以 至于 达 到 谈 “ 霾 ” 色 变 程 度。 面 对 越 来 越 多 关于 雾霾 健康 效 应 的研究 结 论 ， 其对人 体 健康 潜