上海地區(qū)冬季住宅室內(nèi)外顆粒物濃度的相關(guān)性

高 軍，房艷兵，江暢興，徐 斌，宋天珩，曹昌盛

（1.同濟(jì)大學(xué)a.機(jī)械與能源工程學(xué)院；b.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804；2.上海市楊浦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，上海 200093）

上海地區(qū)冬季住宅室內(nèi)外顆粒物濃度的相關(guān)性

高 軍1a，房艷兵1a，江暢興2，徐 斌1b，宋天珩1a，曹昌盛1a

（1.同濟(jì)大學(xué)a.機(jī)械與能源工程學(xué)院；b.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804；2.上海市楊浦區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)站，上海 200093）

對(duì)上海市某住宅建筑室內(nèi)外PM10、PM2.5、PM1的濃度進(jìn)行了測(cè)量，研究了最小通風(fēng)量（外門窗關(guān)閉）條件下3種天氣時(shí)顆粒濃度隨時(shí)間變化的規(guī)律以及相關(guān)性，分析了顆粒物濃度與環(huán)境溫濕度參數(shù)之間的關(guān)系。研究結(jié)果顯示，測(cè)試期間，室內(nèi)外空氣中細(xì)顆粒（PM 2.5）占可吸入顆粒（PM 10）濃度比例分別達(dá)65%和87%以上；無(wú)明顯室內(nèi)源時(shí)，I／O比值小于1且隨粒徑減小而減?。皇覂?nèi)外顆粒濃度相關(guān)性與粒徑大小有關(guān)系，PM1、PM2.5的濃度相關(guān)性大于PM10。研究還表明，顆粒物濃度的關(guān)聯(lián)性與天氣狀況有關(guān)系，多云、雨天和陰天時(shí)濃度關(guān)聯(lián)性有顯著差別；顆粒物的濃度受到室內(nèi)外溫濕度的影響，且受天氣狀況影響而呈現(xiàn)復(fù)雜性。

住宅建筑；空氣污染；顆粒物；溫濕度；相關(guān)性

流行病學(xué)研究表明，人體死亡率和發(fā)病率的增長(zhǎng)與顆粒物（Particulate Matter，PM）暴露有顯著性關(guān)系［1－4］。室外顆粒物可通過(guò)通風(fēng)和滲透的方式進(jìn)入室內(nèi)［5－7］，使得室內(nèi)外顆粒物存在相關(guān)性。現(xiàn)代社會(huì)中，人們有大約90%的時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)［8］，室內(nèi)空氣品質(zhì)越來(lái)越受到關(guān)注，研究顆粒物室內(nèi)外相關(guān)性成為近年來(lái)暴露研究的重點(diǎn)，不僅可以評(píng)估室內(nèi)外顆粒物的濃度水平，還可以反映影響室內(nèi)顆粒濃度變化的來(lái)源。

目前，雖然一些學(xué)者對(duì)顆粒物的室內(nèi)外相關(guān)性研究進(jìn)行了研究［5，9－11］，但針對(duì)顆粒物濃度與天氣條件關(guān)系的研究則較少。上海是一個(gè)人口稠密的城市，其氣候、建筑結(jié)構(gòu)等都有自己的特點(diǎn)，因此有必要對(duì)該地室內(nèi)外顆粒物濃度的關(guān)聯(lián)性及其與天氣條件的關(guān)系進(jìn)行研究，了解人體在室內(nèi)外顆粒物中的暴露情況。

筆者對(duì)無(wú)明顯室內(nèi)污染源條件下的某住宅室內(nèi)外顆粒物濃度的關(guān)系進(jìn)行了研究，并針對(duì)不同天氣類型對(duì)顆粒物關(guān)聯(lián)性的影響進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)采用入戶采樣監(jiān)測(cè)的方式，在2012年12月份對(duì)上海市某住宅進(jìn)行了測(cè)試。該住宅位于一棟6層建筑的6樓，除衛(wèi)生間外，其余房間均有一個(gè)面向室外的窗戶。建筑周圍沒(méi)有明顯污染源，且在建筑周圍存在綠色植物區(qū)域。測(cè)試時(shí)室內(nèi)僅有1人（測(cè)試者）且人員活動(dòng)量較小。測(cè)試過(guò)程中，室內(nèi)空調(diào)關(guān)閉，無(wú)采暖，同時(shí)住宅外門窗緊閉，只有通過(guò)門窗縫隙進(jìn)行的自然通風(fēng)。該實(shí)驗(yàn)主要研究室內(nèi)外顆粒物的關(guān)聯(lián)性，因此在測(cè)試前一周，廚房停止使用，保證無(wú)油煙污染，同時(shí)室內(nèi)也無(wú)吸煙現(xiàn)象以及任何形式的衛(wèi)生打掃。

采樣點(diǎn)布置根據(jù)人體呼吸區(qū)高度確定，測(cè)點(diǎn)高度為1.5 m，根據(jù)測(cè)點(diǎn)布置原則，分別在客廳、主臥室、次臥室各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，廚房和衛(wèi)生間不進(jìn)行測(cè)試并關(guān)閉門窗（減小干擾因素）。室外測(cè)點(diǎn)布置在同一高度的陽(yáng)臺(tái)上，距離建筑外墻約1 m。

研究的顆粒物對(duì)象為PM10、PM2.5和PM1。測(cè)試時(shí)，采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的8534型Dust-TrakTMDRX氣溶膠監(jiān)測(cè)儀，該儀器可以同時(shí)監(jiān)測(cè)PM1、PM2.5、呼吸性顆粒物（PM4）、PM10和總PM（＜15μm）等濃度，并可測(cè)量瞬時(shí)值和平均值，其測(cè)量范圍為0.001～150 mg／m3，精度為±0.1%或±0.001 mg／m3。溫度和相對(duì)濕度的測(cè)量采用國(guó)產(chǎn)WSZY-1型溫濕度自記儀，其溫度測(cè)量精度為±0.1℃，濕度為±0.1%RH。

采樣時(shí)間安排在8：30—18：30，每15 min記錄一次數(shù)據(jù)，單次采樣時(shí)間為2 min，取平均值作為該時(shí)刻采樣點(diǎn)的顆粒物濃度。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)測(cè)試安排在2012年12月份。在實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)間內(nèi)室外風(fēng)速均為東南風(fēng)3～4級(jí)。房間的換氣次數(shù)在0.4～1.0 h－1之間（實(shí)驗(yàn)在房間門窗全部關(guān)閉的情況下進(jìn)行，在測(cè)量換氣次數(shù)時(shí)，示蹤氣體濃度衰減較慢，不易測(cè)出，因此采用軟件模擬計(jì)算值作為參考估計(jì)值）。選取其中3個(gè)典型天分析，天氣分別為晴到多云（D1）、小雨（D2）、陰天并伴有霧（D3）。采樣所處室外環(huán)境的溫濕度變化范圍如表1所示。

表1 室外溫濕度變化值

2.1 室內(nèi)外顆粒物濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系

從圖1可以看出，在同一測(cè)試條件下，室內(nèi)客廳、主臥室、次臥室內(nèi)PM1、PM2.5、PM10的對(duì)應(yīng)均值濃度差異較小，處于同一水平。原因可能是室內(nèi)房門開啟，空氣可以自由流通，造成各房間顆粒物進(jìn)行了有效的混合。但是雨天室內(nèi)顆粒物的濃度值與多云和陰天（有霧）天氣相差較大。

圖1 室內(nèi)不同房間顆粒物濃度

從圖1也可以看出室內(nèi)PM1、PM2.5的均值濃度接近于PM10的濃度。表2給出了更直觀的數(shù)據(jù)。室內(nèi)細(xì)粒子（PM2.5）在可吸入粒子（PM10）中占有的比重較大，最大達(dá)到87%，最小為65%。而室外細(xì)粒子所占的比重更大（大于87%）。因此，可以認(rèn)為室內(nèi)外空氣中的顆粒物主要是細(xì)顆粒。

表2 室內(nèi)外顆粒物濃度的平均比值

圖2為室內(nèi)外顆粒物濃度隨時(shí)間變化的情況。從圖2可以看出，在同一測(cè)試條件下，室內(nèi)各房間之間的顆粒物濃度逐時(shí)變化規(guī)律一致，并且室內(nèi)或室外同一時(shí)刻PM1、PM2.5、PM10也呈一致性變化。

圖2 室內(nèi)外顆粒物濃度隨時(shí)間變化情況

對(duì)比圖2中（a）、（b）、（c）3圖可以發(fā)現(xiàn)，小雨天氣的室內(nèi)外顆粒物濃度明顯低于多云和陰天（有霧）。這是因?yàn)樾∮陮?duì)室外顆粒物的沉降過(guò)程起到促進(jìn)作用［12－14］，對(duì)室外空氣有一定的凈化能力。受室外濃度影響，在無(wú)明顯室內(nèi)源的情況下，室內(nèi)顆粒物濃度也較低。而陰天有霧時(shí)，會(huì)導(dǎo)致室外顆粒濃度升高［15］，同時(shí)這些顆粒又通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙進(jìn)入室內(nèi)，導(dǎo)致室內(nèi)濃度升高。

總體上看，3種天氣條件下，室外顆粒物的濃度均大于室內(nèi)。但是，不同天氣條件下，室內(nèi)外顆粒物的濃度不呈規(guī)律性變化。多云天氣室內(nèi)濃度早晚較高。小雨天氣室內(nèi)顆粒物濃度呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì)，陰天（有霧）時(shí)室內(nèi)濃度呈現(xiàn)緩慢上升趨勢(shì)。

現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 18883—2002）中規(guī)定的室內(nèi)可吸入顆粒物（PM10）日平均最高容許濃度0.15 mg／m3，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB 3095—2012）中規(guī)定的PM2.5日均濃度限值0.075 mg／m3。從圖2中可以看出，3種天氣下室內(nèi)PM10濃度絕大多數(shù)時(shí)刻低于限值。而室內(nèi)PM2.5濃度卻超過(guò)限值，除小雨天外。

2.2 室內(nèi)外顆粒物濃度相關(guān)性及天氣因素影響

為了解室內(nèi)外顆粒物濃度的關(guān)系，利用線性擬合的方法研究其相關(guān)性。由于室內(nèi)各房間之間顆粒物濃度的變化規(guī)律的一致性，且數(shù)值差異較小，故只討論室內(nèi)主臥室顆粒物濃度與室外的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 室內(nèi)外顆粒物濃度關(guān)系的回歸分析

從圖3可以看出，線性擬合曲線位于I／O比等于1的直線下方，表明室內(nèi)外顆粒物平均I／O比小于1，按圖所列順序其I／O比計(jì)算結(jié)果分別為：0.848±0.113、0.779±0.103、0.778±0. 103；0.900±0.131、0.658±0.085、0.654±0. 083；0.606±0.093、0.546±0.098、0.541±0.099。I／O 比值隨粒徑的減小而減小，這與文獻(xiàn)［10］的研究結(jié)果相反。圖3也顯示了室內(nèi)外空氣中PM1和PM2.5的相關(guān)性均大于PM10，這與文獻(xiàn)［16］中的報(bào)道相一致。并且，多云天氣的室內(nèi)外相關(guān)性顯著（R＝0.867 7、0.870 7、0.869 8），陰天（有霧）次之（R＝0.543 0、0.543 1、0.543 6），雨天相關(guān)性最差（R＝0.312 4、0.384 0、0.397 4）。

圖2（a）和圖3（a）表明，在多云天氣時(shí)，室外顆粒濃度直接決定了室內(nèi)顆粒濃度，在室外濃度出現(xiàn)變化時(shí)，室內(nèi)濃度也呈現(xiàn)相應(yīng)的變化狀態(tài)，無(wú)明顯時(shí)間延遲現(xiàn)象。而觀察圖2和圖3中的（b）、（c）圖，卻無(wú)類似情況。這可能是因?yàn)樵谛∮晏旌完幪斓奶鞖鈼l件下，室內(nèi)顆粒濃度一部分受到室外影響，同時(shí)也受到室內(nèi)粗顆粒的影響。因此，可以認(rèn)為天氣條件是影響室內(nèi)外顆粒物相關(guān)性的重要因素之一。

2.3 顆粒物濃度與溫濕度的關(guān)系

為了解顆粒物濃度與溫濕度間存在的關(guān)系，現(xiàn)利用SPSS軟件對(duì)其進(jìn)行相關(guān)性分析（以PM10為例）。

表3 PM10濃度與溫濕度關(guān)系

從表3可以看出，多云和陰天天氣條件下，室內(nèi)外顆粒物濃度均與其所處環(huán)境溫濕度有顯著性關(guān)系（P＜0.05），且為正相關(guān)性（R＞0）。雨天時(shí)仍存在一定關(guān)系，但是整體上這種關(guān)系不顯著（P＞0.05），可能是雨天雨水等復(fù)雜性因素所導(dǎo)致。

3 結(jié)論

研究了住宅建筑冬季室內(nèi)外顆粒物濃度的關(guān)聯(lián)性及其與天氣條件的關(guān)系。針對(duì)人們冬季的生活習(xí)慣，只討論了最小通風(fēng)量情況下的顆粒物濃度關(guān)系。得到如下結(jié)論：

1）在緊閉外門窗的條件下，室內(nèi)不同房間同種顆粒物濃度隨時(shí)間變化規(guī)律一致，且濃度均值基本相同，同一房間不同粒徑顆粒也表現(xiàn)出此特征。

2）無(wú)明顯室內(nèi)污染源時(shí)，室內(nèi)顆粒物濃度絕大多數(shù)時(shí)刻小于室外顆粒濃度，平均I／O比值小于1，且I／O比值隨粒徑的減小而減小。大氣顆粒I／O比總體處于0.5～0.9范圍內(nèi)。

3）不同天氣條件下，室內(nèi)外顆粒物的關(guān)聯(lián)性呈現(xiàn)明顯差別，文中相關(guān)性排序?yàn)椋篋1＞D3＞D2。在同一天氣條件下，顆粒物向室內(nèi)輸運(yùn)過(guò)程中，細(xì)顆粒物的穿透性較強(qiáng)，PM1、PM2.5的關(guān)聯(lián)性大于PM10。

4）室內(nèi)外顆粒物濃度受到溫度和濕度的顯著性影響，雨天除外。雨天也存在一定關(guān)聯(lián)性，但是整體不顯著。

由于顆粒物濃度的I／O比受到大量因素制約而存在差異性，即使對(duì)于同一地區(qū)的不同建筑、不同地理位置或者不同的社會(huì)經(jīng)濟(jì)區(qū)域的居住建筑都存在不同，因此該課題有待更深入的研究。對(duì)于室內(nèi)外顆粒物關(guān)聯(lián)性的物理層面的分析以及不同建筑形式的影響是下一步研究工作的重點(diǎn)。

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（編輯 胡英奎）

Relationship between Indoor and Outdoor Particulate Matter Concentrations in a Residential Building in Winter of Shanghai

Gao Jun1a，F(xiàn)ang Yanbing1a，Jiang Changxing2，Xu Bin1b，Song Tianheng1a，Cao Changsheng1a
（1a.School of Mechanical Engineering；
1b.College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，P.R.China；2.Environmental Monitoring Station，Yangpu District，Shanghai 200093，P.R.China）

In this study，the concentrations of PM10，PM2.5 and PM1 in a residential building in Shanghai were measured under minimum ventilation rate（external doors and windows closed），and the relationship between the indoor and outdoor PM concentrations（I／O ratio）and the influence of temperature and relative humidity were analyzed as well.Results showed that，the percentages of the concentrations of fine particles（PM2.5）of the indoor and outdoor air were 65%and 87%of the inhalable particulate（PM10）concentration during the test respectively.The I／O ratio was less than 1 without significant indoor sources.Meanwhile，the figure decreased as the size of particles decreased.Results also indicated that，the correlation between indoor and outdoor PM concentrations，PM1 and PM2.5 were more obvious than PM10，and the correlations showed obvious differences according to the weather conditions.The PM concentration was influenced by temperature and relative humidity，which was presented to be complex when affected by weather conditions.

residential building；air pollution；particulate matter；temperature and relative humidity；correlation

TU834.6

A

1674-4764（2014）02-0110-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.017

2013-05-27

上海市科委青年科技啟明星計(jì)劃（11QA1406800）

高 軍（1977-），男，副教授，博士，主要從事建筑環(huán)境與室內(nèi)空氣品質(zhì)研究，（E-mail）gaojun-hvac＠#edu.cn。