基于空氣負(fù)離子濃度的城市環(huán)境空氣清潔度評(píng)價(jià)

王薇 ，余莊，冀鳳全

1. 安徽建筑工業(yè)學(xué)院建筑與規(guī)劃學(xué)院，安徽 合肥230022；2. 華中科技大學(xué)建筑與規(guī)劃學(xué)院，湖北 武漢430074

空氣負(fù)離子具有殺菌、降塵、清潔空氣、提高免疫力、調(diào)節(jié)機(jī)能平衡的功效，因而被譽(yù)為“空氣維生素和生長素”[1]。它是德國科學(xué)家Elster和Geital于1889年首次發(fā)現(xiàn)的。1902年Aschkinass和Caspari等肯定了空氣負(fù)離子存在的生物學(xué)意義，1931年一位德國醫(yī)生發(fā)現(xiàn)了空氣負(fù)離子對(duì)人體的影響，1932年美國CRA公司的漢姆遜發(fā)明了世界上第一臺(tái)醫(yī)用空氣負(fù)離子發(fā)生器，此后空氣負(fù)離子的科研在一些發(fā)達(dá)國家普及。我國對(duì)空氣負(fù)離子的研究起步較晚，1978年由伊朗沙哈瓦特博士引進(jìn)的一臺(tái)電子儀器——生物濾器(biological filter)，即是我國負(fù)離子發(fā)生器的前身，開啟了我國對(duì)空氣負(fù)離子的研究工作；歷經(jīng)20世紀(jì)80年代初和90年代初2個(gè)負(fù)離子的研究發(fā)展高潮[2]，取得了許多研究成果。在這些科研工作中，空氣負(fù)離子濃度的研究主要集中林業(yè)工作者和醫(yī)學(xué)工作者之列，他們關(guān)注人為干擾和自然環(huán)境中空氣負(fù)離子水平以及空氣負(fù)離子在醫(yī)療保健中的作用及其機(jī)理、空氣負(fù)離子資源的開發(fā)利用等[3]方面。

隨著以煤炭為主的能源消耗的大幅攀升和機(jī)動(dòng)車保有量的急劇增加，現(xiàn)行的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》已不能完全適應(yīng)空氣質(zhì)量管理要求。面對(duì)逐漸惡化的環(huán)境狀況，人們?cè)谑澜绶秶鷥?nèi)掀起了一股空氣負(fù)離子研究的熱潮，開始了空氣負(fù)離子與環(huán)境關(guān)系的研究。目前，國內(nèi)外關(guān)于空氣負(fù)離子的研究內(nèi)容主要包括不同城市綠地結(jié)構(gòu)、不同植被類型、不同樹種、不同生態(tài)結(jié)構(gòu)、城市森林結(jié)構(gòu)等不同生態(tài)環(huán)境對(duì)空氣負(fù)離子濃度的影響，以及森林旅游資源評(píng)價(jià)中空氣負(fù)離子研究等[4]。研究發(fā)現(xiàn)，空氣負(fù)離子濃度越高，空氣越清潔，感覺就越舒服；空氣負(fù)離子含量少，且正、負(fù)離子濃度比例大，空氣就越差[5]。因而在環(huán)境評(píng)價(jià)中，空氣負(fù)離子濃度被列為衡量空氣質(zhì)量好壞的一個(gè)重要參數(shù)[6]，又稱為空氣清新程度的指南針。

空氣負(fù)離子的含量水平已作為公園建立森林浴場(chǎng)、森林別墅區(qū)、度假療養(yǎng)區(qū)、負(fù)離子吸收區(qū)的重要依據(jù)[5]。但是城市和建筑環(huán)境中的空氣負(fù)離子研究屬于應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在我國尚無系統(tǒng)的研究，處于初步探索階段。根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究并結(jié)合學(xué)科特點(diǎn)，本文課題組開展空氣負(fù)離子與城市室內(nèi)外空氣質(zhì)量的研究，通過觀測(cè)分析自然環(huán)境和城市環(huán)境的空氣負(fù)離子濃度、熱環(huán)境主要影響因子以及周邊環(huán)境因子等數(shù)據(jù)，利用單極系數(shù)和安倍空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行分析，旨在找出街區(qū)城市適宜的規(guī)劃布局、建筑空間形態(tài)、建筑外部形體和材料以及下墊面類型等，從而在城市的規(guī)劃層面，進(jìn)行符合氣候和生態(tài)資源運(yùn)行狀態(tài)的設(shè)計(jì)，不僅可以形成較好的城市空氣質(zhì)量，同時(shí)對(duì)于優(yōu)化城市生態(tài)環(huán)境和城鄉(xiāng)規(guī)劃建設(shè)的水平有著重要的意義。

1 研究概況及方法

1.1 研究對(duì)象概況

根據(jù)2011年10—11月對(duì)城市居住區(qū)環(huán)境和辦公樓室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行空氣負(fù)離子濃度的測(cè)定。

1.1.1 城市居住區(qū)環(huán)境

安徽省合肥市屬亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，全年氣溫夏熱冬冷，春秋溫和，年平均氣溫15.7 ℃。測(cè)試區(qū)域選取高層小區(qū)、多層小區(qū)、低層高密度小區(qū)等3種具有代表性的不同居住模式小區(qū)。觀測(cè)期間氣象穩(wěn)定，晴天，平均氣溫在21 ℃左右。

1.1.2 辦公樓室內(nèi)環(huán)境

廣東省深圳市龍崗區(qū)某辦公樓地處亞熱帶季風(fēng)氣候，雨熱同期，降水充沛，夏季高溫多雨，冬季寒冷少雨。最熱月平均溫一般不超過30 ℃，最冷月平均溫一般不低于10 ℃。

該辦公樓總裁辦公室位于頂層走道盡端，采用可再生能源技術(shù)制冷，可再生能源是一種清潔且可持續(xù)利用的能源，在環(huán)境日益惡化的情況下，促進(jìn)可再生能源應(yīng)用是節(jié)約能源、減少排放的最佳途徑。即將采集的地下冷熱源（室內(nèi)地板散熱器的循環(huán)水與地下冷熱源集水管中的水進(jìn)行循環(huán)）來調(diào)節(jié)進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)溫度，并通過與新風(fēng)冷熱交換系統(tǒng)進(jìn)行熱交換；然后，收集建筑內(nèi)部已經(jīng)使用后的廢風(fēng)，與新鮮空氣交換熱量后，排出室內(nèi)[7]。

普通辦公室則采用空調(diào)制冷，無新風(fēng)進(jìn)入。底層門廳無空調(diào)設(shè)備，為自然通風(fēng)狀態(tài)。

1.2 研究方法

主要觀測(cè)項(xiàng)目有空氣正、負(fù)離子濃度、風(fēng)速、空氣溫度、相對(duì)濕度、室內(nèi)空氣等?？諝庹⒇?fù)離子濃度（個(gè)/cm3）用日本原產(chǎn)的KEC-990負(fù)氧離子測(cè)試儀，距地面1.5 m處，與成人呼吸高度基本一致。用KEC-R2型高智能記錄儀使之與PC相連，實(shí)時(shí)顯示空氣正、負(fù)離子濃度與溫度并記錄。每天9:00—15:00進(jìn)行觀測(cè)，每次采氣10 min，其中5 min負(fù)離子和5 min正離子，間隔1 s讀數(shù)1次，每次取前50個(gè)極值計(jì)算平均值；溫度和風(fēng)速每次采氣10 min，間隔1 s讀數(shù)1次，取平均值；空氣相對(duì)濕度每次采氣5 min，取平均值。

1.3 評(píng)價(jià)方法

目前國內(nèi)外對(duì)空氣負(fù)離子的評(píng)價(jià)還沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，常規(guī)采用單極系數(shù)和安培空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)這2個(gè)應(yīng)用最廣的評(píng)價(jià)指標(biāo)，課題組根據(jù)測(cè)定的空氣負(fù)離子濃度數(shù)據(jù)，對(duì)單極系數(shù)和安倍空氣離子評(píng)價(jià)指數(shù)進(jìn)行了分析。

1.3.1 單極系數(shù)（q）

在正常大氣中，空氣正、負(fù)離子濃度一般不相等，這種特征被稱為大氣的單極性[6]。單極性用單極系數(shù)來表示，即空氣中正離子與負(fù)離子的比值，即q=n+/n-。單極系數(shù)越小，表示空氣中負(fù)離子濃度比正離子濃度高得越多，對(duì)人體越有利。日本學(xué)者研究表明，當(dāng)n-大于1000個(gè)/cm3，且q值小于1時(shí)，空氣清潔舒適，對(duì)人體健康最為有益[6]。

1.3.2 安倍空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)（CI）

日本學(xué)者安倍通過對(duì)城市居民生活區(qū)空氣離子的研究，建立了安倍空氣離子評(píng)價(jià)指數(shù)[8]。安培空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)系數(shù)反映了空氣中離子濃度接近自然界空氣離子化水平的程度，即CI=（n-/1000）×（1/q）[9]。

CI——空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)；n-——空氣負(fù)離子濃度（個(gè)/cm3）；q——單極系數(shù)；1000——滿足人體生物學(xué)效應(yīng)最低需求的空氣負(fù)離子濃度（個(gè)/cm3）。

空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)把空氣負(fù)離子作為指標(biāo)，同時(shí)又考慮了正、負(fù)離子的構(gòu)成比，較為全面和客觀，因此，在國外的城市空氣離子評(píng)價(jià)中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用[10]，其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表1，按空氣清潔度指數(shù)可以將空氣質(zhì)量分成5個(gè)等級(jí)。

表1 空氣清潔度與空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)（CI） Table 1 Air cleanliness and air quality assessment index (CI)

2 實(shí)測(cè)分析

2.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 自然生態(tài)環(huán)境

2011年9月22—28日期間，課題組對(duì)不同自然生態(tài)環(huán)境場(chǎng)所的空氣負(fù)離子濃度進(jìn)行觀測(cè)研究，觀測(cè)結(jié)果見表2。由表2可以看出，地面上的空氣負(fù)離子濃度隨著地理環(huán)境因素（瀑布、海邊、峽谷等）不同差別很大，但不因地域變異，即只要具有相似的地理環(huán)境因素都呈現(xiàn)出規(guī)律性的分布[11]：瀑布比海邊高，山林比平地高，郊外比縣城高，有水的地方比無水的地方高，有植物的地方比無植物的地方高，其中瀑布口的空氣負(fù)離子含量最高，從高到低的排序?yàn)椋浩俨迹竞＿叄緧{谷＞溪流＞縣城。

表2 自然生態(tài)環(huán)境的空氣離子濃度與風(fēng)速、濕度、氣溫觀測(cè)記錄 Table 2 Measurement record of air ion concentration and wind speed, relative humidity, air temperature in natural environment

2.1.2 城市居住區(qū)環(huán)境

觀測(cè)結(jié)果見表3。低層高密度、多層和高層代表目前城市居住區(qū)中比較典型的3種居住模式，空氣負(fù)離子濃度隨著不同居住模式而呈現(xiàn)不同變化。其中低層高密度居住區(qū)的空氣負(fù)離子含量最高，達(dá)到289 個(gè)/cm3，從高到低的排序?yàn)椋旱蛯痈呙芏染幼^(qū)＞多層居住區(qū)＞高層居住區(qū)。

2.1.3 辦公樓室內(nèi)環(huán)境

觀測(cè)結(jié)果見表4。普通辦公室在自然通風(fēng)狀況下空氣負(fù)離子濃度最高，平均值為806 個(gè)/cm3，機(jī)械通風(fēng)（普通空調(diào)制冷）狀況下則最低，平均值為147 個(gè)/cm3。在室內(nèi)溫濕度較舒適的情況下，總裁辦公室的空氣負(fù)離子濃度最大，平均值769 個(gè)/cm3，比普通空調(diào)制冷房間的高出5倍多。

由此可見，自然通風(fēng)狀態(tài)下的空氣負(fù)離子比機(jī)械通風(fēng)狀態(tài)下的要高，可再生能源技術(shù)制冷的室內(nèi)空氣負(fù)離子比普通空調(diào)制冷的要高，而放置空氣負(fù)離子發(fā)生器對(duì)室內(nèi)空氣負(fù)離子濃度有明顯增大作用。據(jù)有關(guān)研究表明，空氣負(fù)離子濃度達(dá)到700 個(gè)/cm3以上時(shí)有益于人體健康。因此，總裁辦公室和自然通風(fēng)狀態(tài)下的辦公室內(nèi)空氣負(fù)離子濃度對(duì)人體健康有益。

2.2 結(jié)果分析

2.2.1 城市室外環(huán)境評(píng)價(jià)

表3 城市不同模式居住區(qū)空氣離子濃度與風(fēng)速、濕度、氣溫觀測(cè)記錄 Table 3 Measurement record of air ion concentration and wind speed, relative humidity, air temperature in different settlement patterns of urban residential areas

表4 辦公樓室內(nèi)各觀測(cè)點(diǎn)空氣離子濃度與風(fēng)速、濕度、氣溫觀測(cè)記錄 Table 4 Measurement record of air ion concentration and wind speed, relative humidity, air temperature in different office interior environments

空氣負(fù)離子濃度的大小是空氣清新程度的指南針?？諝庳?fù)離子的含量水平已作為公園建立森林浴場(chǎng)、森林別墅區(qū)、度假療養(yǎng)區(qū)、負(fù)離子吸收區(qū)的重要依據(jù)，對(duì)游客有很大的吸引力[5]。根據(jù)課題組前期對(duì)自然生態(tài)環(huán)境的測(cè)試可以看出，自然生態(tài)環(huán)境明顯高于城市居住區(qū)環(huán)境，在有水和綠化環(huán)境豐富的地方，空氣負(fù)離子濃度很高，尤其瀑布的空氣負(fù)離子濃度最高，平均值達(dá)到26500 個(gè)/cm3，空氣質(zhì)量最清潔，超過最高等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)值370倍以上。這是由于瀑布口的Lenard效應(yīng)強(qiáng)烈，產(chǎn)生的空氣負(fù)離子影響距離最遠(yuǎn)[12]，水速流動(dòng)的越快，空氣負(fù)離子濃度越高，空氣就越清潔。而城市作為人口聚集區(qū)，塵埃、廢氣、各種微粒組成的氣溶膠等污染物含量較高，這些物質(zhì)與空氣負(fù)離子結(jié)合，影響了空氣負(fù)離子的存活時(shí)間；同時(shí)城市中的樹木和綠地明顯少于縣城和自然環(huán)境，市區(qū)內(nèi)的路面多以水泥和瀝青路面為主，阻隔了來自土壤的電離源[13]，從而空氣質(zhì)量大大下降。

城市居住區(qū)環(huán)境的安倍空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)情況如表5所示，低層高密度居住區(qū)空氣質(zhì)量最好，達(dá)到最清潔等級(jí)，不僅具有高負(fù)離子含量，同時(shí)也具有適宜的溫濕度，對(duì)人體健康有利，適宜居住。而高層居住區(qū)的空氣質(zhì)量最差，為重污染級(jí)別。這是由于高層居住區(qū)容積率高，建筑群在空間布局較為緊湊，景觀格局不如低層或者多層住區(qū)理想，而人口密度又相對(duì)較大，樹木綠化率低于低層高密度居住區(qū)，因而空氣負(fù)離子損失消耗增多，空氣正離子濃度增大，空氣質(zhì)量下降。研究發(fā)現(xiàn)，適宜的溫度、濕度以及風(fēng)速能提高空氣負(fù)離子濃度，同時(shí)綠化好的地方負(fù)離子濃度也高，這主要是由于樹葉的尖端效應(yīng)和樹木產(chǎn)生的萜烯類物質(zhì)具有增加空氣中負(fù)離子的功能[5]。

2.2.2 城市室內(nèi)環(huán)境評(píng)價(jià)

由表6可見，總裁辦公室的單極系數(shù)為1.62，空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指數(shù)為0.47，空氣質(zhì)量允許；普通空調(diào)制冷的辦公室的單極系數(shù)最高，達(dá)到2.69，空氣質(zhì)量重污染；房間內(nèi)放置負(fù)離子發(fā)生器后明顯降低，單極系數(shù)為最小值0.58，空氣質(zhì)量達(dá)到中等清潔以上。由此可見，自然通風(fēng)或者有新風(fēng)進(jìn)入的室內(nèi)單極系數(shù)小，空氣清潔舒適，人們?cè)谑覂?nèi)有一定的舒適感；放置負(fù)離子發(fā)生器的室內(nèi)空氣質(zhì)量和空氣清潔度具有顯著改善。這是因?yàn)椋阂皇钱?dāng)空氣負(fù)離子濃度增大時(shí)，空氣正離子濃度也會(huì)增大，隨著新風(fēng)的不斷進(jìn)入，空氣負(fù)離子濃度增大的幅度要比正離子濃度增大的幅度大很多[6]；二是普通空調(diào)制冷在送風(fēng)前有冷卻或加熱、加濕、濾塵等處理，這種通風(fēng)措施對(duì)于改善微小氣候有一定的效果，但在濾塵的同時(shí)也濾掉了空氣負(fù)離子[5]。

研究表明，長期在空調(diào)環(huán)境中工作，眼—腦—手反應(yīng)相對(duì)遲鈍，會(huì)使人們的神經(jīng)系統(tǒng)受到一定程度的損害，易發(fā)生“空調(diào)綜合癥”，不易于人體的健康[10]。2011年10月29日，在合肥市某高層居住區(qū)一門窗關(guān)閉的客廳內(nèi)測(cè)得單極系數(shù)達(dá)到21.7，而同時(shí)在打開門窗的狀態(tài)下測(cè)得的單極系數(shù)有所減小。

表5 自然生態(tài)環(huán)境和城市居住區(qū)環(huán)境下空氣離子濃度與空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo) Table 5 Assessment of air ion concentration and air quality in natural environment and urban residential environment

表6 各測(cè)試房間的空氣負(fù)離子濃度和空氣質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo) Table 6 Assessment of air ion concentration and air quality in different office interior

目前，越來越多的人們?cè)诜忾]的空調(diào)環(huán)境下工作，室內(nèi)環(huán)境由于空氣負(fù)離子濃度低，常常使長期在這一環(huán)境內(nèi)工作的人員有頭痛、惡心、眩暈、昏睡的感覺。據(jù)有關(guān)報(bào)道，在南非一家銀行數(shù)據(jù)處理室工作的91名女職工每天處理大約2億英鎊的支票，2年的統(tǒng)計(jì)表明，她們的工作出錯(cuò)率一直在2.5%左右，工作人員經(jīng)常抱怨空氣“沉悶”，但安裝了空氣負(fù)離子發(fā)生器6周后，出錯(cuò)率下降到0.5%，職員的情緒也有很大提高[5]。觀測(cè)中放置負(fù)離子發(fā)生器后辦公室內(nèi)空氣質(zhì)量大大改善，空氣負(fù)離子含量比普通空調(diào)辦公室增大2倍多，空氣質(zhì)量最好。這是由于負(fù)離子發(fā)生器大多采用高壓放電方式產(chǎn)生負(fù)離子，這種產(chǎn)生負(fù)離子的方法雖然與自然環(huán)境中負(fù)離子發(fā)生的方式不同[14]，但是能大大增加空氣中負(fù)離子濃度，從而提高空氣質(zhì)量，同時(shí)刺激人們的興奮點(diǎn)，提高工作積極性和工作效率。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

（1）空氣負(fù)離子濃度由城市中心—郊區(qū)—鄉(xiāng)村呈逐漸增大的趨勢(shì)，同時(shí)空氣負(fù)離子濃度增大的速度大于空氣正離子。

（2）有風(fēng)時(shí)空氣負(fù)離子含量比無風(fēng)時(shí)高，且風(fēng)速與空氣中負(fù)離子濃度成正相關(guān)。

（3）水與空氣負(fù)離子的高低有密切的關(guān)系，尤其動(dòng)態(tài)水能顯著增加周邊環(huán)境的空氣負(fù)離子濃度。

（4）植物零星分散配置容易降低植物群體的生態(tài)效益[15]。

（5）相對(duì)濕度與空氣負(fù)離子具有良好的相關(guān)性。適宜的溫度、濕度以及風(fēng)速會(huì)使人感到舒服，從而有益于人體的健康。

3.2 建議

隨著全球氣候變化和城市辦公自動(dòng)化的逐步更新，使得室內(nèi)外的空氣負(fù)離子濃度逐漸降低?？諝庳?fù)離子濃度的大小直接影響室內(nèi)外空氣清潔度和空氣質(zhì)量，因此，通過提高室外內(nèi)負(fù)離子濃度來創(chuàng)造舒適的空氣環(huán)境越來越引起人們的重視。

（1）空氣負(fù)離子濃度為居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。隨著城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展、人口增長以及城市建設(shè)，需要關(guān)注如何通過合理的城市布局和空間配置來緩解因城市化引起的城市生態(tài)環(huán)境問題，因而建議針對(duì)不同居住模式的小區(qū)，從規(guī)劃和設(shè)計(jì)的角度開展空氣負(fù)離子濃度與氣候變化因子、不同規(guī)劃布局和設(shè)計(jì)方法等之間的觀測(cè)研究，從而為綜合地評(píng)價(jià)城市居住區(qū)生態(tài)環(huán)境狀況提供科學(xué)依據(jù)和設(shè)計(jì)思路。

（2）空氣負(fù)離子濃度列為室內(nèi)環(huán)境的監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)。空氣負(fù)離子在密閉式空調(diào)（或機(jī)械通風(fēng)）場(chǎng)所，由于空氣經(jīng)過濾后，負(fù)離子濃度大大衰減，所以對(duì)這樣的環(huán)境，應(yīng)增加負(fù)離子濃度作為監(jiān)測(cè)和評(píng)價(jià)指標(biāo)，如果發(fā)現(xiàn)濃度過低時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)措施來增加舒適度[16]。

3.2.3 在城市中心和高密度居住區(qū)要擴(kuò)大綠地或多開發(fā)綠地，在植物配置時(shí)盡可能地集中片狀配置[17]，并采用復(fù)層結(jié)構(gòu)，即喬木、灌木、草類等組合。同時(shí)減少不必要的硬質(zhì)廣場(chǎng)或鋪裝，適當(dāng)增加噴泉和活動(dòng)水面等，以減少空氣污染，提高空氣質(zhì)量，構(gòu)建理想的城市景觀格局，為居民提供良好的生活環(huán)境。

3.2.4 加強(qiáng)自然通風(fēng)和主導(dǎo)風(fēng)向的引導(dǎo)，使周邊負(fù)離子濃度增大，調(diào)節(jié)室內(nèi)外生態(tài)和熱量循環(huán)，有效地改善室內(nèi)外微氣候和舒適度，達(dá)到建筑節(jié)能和和諧自然室內(nèi)外環(huán)境的共生要求[7]。尤其在封閉的場(chǎng)所設(shè)置有效的通風(fēng)系統(tǒng)和人工離子化設(shè)備，采取加強(qiáng)通風(fēng)換氣、改善室內(nèi)綠化以及合理布置辦公設(shè)備等措施，送入負(fù)離子多的空氣，創(chuàng)造適宜的溫度、濕度以及風(fēng)速，從而改善室內(nèi)空氣清潔度和室內(nèi)工作環(huán)境，提高工作人員的積極性和身心健康。

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