長春供暖季室內外PM2.5濃度垂直分布與分析*

白 莉 賀梓健 陳琬玥

(1.吉林建筑大學市政與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130118；2.吉林建筑大學松遼流域水環(huán)境教育部重點實驗室，吉林 長春 130118)

PM2.5是城市環(huán)境的主要污染物[1]，近年來隨著城市化進程的加快與經(jīng)濟的快速發(fā)展，由城市人口、建筑、工業(yè)與交通等因素導致的大氣霧霾日益嚴重。特別在東北地區(qū)冬季溫度低，供暖季燃燒煤炭、秸稈會產(chǎn)生大量顆粒物。同時大部分居住建筑的門窗與圍護結構的氣密性較差[2-3]，室外空氣中PM2.5可輕易進入室內，導致室內PM2.5濃度增加，室內空氣質量下降。PM2.5可通過呼吸作用進入人體，對人類健康有極大的潛在威脅。研究表明，人的一生超過80%的時間是在室內度過的[4]，長時間暴露于高濃度PM2.5的人群，肺炎、肺癌、心臟病及心腦血管的患病率會出現(xiàn)顯著升高[5-11]。

居住建筑是人類最重要的庇護所，隨著生活水平的提高，人們對健康居住環(huán)境的需求日益強烈。同時伴隨城市人口的增加與土地資源的稀缺，密集化、高層化建筑已成為城市化發(fā)展的象征，其帶來的城市環(huán)境問題同樣不容忽視[12]。隨著城市由“橫向型”拓增轉向“縱向型”增長，專家學者對不同高層建筑PM2.5的研究逐漸深入[13-16]。本研究以長春地區(qū)的高層居住建筑為研究對象，對其室內外PM2.5進行監(jiān)測與分析，探究供暖季不同樓層PM2.5的濃度水平與變化特征。

1 研究方法

1.1 采樣地點與時間

長春位于東北平原腹地，由于地理位置、汽車保有量持續(xù)上漲、供暖季較長、城市周邊焚燒農(nóng)作物等一系列因素，導致長春秋冬季節(jié)空氣質量不理想。本研究于2019年1月，對長春綠園區(qū)竣工后使用2年的居住建筑進行室內外PM2.5監(jiān)測。該建筑主體高度99.4 m，地下2層，地上33層。由于實驗設備及條件的局限性，無法對全部樓層進行監(jiān)測，本研究選擇的監(jiān)測樓層分別為1、8、15、24、33層，室內外監(jiān)測點分別為居民家中的房間與露天防火通道。人員活動是室內顆粒物的主要來源[17-18]，為避免室內源對監(jiān)測結果的干擾，監(jiān)測期間盡量減少所監(jiān)測的房間內人員活動并始終保持房間門窗緊閉。監(jiān)測房間的相關信息如表1所示。

1.2 實驗儀器

選取LD-6SR激光粉塵監(jiān)測儀實現(xiàn)對PM2.5的監(jiān)測，該儀器能有效減小濕度的干擾，采樣流量為2 L/min，采樣濾膜為Φ40 mm石英纖維濾膜。監(jiān)測過程嚴格按照《室內空氣質量標準》(GB/T 18883—2002)中關于室內PM2.5測點的相關規(guī)定，采樣點布置在距外窗1 m、離相應樓層地面高度0.6 m處，每天監(jiān)測時間為12 h(8：00—20：00)，采樣時間為9 min，間隔為1 min。

1.3 方 法

采用隨機組分重疊模型(RCS)的方法計算各樓層的滲透因子[19]。其計算公式見式(1)。

Cin=Finf×Cout+C0

(1)

式中：Cin為室內PM2.5質量濃度，μg/m3；Finf為PM2.5從室外進入室內的滲透因子；Cout為室外PM2.5質量濃度，μg/m3；C0為室內源產(chǎn)生的 PM2.5質量濃度，μg/m3。

由于所監(jiān)測的房間絕大部分時間處于無人狀態(tài)，且沒有室內污染源，所以C0近似為0 μg/m3，故Finf計算見式(2)。

(2)

采用SPSS 24軟件進行統(tǒng)計，采用方差分析方法檢驗不同樓層室內外PM2.5濃度的差異性，采用雙變量回歸分析方法分析室內外濃度之間的相關性，采用線性分析方法分析不同樓層與顆粒物濃度及滲透因子的相關性，運用逐步回歸分析來檢驗室內PM2.5濃度與各因素之間的相關性，所有分析均以P<0.05作為判斷差異有統(tǒng)計學意義的標準。

2 結 果

2.1 不同樓層室內外PM2.5濃度

不同樓層所監(jiān)測的室內外PM2.5質量濃度變化曲線如圖1所示。長春采暖季建筑室內外均存在PM2.5污染，且室外PM2.5污染更為嚴重。5個樓層的室外PM2.5濃度整體高于室內濃度，并且室內PM2.5濃度隨室外的變化而變化。不同樓層室內外PM2.5濃度峰值、谷值波動變化曲線基本一致，但精細的變化曲線不完全相同。對各樓層監(jiān)測數(shù)據(jù)進行相關性分析，5個樓層的室內外PM2.5濃度都具有顯著的相關性(P<0.05)。

監(jiān)測期間室內外PM2.5平均質量濃度如表2所示。高層建筑室內外PM2.5濃度總體變化趨勢隨著樓層的升高而降低，這一結論與文獻[20]至文獻[22]的研究一致。然而在15～24層之間，PM2.5濃度隨著樓層升高呈遞增趨勢，24～33層又隨之下降，董俊剛等[23]曾得出隨著樓層增加，室外空氣中總懸浮顆粒物呈現(xiàn)先減少后增加又減少的結論。不同樓層的室內外PM2.5濃度無顯著性差異。經(jīng)統(tǒng)計計算，1層室外PM2.5質量濃度相對較高((113.74±63.72) μg/m3)，33層質量濃度相對較低((112.25±63.80) μg/m3)。參照《環(huán)境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，當質量濃度≥75 μg/m3時定義為污染濃度，5個樓層的室外PM2.5濃度大部分時間處于超標狀態(tài)，而室內PM2.5濃度也有部分時段存在超標。

表1 監(jiān)測房間概況

注：01-09表示1月9日0:00，其余類推。圖1 不同樓層室內外PM2.5質量濃度變化曲線Fig.1 Variation curve of indoor and outdoor PM2.5 mass concentration in different floors

表2 不同樓層室內外PM2.5平均質量濃度及滲透因子

2.2 不同樓層室內外PM2.5濃度關系

各樓層室內外PM2.5質量濃度線性回歸曲線如圖2所示。對室內外PM2.5濃度進行t檢驗后發(fā)現(xiàn)，各樓層的室內與室外PM2.5濃度均存在顯著的相關性，這說明在沒有室內污染源的情況下，室內PM2.5主要來源于室外PM2.5的滲透，這與文獻[24]、[25]的研究結果一致。5個樓層的滲透因子分別為0.504、0.500、0.494、0.497、0.493，沒有顯著性差異(P>0.05)，說明所監(jiān)測的高層建筑各樓層房間氣密性趨近于相同。

2.3 室內PM2.5濃度影響因素

關于樓層地面高度與顆粒物濃度的關系說法較多，部分研究認為樓層地面高度會對室內PM2.5濃度產(chǎn)生影響，其兩者之間存在一些關系[26]；部分研究認為兩者之間不存在直接關系，而是與天氣有關[27-28]。本研究對可能影響室內PM2.5濃度的變量進行逐步回歸分析，其中室外PM2.5濃度為自變量，樓層、房間面積、房間體積、樓層地面高度、房屋朝向為協(xié)變量，分析結果如表3所示。除室內外PM2.5濃度有顯著相關性外，與其他協(xié)變量均無顯著相關性。室內PM2.5濃度與樓層、樓層地面高度存在微弱的負相關性,與房間面積、體積存在微弱的正相關。

以統(tǒng)計結果作為參考進行分析。隨著樓層升高，室內外PM2.5濃度大致呈遞減趨勢的原因可能與近地面污染源較多，高層室外空氣動力學條件充足有關[29]。處于近地面的較低樓層更容易受到汽車尾氣、人員活動的影響，造成室外PM2.5濃度較高，進而影響室內空氣質量。徐曼等[30]研究發(fā)現(xiàn)，靜風天氣時近地面PM2.5的累積尤為明顯。當顆粒物與水氣結合時，其質量變大，同時更易與其他顆粒物相結合，高空的顆粒物會在重力作用下沉降到低空位置，造成較低樓層的PM2.5濃度高于較高樓層[31]。本次監(jiān)測結果顯示，24層的室內外濃度高于15層與33層，這與PM2.5濃度與樓層呈負相關的結論產(chǎn)生矛盾。造成這一現(xiàn)象的原因可能是由于24層監(jiān)測的房屋外窗朝向為南，其余4個樓層的房屋外窗朝向為北，而冬季風為東北風，朝南的房間處于背風處，不利于室外PM2.5濃度的擴散，進而造成室內濃度升高。

圖2 不同樓層室內外PM2.5質量濃度線性回歸曲線Fig.2 Linear regression curve of indoor and outdoor PM2.5 mass concentration in different floors

表3 影響室內PM2.5濃度的多因素分析結果

在供暖季，當霧霾天氣出現(xiàn)時，室內PM2.5濃度升高，室內空氣質量降低。房間面積、樓層、房屋朝向等因素無法改善室內空氣質量。同時自然通風會造成室外PM2.5大量進入室內，加劇室內PM2.5污染，建議安裝新風系統(tǒng)或使用空氣凈化器等方法，對室內PM2.5進行人為干預，來達到降低室內PM2.5濃度、提高室內空氣質量的目的。

3 結 論

(1) 供暖期間，長春地區(qū)高層建筑的室內外PM2.5濃度水平較高。高層建筑室內外PM2.5濃度具有顯著相關性，在沒有室內污染源的情況下，室內PM2.5主要來源于室外滲透，不同樓層的滲透因子沒有顯著差異。

(2) 高層建筑的室內外PM2.5濃度隨樓層增加大體呈現(xiàn)減小趨勢，但差異并不顯著；室內PM2.5濃度與房間面積、體積呈現(xiàn)不顯著的正相關。