建筑室內(nèi)外顆粒物污染特征研究

趙向偉，樊越勝，司鵬飛，趙尚文，茍振志，3

1.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055 2.96421部隊(duì)，陜西 寶雞 721012 3.火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025

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建筑室內(nèi)外顆粒物污染特征研究

趙向偉1，2，樊越勝1，司鵬飛1，趙尚文2，茍振志2，3

1.西安建筑科技大學(xué)，陜西 西安 710055 2.96421部隊(duì)，陜西 寶雞 721012 3.火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025

為了解高層公寓建筑室內(nèi)外污染狀況，對(duì)自然通風(fēng)狀態(tài)下的西安市某臨近道路的學(xué)生公寓樓室內(nèi)外顆粒物濃度進(jìn)行了同步測(cè)試。結(jié)果表明：室內(nèi)外顆粒物污染較嚴(yán)重，其中細(xì)顆粒物占可吸入顆粒物的主要部分，且室內(nèi)外顆粒物濃度變化呈現(xiàn)較好的一致性，室外細(xì)顆粒物占可吸入顆粒物比例的波動(dòng)程度大于室內(nèi)；沿樓層高度方向顆粒物濃度基本呈雙峰分布；在沒有明顯室內(nèi)污染源的情況下，PM2.5和PM10的室內(nèi)外顆粒物濃度比值(IO)通常小于1，在有明顯室內(nèi)污染源的情況下，PM2.5和PM10的IO大于1；IO會(huì)隨著顆粒物粒徑減小而逐漸增加；自然通風(fēng)建筑室內(nèi)外顆粒物濃度之間存在明顯的線性相關(guān)性；對(duì)于臨近道路的建筑，室內(nèi)PM2.5濃度受室外濃度影響大于PM1.0和PM10。

高層建筑；顆粒物污染；室內(nèi)外顆粒物濃度比值(IO)；PM10；PM2.5

絕大多數(shù)人70%～90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過的[1-2]，Smith等[3]指出室內(nèi)空氣顆粒物污染占整個(gè)室內(nèi)空氣污染的76%，且發(fā)展中國(guó)家比發(fā)達(dá)國(guó)家更為嚴(yán)重。Dockery等[4]的研究表明，PM10濃度每增加10 μgm3，總死亡率平均增加1.0%。歐洲空氣污染和健康促進(jìn)協(xié)會(huì)對(duì)西歐等國(guó)家的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PM10日均濃度增加50 μgm3時(shí)，日死亡率會(huì)增加2%[5]。因此，分析室內(nèi)外顆粒物污染特征具有重要意義。

圖1給出了室內(nèi)外顆粒物的傳輸途徑。從圖1可以看出，室外顆粒物會(huì)通過通風(fēng)系統(tǒng)及門窗滲透等途徑進(jìn)入室內(nèi)，因此研究室內(nèi)外顆粒物污染特征有助于理解和糾正由于穿透行為導(dǎo)致的暴露誤差，提高流行病學(xué)研究中大氣顆粒物污染健康風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果的真實(shí)性和準(zhǔn)確性，評(píng)估固定點(diǎn)位環(huán)境監(jiān)測(cè)顆粒物濃度代替人體對(duì)室外環(huán)境顆粒物的真實(shí)暴露水平的合理性。國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開展了相關(guān)研究，謝偉[6]研究了機(jī)械通風(fēng)條件下室內(nèi)顆粒物濃度變化特征。但專門針對(duì)校園建筑自然通風(fēng)條件下，室內(nèi)外顆粒物污染特征的研究相對(duì)較少。為此，筆者針對(duì)西安市某校園內(nèi)高層學(xué)生公寓自然通風(fēng)條件下室內(nèi)外顆粒物污染特征進(jìn)行了測(cè)試與分析。

圖1 室外顆粒物進(jìn)入室內(nèi)的傳輸途徑[6]Fig.1 The transmission way of outdoor particulate matter come into indoor

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

采用美國(guó)TSI公司生產(chǎn)的大氣粉塵檢測(cè)儀(TSI Model 8531)對(duì)PM1.0、PM2.5和PM10濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，該儀器量程為0.001～400 mgm3，采樣流量為3.0 Lmin。

1.2 測(cè)試地點(diǎn)與測(cè)試方法

測(cè)試建筑物為西安市某校園內(nèi)的一棟高層學(xué)生公寓(除正常起居活動(dòng)以及人員吸煙外，室內(nèi)無做飯等其他明顯的發(fā)塵源)，建筑層高為3 m，共32層，建筑總高97 m。圖2給出測(cè)試建筑的平面位置，距城市主干道約60 m，建筑正前方為學(xué)校籃球場(chǎng)、排球場(chǎng)以及一條校園道路。測(cè)試房間室內(nèi)面積為30 m2，測(cè)試期間室內(nèi)人數(shù)為2～4人。該建筑為新建建筑，窗戶為塑鋼中空玻璃窗，氣密性等級(jí)為4級(jí)。建筑室內(nèi)采用自然通風(fēng)。

圖2 測(cè)試建筑平面位置Fig.2 The plane location map of test construction

對(duì)室內(nèi)外的顆粒物濃度進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試周期為25 d。每樓層取2個(gè)測(cè)試點(diǎn)，室外和室內(nèi)各1個(gè)。室外測(cè)試點(diǎn)位于建筑窗戶外側(cè)，為避免側(cè)面氣流的干擾和外圍護(hù)表面的氣流邊界層效應(yīng)對(duì)顆粒物濃度的畸變，測(cè)點(diǎn)距外墻1.1 m。室內(nèi)顆粒物濃度的采樣點(diǎn)布置根據(jù)人的呼吸區(qū)高度確定，采樣點(diǎn)高度在1.2～1.5 m，位于房間中央位置。為獲得真實(shí)狀況下室內(nèi)顆粒物濃度數(shù)據(jù)，測(cè)試期間室內(nèi)人員主要活動(dòng)為走動(dòng)及靜坐。

具體測(cè)試方法：采用經(jīng)儀器設(shè)備商校準(zhǔn)的同型號(hào)儀器，測(cè)試周期內(nèi)同時(shí)對(duì)不同樓層的每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別測(cè)試，采樣時(shí)間為50 s，間隔為10 min，測(cè)試時(shí)間為24 h，所測(cè)結(jié)果取平均值，作為該測(cè)點(diǎn)室內(nèi)(或室外)顆粒物日均濃度。由于試驗(yàn)條件限制，將樓層分3組，1～10樓為第1組，11～20樓為第2組，21～30樓為第3組，每組室內(nèi)外同步采樣，依次進(jìn)行，由于每次采樣時(shí)間為50 s，可近似認(rèn)為每層同步采樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物濃度日變化特征

圖3和圖4分別為室內(nèi)外顆粒物日均濃度變化。由圖3和圖4可知，對(duì)于自然通風(fēng)房間而言，室內(nèi)外顆粒物濃度變化呈現(xiàn)較好的一致性。從圖3可以看出，室外PM10、PM2.5和PM1.0日均濃度分別為0.117～0.665、0.069～0.617和0.038～0.446 mgm3，其25 d均值分別為0.299、0.259和0.193 mgm3。可見室外PM10濃度長(zhǎng)期高于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的0.15 mgm3，處于中度污染，25 d均值超標(biāo)近1倍。

圖3 室外顆粒物濃度隨時(shí)間的變化Fig.3 Variation of outdoor particle concentration with time

圖4 室內(nèi)顆粒物濃度隨時(shí)間的變化Fig.4 Variation of indoor particle concentration with time

由圖4可知，室內(nèi)PM10、PM2.5和PM1.0日均濃度為0.106～0.717、0.082～0.656和0.052～0.511 mgm3，其25 d均值分別為0.374、0.335和0.271 mgm3?？梢娛覂?nèi)PM10濃度高于GB 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的0.15 mgm3，且25 d均值超標(biāo)近1.5倍，室內(nèi)處于中度污染。

2.2 沿樓層高度方向室內(nèi)外顆粒物濃度的分布特征

圖5與圖6分別為沿樓層高度方向室內(nèi)外顆粒物濃度的變化。從圖5可以看出，室外顆粒物濃度沿樓層高度基本呈雙峰分布。室外顆粒物濃度最高峰和次高峰分別出現(xiàn)在10樓和23樓，而17樓與19樓的濃度相對(duì)較低。室外PM10、PM2.5和PM1.0濃度分別為0.245～0.820、0.190～0.670和0.150～0.520 mgm3。

圖5 沿樓層高度方向室外顆粒物濃度變化Fig.5 Variation of outdoor particle concentration along the height direction floor

圖6 沿樓層高度方向室內(nèi)顆粒物濃度變化Fig.6 Variation of indoor particle concentration along the height direction floor

從圖6可以看出，室內(nèi)顆粒物濃度最高峰和次高峰分別出現(xiàn)在24樓和12樓，而17樓與20樓的室內(nèi)可吸入顆粒物濃度最低，室內(nèi)PM10、PM2.5和PM1.0濃度分別為0.200～0.780、0.180～0.750和0.150～0.600 mgm3。

試驗(yàn)表明，室外PM10、PM2.5和PM1.0濃度隨高度的增加基本呈雙峰分布，與穆珍珍等[7-8]的研究結(jié)果相同。但與孔春霞等[9-10]的研究結(jié)果不同，其結(jié)果為室外顆粒物濃度隨高度的增加均呈下降趨勢(shì)。這可能是由于區(qū)域地理位置以及室外顆粒物產(chǎn)生源不同引起的，這也表明顆粒物產(chǎn)生與擴(kuò)散過程的復(fù)雜性。

圖7和圖8分別為室內(nèi)外細(xì)顆粒物占PM10比例的變化。從圖7和圖8可以看出，室內(nèi)外PM2.5約占PM10的90%，PM1.0約占PM10的70%。由于室外顆粒物源更為復(fù)雜，室外細(xì)顆粒物占PM10比例的波動(dòng)程度大于室內(nèi)。

圖7 沿樓層高度方向細(xì)顆粒物占PM10比例Fig.7 The proportion of fine particles in PM10along the height direction floor

圖8 細(xì)顆粒物占PM10比例隨時(shí)間的變化Fig.8 The changes of the proportion of fine particles in PM10 with time

圖9 室內(nèi)外顆粒物濃度比值(IO)隨時(shí)間的變化Fig.9 Variation of indoor and outdoor particle concentration ratio(IO) with time

圖10 沿樓層高度方向室內(nèi)外顆粒物濃度 比值(IO)的變化Fig.10 Variation of indoor and outdoor particle concentration ratio(IO) with high-level

張帆等[11]的研究結(jié)果表明，在無任何室內(nèi)源的條件下，PM10室內(nèi)外平均濃度比小于1；張振江等[12]指出PM10在非采暖季和采暖季的室內(nèi)外濃度比分別為0.14～3.22和0.10～3.70，變化非常大；Monn等[13-14]指出，IO為0.7～1.2；Funasaka等[15]研究結(jié)果表明，IO為0.62～0.96；Spengler等[16]指出PM2.5以下顆粒物的IO基本上保持一致。可見，由于建筑類型及所處地理環(huán)境的差異導(dǎo)致研究結(jié)論有所不同。

近年來，許多學(xué)者對(duì)歐美各國(guó)的建筑室內(nèi)外顆粒物之間的關(guān)系作了大量測(cè)試研究。Chen等[17]的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，在波蒂奇和斯托本威爾PM2.5的IO分別為3.36和2.33；在印第安納波利斯為3.07；在美國(guó)的7個(gè)城市為1.67～2.5；在奧內(nèi)達(dá)加和薩福克分別為2.13和2.18。造成上述現(xiàn)象的主要原因是室內(nèi)存在明顯污染源，而在沒有明顯室內(nèi)污染源的情況下，PM2.5和PM10的IO通常小于1。

Thatcher等[18]研究得出，細(xì)顆粒物的IO要大于粗顆粒物，與本研究結(jié)果一致。造成上述現(xiàn)象的原因主要是在室外顆粒物進(jìn)入室內(nèi)的過程中，粗顆粒物比細(xì)顆粒物更容易沉降，同時(shí)細(xì)顆粒物又比粗顆粒物更容易穿透，且抽煙等室內(nèi)污染過程產(chǎn)生的主要是細(xì)顆粒物。

以上分析表明，室內(nèi)的細(xì)顆粒物污染比室外嚴(yán)重，在室內(nèi)凈化設(shè)計(jì)中更應(yīng)得到加強(qiáng)。

2.4 室內(nèi)外顆粒物濃度的相關(guān)性

在研究室內(nèi)外顆粒物濃度的關(guān)系時(shí)，經(jīng)常采用線性擬合的方法。圖11～圖13分別為PM1.0、PM2.5和PM10室內(nèi)外濃度的線性擬合關(guān)系。從圖11～圖13可以看出，PM1.0、PM2.5和PM10濃度的室內(nèi)外擬合方程線性相關(guān)系數(shù)為RPM2.5>RPM1.0>RPM10，其中PM2.5的室內(nèi)外濃度相關(guān)性最強(qiáng)。這說明室內(nèi)PM2.5濃度受室外影響最大。

圖11 室內(nèi)PM1.0濃度隨室外濃度變化Fig.11 Variation of PM1.0 of indoor concentration with outdoor concentration

圖12 PM2.5室內(nèi)濃度隨室外濃度變化Fig.12 Variation of PM2.5of indoor concentration with outdoor concentration

圖13 PM10室內(nèi)濃度隨室外濃度變化Fig.13 Variation of PM10 of indoor concentration with outdoor concentration

3 結(jié)論

(1)室外PM10濃度高于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，室內(nèi)PM10濃度高于GBT 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，室內(nèi)外長(zhǎng)期處于中度污染，且細(xì)顆粒物占PM10的主要部分，室內(nèi)外顆粒物濃度變化呈現(xiàn)較好的一致性。

(2)室內(nèi)外顆粒物濃度沿樓層高度方向基本呈雙峰分布。

(4)室內(nèi)外顆粒物濃度存在一定的線性相關(guān)性，室內(nèi)PM2.5濃度受室外濃度影響大于PM1.0和PM10。

[1] KREISS K.The epidemiology of building-related complaints and illness[J].Occupational Medicine,1989,4(4):575-592.

[2] JONES A P.Indoor air quality and health[J].Atmospheric Environment,1999,33(28):4535-4564.

[3] SMITH K R.Fuel combustion,air pollotion exposure,and health:the situation in developing countries[J].Annual Review of Energy and the Environment,1993,18:529-566.

[4] DOCKERY D W,POPE C A,XU X P,et al.An association between air pollution and morality in six United States cities[J].New England Journal of Medicine,1993,329(24):753-759.

[5] KATSOUYANNI K,TOULOUMI G,SPIX C,et al.Short term effects of ambient sulphur dioxide and particulate matter on mortality in 12 European cities:results from time series data from the APHEA project[J].British Medical Journal,1997,314:1658-1663.

[6] 謝偉.室內(nèi)顆粒物濃度變化特征及污染控制策略研究[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2013.

[7] 穆珍珍,趙景波,徐娜,等.西安市雁塔區(qū)冬季可吸入顆粒物時(shí)空變化研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2011,31(7):1509-1516.

MU Z Z,ZHAO J B,XU N,et al.Vertical and temporal variation of PM10in Yanta district,Xi′an during winter[J].Acta Scientiac Circumstantiae,2011,31(7):1509-1516.

[8] 黃鶴,孫玫玲,劉愛霞,等.天津城市大氣污染物濃度垂直分布特征[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(12):2478-2483.

HUANG H,SUN M L,LIU A X,et al.Vertical distribution of air pollutants in the atmosphere in Tianjin[J].Acta Scientiac Circumstantiae,2009,29(12):2478-2483.

[9] 孔春霞,郭勝利,湯莉莉.南京市生活區(qū)夏秋季節(jié)大氣顆粒物垂直分布特征[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2009,34(11):35-38.

KONG C X,GUO S L,TANG L L.Vertical distribution characteristics of atmospheric particles in summer and autumn in Nanjing[J].Environmental Science Management,2009,34(11):35-38.

[10] 王庚辰,謝驊,萬小偉,等.北京地區(qū)氣溶膠質(zhì)量濃度及組分隨高度的變化[J].環(huán)境科學(xué)研究,2004,17(1):37-40.

WANG G C,XIE H,WAN X W,et al.Variation of aerosol mass concentration and element composition with height in Beijing area[J].Research of Eevironmental Science,2004,17(1):37-40.

[11] 張帆,田利偉,韓杰,等.PM10室內(nèi)外濃度的關(guān)系及其影響因素測(cè)試與分析[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2006(4):38-41.

ZHANG F,TIAN L W,HAN J,et al.Analysis on the relationship between indoor and outdoor PM10concentrations and the influence factor[J].Contamination Control & Air-conditioning Technology,2006(4):38-41.

[12] 張振江,趙若杰,曹文文,等.天津市可吸入顆粒物及元素室內(nèi)外相關(guān)性[J].中國(guó)環(huán)境科學(xué),2013,33(2):357-364.

ZHANG Z J,ZHAO R J,CAO W W,et al.Eesidential indoor-outdoor relationships of PM10and elements in Tianjin[J].China Environmental Science,2013,33(2):357-364.

[13] MONN C,FUCHS A,HOGGER D,et al.Particulate matter less than PM10and fine particles less than PM2.5:relationships between indoor,outdoor and personal concentrations[J].Science of the Total Environment,1997,208(1):15-21.

[14] LIOY P J,WALDMAN J M,BUCKLEY T,et al.The personal,indoor and outdoor concentrations of PM10measured in an industrial community during the winter[J].Atmospheric Environment,1990,24:57-66.

[15] FUNASAKA K,MLYAZAKL T,TSURUHO K,et al.Relationship between indoor and outdoor carbonaceous particulates in roadside households[J].Environmental Pollution,2000,110(1):127-134.

[16] SPENGLER J D,DOCKERY D W,TURNER W A,et al.Long-term measurement of respirable sulfates and particles inside and outside homes[J].Atmospheric Environment,1981,15(1):23-30.

[17] CHEN C,ZHAO B.Review of relationship between indoor and outdoor particle:IO ratio,infiltraction factor and penetration factor[J].Atmospheric Environment,2010,45(2):275-288.

[18] THATCHER T L,LAYTON D W.Deposition,resuspension and penetration of particles within a residence[J].Atmospheric Environment,1995,29(13):1487-1497.□

WU Y F, CHEN J H, ZHANG G N, et al.Pollution situation and health effect of dioxins[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(3):229-238.

Pollution Characteristics of Indoor and Outdoor Particulate of Buildings

ZHAO Xiangwei1,2, FAN Yuesheng1, SI Pengfei1， ZHAO Shangwen2, GOU Zhenzhi2,3

1.Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China 2.Troops No.96421, Baoji 721012, China 3.Rocket Force Engineering University, Xi′an 710025, China

In order to understand the indoor and outdoor pollution situation of high-rise apartment buildings, the indoor and outdoor particulate matter concentrations of one apartment building nearby the road in Xi′an city under natural ventilation were simultaneously tested. The results show that the indoor and outdoor particulate matter pollution is serious and fine particles accounts for the main part of inhalable particles. The changes of indoor and outdoor concentrations present good consistency, the fluctuations of percentage of fine particles in outdoor PM10are greater than indoor, and the particulate matter concentrations along the height direction of the building exhibit bimodal distribution. In the absence of clear indoor pollution sources, the IO ratio of PM2.5and PM10is usually less than 1, while the IO ratio of PM2.5and PM10is greater than 1 if there are obvious pollution sources in indoor. The IO ratio decreases as the size of particles increases. There is a certain linear relationship between the concentrations of indoor and outdoor particles and, for high-rise apartment buildings near the road, the indoor PM2.5concentration is effected by the outdoor concentration more than PM1.0and PM10.

high-rise buildings; particulate matter pollution; IO; PM10; PM2.5

2015-10-09

中國(guó)博士后面上項(xiàng)目(20090461287)

趙向偉(1977—)，工程師，碩士，主要從事通風(fēng)除塵技術(shù)研究，964444784@qq.com

X513

1674-991X(2016)03-0223-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.03.034