大氣霧霾對(duì)室內(nèi)空氣PM2.5濃度水平的影響

賀梓健 白 莉

(吉林建筑大學(xué) 市政與環(huán)境工程學(xué)院,長(zhǎng)春 130118)

0 引言

近年來(lái),我國(guó)霧霾頻發(fā),特別是采暖地區(qū)尤為嚴(yán)重.室內(nèi)空氣質(zhì)量對(duì)人們的健康及工作效率有明顯的影響[1].研究表明,由于人們80%的時(shí)間均在室內(nèi),故室內(nèi)環(huán)境對(duì)人體健康、舒適感和工作效率影響較大,而且室內(nèi)污染比室外污染對(duì)人體危害更大[2].人們?nèi)糸L(zhǎng)時(shí)間留在被污染的室內(nèi),就會(huì)出現(xiàn)頭痛、惡心和困倦等病態(tài)建筑綜合癥(Sick building syndrome,英文縮寫(xiě)為SBS)反應(yīng)[3].室外大氣有害物是室內(nèi)空氣污染的主要來(lái)源之一[4].本文擬采用實(shí)地監(jiān)測(cè)方法，研究分析大氣霧霾對(duì)建筑室內(nèi)空氣中直徑≤2.5μm的顆粒物即可入肺顆粒物(Particulate matter 2.5,英文縮寫(xiě)為PM2.5)的影響規(guī)律.

1 實(shí)測(cè)基本條件

1.1 實(shí)地監(jiān)測(cè)建筑物的選取

公共建筑和居住建筑是我國(guó)城市居民的主要活動(dòng)場(chǎng)所.本文選取位于長(zhǎng)春市中心地段的2棟辦公樓中的2個(gè)會(huì)議室、3家醫(yī)院中的3個(gè)病房、1個(gè)健身中心中的1個(gè)健身房和2個(gè)普通住宅小區(qū)中的2棟住宅樓中的2個(gè)住戶分別作為公共建筑、居住建筑的實(shí)地監(jiān)測(cè)對(duì)象.

1.2 實(shí)地監(jiān)測(cè)方案

2016年10月20日至2017年4月10日,作者對(duì)所選實(shí)地監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行了連續(xù)測(cè)試.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)按每小時(shí)采集數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值整理記錄即:測(cè)試儀表每5min測(cè)試采集1組數(shù)據(jù),1h共采集12組數(shù)據(jù),然后按每小時(shí)采集數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值整理,并記為該小時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù).因長(zhǎng)春市地處嚴(yán)寒地區(qū),冬季人們養(yǎng)成了不開(kāi)窗、很少啟用通風(fēng)系統(tǒng)的生活習(xí)慣,因此,居住建筑可視為密閉空間;由于人員流動(dòng)頻繁,公共建筑則可視為半密閉空間.

1.3 實(shí)地監(jiān)測(cè)儀器

為便于攜帶和現(xiàn)場(chǎng)安裝,本文采用小型智能空氣監(jiān)測(cè)儀與大型監(jiān)測(cè)儀聯(lián)合測(cè)試的方法,所用監(jiān)測(cè)儀性能指標(biāo)見(jiàn)表1.為保證實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的精度,測(cè)試前和測(cè)試中均對(duì)監(jiān)測(cè)儀進(jìn)行了校準(zhǔn).

表1 測(cè)試中所用儀器Table 1 Instruments used in measurement

2 測(cè)試數(shù)據(jù)的采集與整理

2.1 室外大氣PM2.5狀況分析

為分析室外大氣霧霾對(duì)室內(nèi)空氣PM2.5濃度水平的影響,首先需要分析室外大氣狀況.為此,本文利用中國(guó)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測(cè)分析平臺(tái)的數(shù)據(jù),整理了2016年10月20日至2017年4月20日長(zhǎng)春市室外大氣PM2.5濃度數(shù)據(jù),并按中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站分級(jí)方法(見(jiàn)表2)分析給出了長(zhǎng)春市冬季采暖期室外大氣狀況(見(jiàn)圖1),其中69%天數(shù)的空氣質(zhì)量屬優(yōu)良等級(jí)(其中優(yōu)11%、良58%),31%天數(shù)的空氣質(zhì)量屬污染等級(jí)(其中輕度污染21%、中度污染8%和重度污染2%).

表2 PM2.5空氣質(zhì)量等級(jí)Table 2 PM2.5 air quality grade

圖1 室外PM2.5濃度變化趨勢(shì)Fig.1 Variation trends in PM2.5 concentration

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析:如以晝夜(24h)為時(shí)段,室外大氣PM2.5的小時(shí)峰值出現(xiàn)在22∶00時(shí)至次日凌晨2∶00時(shí);而最低谷值則出現(xiàn)在13∶00到14∶00時(shí);如以周(7天)為時(shí)段,周一至周五的室外大氣PM2.5濃度呈下降趨勢(shì),其中周二達(dá)最高峰值64.25μg/m3,周五達(dá)最低谷值30.75μg/m3,而周六、周日則呈上升趨勢(shì);如以月為時(shí)段,11月和1月的室外大氣PM2.5濃度較高,分別達(dá)80.4μg/m3、82.8μg/m3,這是因11月至1月正值冬季供暖期高峰,采暖燃煤排放較多,說(shuō)明冬季燃煤排放是影響室外大氣污染的主要因素之一.

2.2 室內(nèi)空氣PM2.5測(cè)試結(jié)果

根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行室外大氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等級(jí),PM2.5濃度<75μg/m3為優(yōu)良,但室內(nèi)空氣質(zhì)量則沒(méi)有明確的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn),所以,室內(nèi)空氣質(zhì)量等級(jí)劃分采用室外大氣質(zhì)量等級(jí)劃分,本文對(duì)2016年10月20日至2017年4月20日長(zhǎng)春市不同建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,并給出了長(zhǎng)春市相應(yīng)建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量測(cè)試結(jié)果(見(jiàn)表3)(按中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站的室外分級(jí)方法).建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量與室外大氣質(zhì)量類似,優(yōu)良等級(jí)占多數(shù),嚴(yán)重污染僅占少數(shù),但不同建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量存在一定差異.

表3 不同類型建筑內(nèi)空氣等級(jí)的百分?jǐn)?shù)

3 室內(nèi)空氣PM2.5實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 一晝夜(24h)內(nèi)不同時(shí)段各建筑物內(nèi)PM2.5濃度的變化規(guī)律

圖2 一天內(nèi)各建筑物PM2.5濃度變化Fig.2 Variation in PM2.5 concentration in differentlocations during the same period

本文選取了室外大氣污染較為嚴(yán)重(中度污染)

的15d為監(jiān)測(cè)期,分析室內(nèi)PM2.5濃度變化規(guī)律,按早(7∶00～8∶00)、中(12∶00～13∶00)和晚(18∶00～19∶00)等3個(gè)不同時(shí)段對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,并把各類建筑室內(nèi)空氣PM2.5濃度和室外大氣PM2.5濃度繪制成柱狀圖(見(jiàn)圖2).

由圖2可見(jiàn),當(dāng)室外大氣PM2.5濃度較高時(shí),所有建筑室內(nèi)PM2.5濃度同樣也較高.即使對(duì)外門窗處于常閉狀態(tài)的居住建筑,其室內(nèi)PM2.5濃度與室外大氣PM2.5濃度也具有良好的一致性.

早晨,在相同的室外大氣PM2.5濃度下,醫(yī)院、居住、辦公樓、健身中心等4類建筑物中，醫(yī)院病房?jī)?nèi)PM2.5濃度最高約115.0μg/m3,而居住建筑室內(nèi)PM2.5濃度最低約34.7μg/m3,辦公樓會(huì)議室PM2.5濃度列第二位約66μg/m3,健身中心健身房PM2.5濃度列第3位約42.7μg/m3.其原因是早晨進(jìn)出醫(yī)院的人員數(shù)量較多,外門開(kāi)閉頻繁,室外大氣與建筑室內(nèi)空氣形成了良好的對(duì)流循環(huán),室外大氣中的可入肺顆粒物會(huì)大量侵入室內(nèi),造成醫(yī)院PM2.5濃度最高.

晚上與中午類似,由于人員流動(dòng)減少,建筑室內(nèi)換氣次數(shù)下降,醫(yī)院、居住、辦公樓、健身中心等4類建筑物內(nèi)的PM2.5濃度也會(huì)隨之降低,但醫(yī)院病房仍最高約51.7μg/m3,居住建筑室內(nèi)仍最低約21μg/m3,但健身中心健身房?jī)?nèi)PM2.5濃度呈上升趨勢(shì)約47.7μg/m3.這是由于晚上來(lái)健身房的人員較多,人們?cè)谑覂?nèi)活動(dòng),產(chǎn)生大量的可入肺顆粒物,雖然此時(shí)室外大氣PM2.5濃度已下降,但室內(nèi)PM2.5濃度卻仍在上升,不過(guò)低于室外大氣PM2.5濃度.在4類建筑中居住建筑的PM2.5濃度全天處于最低水平,這是因?yàn)槭覂?nèi)外人員流動(dòng)少,通過(guò)建筑門窗縫隙滲入室內(nèi)的大氣相對(duì)較少,因此,其室內(nèi)PM2.5濃度最低,波動(dòng)幅度最小.

總體看,室內(nèi)PM2.5濃度與室外PM2.5濃度呈正相關(guān)性,影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的主要因素是室外PM2.5濃度,室外PM2.5高則室內(nèi)PM2.5也高.特殊場(chǎng)所(如健身房),由于人員頻繁活動(dòng)產(chǎn)生大量的顆粒物,造成室內(nèi)PM2.5濃度升高,這種影響有時(shí)可能要大于室外PM2.5對(duì)室內(nèi)PM2.5的影響.

3.2 室內(nèi)外PM2.5濃度之間的關(guān)系

在室外大氣PM2.5濃度75μg/m3期間,作者對(duì)居室與會(huì)議室內(nèi)PM2.5濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)分析,并觀察室內(nèi)外PM2.5濃度之間的關(guān)系.

圖3 室內(nèi)外不同時(shí)段的PM2.5濃度變化Fig.3 Variation of indoor and outdoor PM2.5concentrations at different times

對(duì)同一建筑不同時(shí)段測(cè)得的室內(nèi)空氣PM2.5濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,并繪制出居住和辦公樓等兩類建筑室內(nèi)外PM2.5曲線(見(jiàn)圖3).由圖3可見(jiàn),兩類建筑室內(nèi)PM2.5濃度均隨著室外PM2.5濃度升高而升高,均呈較強(qiáng)的正相關(guān)性.雖然居室內(nèi)處于密閉狀態(tài)下,室外大氣中可入肺顆粒物只會(huì)通過(guò)門窗縫隙滲入室內(nèi),但PM2.5波動(dòng)幅度較小;而在辦公樓處于窗緊閉狀態(tài)下,室外大氣中可入肺顆粒物則會(huì)通過(guò)經(jīng)常開(kāi)啟的門進(jìn)入室內(nèi),故辦公樓室內(nèi)PM2.5波動(dòng)幅度較大.

上述分析表明,在忽略室內(nèi)人們正?；顒?dòng)產(chǎn)生的可入肺顆粒物情況下,室內(nèi)外PM2.5濃度之間關(guān)系呈正相關(guān)性.

4 影響因素分析

影響室內(nèi)外PM2.5濃度關(guān)系的因素可能很多,但主要是天氣因素包括季節(jié)、天氣狀況和物理因素包括建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和室內(nèi)污染源等兩類.本文以公共建筑與居住建筑室內(nèi)外PM2.5為對(duì)象,分析天氣因素和物理因素對(duì)室內(nèi)外PM2.5濃度的影響.

4.1 天氣因素

由于本文分析了風(fēng)級(jí)、溫度和相對(duì)濕度等3個(gè)氣象參數(shù)的影響,所以在1個(gè)監(jiān)測(cè)期內(nèi),首先任選其中1個(gè)參數(shù)為變量,固定另2個(gè)參數(shù)為定量,忽略2個(gè)定量參數(shù)對(duì)PM2.5的影響.監(jiān)測(cè)儀器精度設(shè)定為溫度誤差±2℃,相對(duì)濕度誤差±5%,風(fēng)級(jí)誤差±1級(jí).

4.1.1 室外風(fēng)級(jí)與室外溫度影響

由圖4可知,當(dāng)室外風(fēng)級(jí)增大時(shí),室內(nèi)外質(zhì)量呈現(xiàn)明顯好轉(zhuǎn),室內(nèi)外污染也明顯減弱,其原因是室外風(fēng)級(jí)會(huì)有利于室內(nèi)外污染物及可入肺顆粒物的擴(kuò)散,對(duì)室內(nèi)外PM2.5濃度產(chǎn)生積極的影響,所以，風(fēng)級(jí)是影響室內(nèi)外質(zhì)量的因素之一,當(dāng)室外風(fēng)級(jí)越大時(shí),室內(nèi)外PM2.5濃度越低.該因素可作為改善人們居住工作生活空氣質(zhì)量的一個(gè)積極措施.

圖4 室外風(fēng)級(jí)對(duì)PM2.5的影響Fig.4 The influence of outdoor wind grade on PM2.5

圖5 室外溫度對(duì)PM2.5的影響Fig.5 The influence of outdoor temperature on PM2.5

由圖5可見(jiàn),室內(nèi)PM2.5濃度與室外空氣溫度之間呈正相關(guān)性,室外PM2.5濃度與室外空氣溫度之間先呈負(fù)相關(guān)性后呈正相關(guān)性(以室外空氣溫度-10℃為分界),其影響規(guī)律與風(fēng)級(jí)影響規(guī)律不同.

圖6 室外空氣相對(duì)濕度對(duì)PM2.5的影響Fig.6 The influence of outdoor relative humidity on PM2.5

4.1.2 室外空氣相對(duì)濕度影響

研究表明,在一定范圍內(nèi),空氣中可入肺顆粒物濃度隨空氣相對(duì)濕度的升高而逐漸降低[5].圖6反映不同室外空氣相對(duì)濕度下室內(nèi)外PM2.5濃度的變化.由圖6可見(jiàn),室內(nèi)外PM2.5濃度與室外空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)性,空氣相對(duì)濕度越大,PM2.5濃度也越高.這是因?yàn)槭彝饪諝庀鄬?duì)濕度可對(duì)大氣中可入肺顆粒物產(chǎn)生一定的促進(jìn)作用,而且主要是在二次顆粒物形成過(guò)程中發(fā)揮這種作用.

4.2 物理因素

4.2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)特性的影響

與西方國(guó)家相比,我國(guó)一般的建筑墻體密閉性比較差,而且自然通風(fēng)和空氣滲透仍是主要通風(fēng)形式.依靠熱壓和風(fēng)壓作用形成的內(nèi)外壓力差驅(qū)動(dòng)室內(nèi)外空氣對(duì)流,這些因素使室內(nèi)外可入肺顆粒物的傳輸規(guī)律變得更復(fù)雜.據(jù)研究報(bào)道,房間換氣次數(shù)、顆粒物對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)穿透性、室內(nèi)顆粒物沉降特性和室內(nèi)污染源是影響室內(nèi)PM2.5濃度的主要因素[6].

4.2.2 室內(nèi)污染源的影響

除室外大氣PM2.5因素外，室內(nèi)污染源也是影響室內(nèi)PM2.5濃度的重要因素,室內(nèi)污染源的增減會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)PM2.5濃度的變化,而且對(duì)室內(nèi)PM2.5產(chǎn)生非常明顯的影響.吸煙和烹飪是產(chǎn)生室內(nèi)污染源的2個(gè)主要因素，比如當(dāng)室內(nèi)出現(xiàn)吸煙、烹飪等行為時(shí),室內(nèi)污染源增加，進(jìn)而就會(huì)導(dǎo)致室內(nèi)空氣PM2.5和PM1濃度迅速顯增.同樣,由室內(nèi)人員活動(dòng)引起的二次顆粒物揚(yáng)塵等也是產(chǎn)生室內(nèi)污染源的1個(gè)主要因素,它將導(dǎo)致室內(nèi)PM2.5濃度瞬間倍增.此外,可入肺顆粒物(PM2.5)吸附建筑裝潢材料、家具、油漆和涂料等揮發(fā)的甲醛、苯等大量有害物質(zhì)，這也會(huì)加劇對(duì)人體的危害.

5 結(jié)語(yǔ)

由上述結(jié)果得到如下結(jié)論：

(1) 在每年10月至次年4月即長(zhǎng)春市供暖高峰期內(nèi),每日PM2.5濃度最高值出現(xiàn)在凌晨2∶00時(shí)左右;而白天PM2.5濃度較低,其低谷值大約出現(xiàn)在下午13∶00時(shí)至14∶00時(shí)左右;每周PM2.5濃度的峰值出現(xiàn)在周一、周二，周四、周五下降,周六、周日又有所上升.

(2) 室內(nèi)空氣質(zhì)量與室外大氣中可入肺顆粒物(PM2.5)濃度呈正相關(guān)性;在室內(nèi)無(wú)污染源且門窗密閉條件下,影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的主要因素是室外大氣中可入肺顆粒物通過(guò)門窗縫隙的滲透;而對(duì)不完全密閉且人員流動(dòng)頻繁的公共建筑,影響室內(nèi)空氣質(zhì)量的主要因素則是室外大氣中可入肺顆粒物通過(guò)門窗的侵入.

(3) 室內(nèi)外PM2.5濃度與室外風(fēng)級(jí)呈負(fù)相關(guān)性;室內(nèi)外PM2.5濃度與室外空氣相對(duì)濕度呈正相關(guān)性;室內(nèi)PM2.5濃度與室外空氣溫度呈正相關(guān)性,室外PM2.5濃度與室外空氣溫度之間先呈負(fù)相關(guān)性后呈正相關(guān)性(以室外空氣溫度-10℃為分界).

參 考 文 獻(xiàn)

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