室內通風方式對PM2.5濃度的影響

李洪欣,唐莉,劉雅楠

室內通風方式對PM2.5濃度的影響

李洪欣,唐莉,劉雅楠

鄭州大學土木工程學院, 河南 鄭州 450000

參與空氣質量評價的主要污染物為細顆粒物PM2.5，大氣中PM2.5不僅影響氣候和空氣質量，而且嚴重危害人體健康。PM2.5等細顆粒物是大氣中主要污染物之一，PM2.5對正處于發(fā)育期的學生危害極大，因此良好的教室內空氣品質對學生的健康成長有著重要的意義，而教室通風方式對室內PM2.5的質量濃度分布有著直接關聯(lián)。為探究鄭州學校教室內PM2.5濃度長期變化及其影響因素，本研究運用I/O值和線性回歸分析法，對2018~2019年均教室內PM2.5濃度網格化數(shù)據(jù)進行分析。并結合河南省鄭州市某中學教室進行了實測，以探求自然通風與新風系統(tǒng)兩種不同的通風方式對室內PM2.5濃度的影響。

PM2.5; 室內通風

近年來，我國大氣污染物排放總量呈逐年降低態(tài)勢，但趨勢緩慢，大氣污染物的排放總量長年居高，污染仍然很嚴重。顆粒物（PM2.5、PM10）和SO2是影響我國城市空氣質量的主要污染物[1]。由于PM2.5具有活性強，且易附帶有毒有害物質的特點，對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響更大[2]。若有病毒依附在PM2.5進行傳播，雖然病毒存活時間較短，依然會對人體的健康構成威脅。對于人體各種機能尚未完善的兒童來說，室內空氣顆粒物特別是細顆粒物PM2.5污染更加敏感[3]。經研究發(fā)現(xiàn)，兒童呼吸系統(tǒng)患?。ㄈ缦⒅夤苎椎龋┌l(fā)生率與PM2.5呈線性正相關關系[4,5]。學校教室作為學生集中和停留時間最久的地方，在校兒童每天有80％以上時間是在教室內度過，因此，教室內空氣品質對學生的健康成長有著重要影響。本文對鄭州市某中學采用新風系統(tǒng)的教室進行了實測，分析了不同通風方式下室內外PM2.5濃度的相關性，著重研究自然通風與新風系統(tǒng)兩種不同的通風方式對室內PM2.5濃度的影響。

1 實測案例與方法

1.1 教室概況

鄭州某學?？偨ㄖ娣e27513 m2，校區(qū)由綜合教學樓和室外活動場地兩部分組成。其中，教學樓地上共5層，每層高約3.2 m，外圍與校園操場相鄰，易受外界環(huán)境影響，整所學校設有48個標準教室，可容納學生2400人。被測教室長9 m，寬7.6 m，凈高3.2 m，南外墻上有兩扇長3.8 m，寬1.3 m的鋁合金推拉外窗，外窗可開啟一半，內墻與教學樓走廊相連，北內墻前后設有兩個門方便學生出入，教室均裝有分體式冬夏兩用空調設備，共有學生48人，設有新風系統(tǒng)，送風方式為頂送風，排風口設置在教室的屋頂，教室內的平面布局如圖1。

圖 1 被測教室實況

1.2 測試內容

本次測試主要對教室室內外的PM2.5進行連續(xù)監(jiān)測，測試時間為2019年10月26日（周六）至11月3日（周日），該校初中學生作息時間為早上7:50至下午19:00，中午12:00至14:00為午休時間。測試分為自然通風工況、間歇式自然通風工況和新風系統(tǒng)通風工況。自然通風工況選在周末，為研究教室外空氣中PM2.5濃度變化對室內PM2.5濃度的影響，周六門窗打開，周日門窗關閉，以室外環(huán)境數(shù)值作為對比數(shù)據(jù)，對門窗開啟和關閉時教室內的PM2.5濃度的變化進行分析。教室開啟新風系統(tǒng)情況下，為比較新風機開啟前后教室內外污染物濃度PM2.5的變化，周一至周三新風系統(tǒng)運行，其余兩天上課時間采用間接式自然通風，上課時門窗關閉，下課時開啟門窗自然通風，在測試中保持學生正常的學習活動，以保證測試數(shù)據(jù)的真實可靠性。

1.3 測試布點

沿教室的對角線方向均勻布置三個室內測點，測點位置盡量避開門窗、分體空調出風口，將儀器放置在教室課桌的上，不妨礙學生正常的自由活動和學習。三個測點同時測量，取三個測點的平均數(shù)據(jù)作為室內測試的代表數(shù)據(jù)。教室外測試點布置在教室窗臺外的背陰處，避免陽光直射導致測試數(shù)據(jù)不準。

空氣測試儀，測量范圍為0~999 μg/m3，分辨率1 μg/m3，精度±15%讀數(shù)值或±20 μg/m3。

1.4 分析方法

目前有較多室內外顆粒物相關性的研究，主要分為兩種：I/O值和線性回歸分析法[6,7]。

I/O值為室內外污染物的濃度比，通常采用I/O比值判斷室內顆粒物是來源于室內還是室外[8,9]。當I/O≤1時，教室室內顆粒物以室外源為主，當I/O＞1時，教室室內污染占主導地位，在沒有明顯的長期室內污染源的情況下，I/O比值約為1。線性回歸分析法是一種研究影響關系的方法，采用相關系數(shù)2來判斷兩者的相關關系，2越高，說明兩者的相關性越強[10]。本文利用這兩種方法分別對教室自然通風時和有人上課開啟新風系統(tǒng)時，室內外PM2.5濃度相關性進行分析，對比開新風系統(tǒng)后教室室內PM2.5污染物濃度的變化。

2 自然通風（無人）工況測試結果分析

教室內PM2.5的主要來源為人員活動，人員的活動會使得沉積在地面或其他表面上的細微顆粒物再次懸浮，從而增加室內的PM2.5含量[11,12]?？紤]到學生在實際上課時并無人員走動，且因室外噪音，而將門窗關閉，所以選擇在周六、周日教室內無人情況下，對自然通風下，室內PM2.5濃度變化進行實測分析。

圖 2 開啟門窗時室內外PM2.5濃度

圖 3 門窗關閉時室內外PM2.5濃度

圖2顯示的是教室內無人，門窗開啟狀況下，教室外空氣中PM2.5濃度變化對室內PM2.5濃度的影響。結果顯示：在教室自然通風的條件下，室內外PM2.5的質量濃度比達到0.9以上，教室內的PM2.5濃度顯著的隨著室外PM2.5濃度變化，但室內PM2.5濃度的水平始終低于室外水平，I/O比值始終小于1，因此，教室內PM2.5室內源自身產生的PM2.5濃度較低，室內PM2.5主要來源于室外環(huán)境。

圖3顯示的是教室門窗關閉，教室內外PM2.5質量濃度的變化。由圖可知，即使教室門窗關閉，教室內PM2.5質量濃度仍具有隨室外變化的趨勢，但與開啟門窗，自然通風相比，室內的PM2.5質量濃度變化幅度極大的減小了，室內PM2.5質量濃度的高值區(qū)沒有門窗打開時上升的明顯，說明關閉門窗能夠在一定程度上減少室內PM2.5的濃度。但室內外的PM2.5平均濃度比值仍然較高，室內外濃度比為0.4至0.6之間，說明在門窗緊閉的條件下，PM2.5的滲透能力很強，可以通過門窗縫隙的滲透進入教室，室外PM2.5污染物仍可較大程度的影響室內PM2.5的濃度。

I/O值代表的僅是在一定時間內相對穩(wěn)定的結果，并不能準確的顯示教室室內外PM2.5的相關關系，那么，為了準確識別教室內與室外大氣污染的空間交互影響，進一步判斷室內外PM2.5的關系提供科學依據(jù)，對周末教室自然通風期間進行一元線性回歸分析。通過線性擬合得出室內外PM2.5的相關系數(shù)，2系數(shù)越高，說明室內外PM2.5的相關性越強，室內PM2.5主要來源于室外的可能性就越大[13]。

圖 4 開啟門窗時室內外PM2.5濃度線性回歸分析

圖 5 門窗關閉時室內外PM2.5濃度線性回歸分析

由圖4和圖5教室開關窗時室內外PM2.5濃度線性回歸分析可知，教室在開關窗狀態(tài)下，室內PM2.5的質量濃度存在明顯的差異。當教室開窗通風時，室內外PM2.5相關性較高，相關系數(shù)2為0.904，明顯高于關窗時，室內有80％的PM2.5來自于室外；反之，教室為關窗狀態(tài)時，室內PM2.5僅為37％，相關性明顯下降，相關系數(shù)2為0.406。并利用PCA方法對該區(qū)PM2.5的來源進行解析[14]。解析結果表明教室開窗面積以及PM2.5的滲透作用可能是影響室外顆粒物進入教室的重要因素。

圖 6 鄭州氣象局監(jiān)測PM2.5日平均濃度

根據(jù)2018年鄭州氣象局監(jiān)測PM2.5日平均濃度，如圖6所示，其中，空氣質量污染嚴重的月份集中在1月、11月和12月。以此推算，全年365 d中，室外超過《GB 3095-2012環(huán)境空氣質量標準》[15]中一級標準35 μg/m3的天數(shù)為228 d。學生全年扣除寒暑假上課天數(shù)為278 d，根據(jù)前文分析實際測試的室內外PM2.5濃度比I/O值為0.4~0.6，結合圖6中的數(shù)值，對上課期間每天的室內PM2.5質量濃度進行計算分析可得，即使該教室全年門窗關閉，僅依靠門窗滲透的條件下，室內PM2.5濃度的超標天數(shù)為58~119 d，占全年總天數(shù)的19%~39%。若門窗開啟，室內PM2.5超標的天數(shù)比例將增大到61%。結果證明，采用自然通風的教室對于室外PM2.5的污染缺乏有效的防護能力。

3 新風系統(tǒng)與間歇式自然通風工況測試結果對比分析

我國教室傳統(tǒng)通風方式主要依靠自然通風，但在霧霾天氣、室外噪音偏大等情況下，學生在上課期間室內門窗緊閉，僅在下課期間開啟門窗，為了改善上課期間教室內空氣質量，越來越多的教室加裝了新風系統(tǒng)。

前文分析了自然通風時，室內PM2.5濃度變化，下文主要對比學生上課期間開啟新風系統(tǒng)與間歇式自然通風的工況下，室內PM2.5的變化值。

圖7為學生在教室上課時，每節(jié)課PM2.5均值濃度測試結果。通過對比開啟新風系統(tǒng)和門窗緊閉這兩天的PM2.5濃度變化，可以發(fā)現(xiàn)開啟新風系統(tǒng)時每節(jié)課PM2.5均值低于35 μg·m-3，I/O值在0.3左右，受室外PM2.5濃度影響小，室內PM2.5濃度遠低于室外，可以有效的減少教室內PM2.5的質量濃度，即使室外濃度較高的情況下，由于使用了新風系統(tǒng)，使得教室內PM2.5質量濃度遠低于室外，說明新風系統(tǒng)可以有效地降低室外PM2.5的滲透作用。門窗緊閉時，PM2.5濃度在35 μg·m-3以上，超過《GB 3095-2012環(huán)境空氣質量標準》[15]中的一級標準，I/O值在0.6以上，室內外PM2.5相關性較高，說明教室內PM2.5主要來源于門窗滲透，當室外大氣中PM2.5污染較為嚴重時，教室對室外顆粒物污染缺乏有效防護措施，導致室內PM2.5濃度將增大。因此，使用新風系統(tǒng)可以有效的減小室內PM2.5的污染。

圖 7 室內外PM2.5濃度及I/O值測試結果

圖 8 新風系統(tǒng)運行下教室內PM2.5預測濃度

由于現(xiàn)場測試受室外環(huán)境PM2.5濃度的限制，無法得到不同室外PM2.5濃度下室內PM2.5的測試結果，通過建立新風系統(tǒng)室內PM2.5質量平衡方程，對室內PM2.5的濃度進行預測，教室內PM2.5濃度主要受滲透風，新風和室內污染源影響，室內PM2.5濃度的計算公式如下：

式中，─室內體積，m3；─室內發(fā)塵量，μg/h；─時間，h；Q─機械新風量，m3/h；Q─滲透風量，m3/h；─新風過濾器效率，90%；C─室外顆粒物質量濃度，μg/m3；C─室內顆粒物質量濃度，μg/m3；─顆粒物穿透效率，=0.967[16]；─顆粒物沉降率，=0.152 h-1[16]。

當室內外大氣中PM2.5穩(wěn)定后，可根據(jù)不同的室外PM2.5質量濃度Cout，計算教室內可能達到的PM2.5濃度值，見公式（2）。

式中，Q—室內排風量，m3/h；其他與式（1）相同。

根據(jù)研究參考數(shù)據(jù)[17]，學生發(fā)塵量的范圍在2.24×105粒/(人·min)(自由運動）~3.02×105粒/(人·min)（坐下），教室內學生48人，換算為計重濃度為645 μg/h~870 μg/h，取870 μg/h，實測教室內CO2濃度并采用濃度衰減法[18,19]擬合計算得出滲透風量（假設新風機運行時，滲透風量與未開新風機時相同）為132 m3/h，新風機送風量為1000 m3/h，有人上課時室外實測PM2.5濃度為66 μg/m3，75 μg/m3，80 μg/m3，采用室內污染物質污染物平衡模型對教室室內PM2.5進行預測計算，理論計算值為15.5 μg/m3，17.5 μg/m3，18.6 μg/m3，與測試值18 μg/m3，20 μg/m3，21 μg/m3偏差范圍在15%以下，因此，該數(shù)學模型的計算結果相對準確，可通過該數(shù)學模型計算室外不同PM2.5污染程度下，新風系統(tǒng)運行時教室內PM2.5的濃度。

圖8為新風系統(tǒng)運行下，根據(jù)PM2.5質量平衡穩(wěn)態(tài)模型計算的全年教室室內PM2.5預測濃度值，由計算可知，學生在校上課時間為278 d（扣除寒暑假），室內PM2.5質量濃度超標天數(shù)為17 d，占全年上課總天數(shù)的6%，比無新風系統(tǒng)運行下的超標天數(shù)減少71%~86%，驗證了新風系統(tǒng)可以有效的減少室內PM2.5質量濃度。

4 結 論

本文運用I/O值和線性回歸分析法對自然通風與新風系統(tǒng)通風兩種不同通風方式下教室內PM2.5濃度變化進行了實測分析，結果表明：教室內的PM2.5主要來源于室外環(huán)境，且教室室內外PM2.5相關關系受教室通風方式的影響；當教室自然通風時，室內外PM2.5濃度之間存在高度的相關性，I/O值在0.9以上；當教室門窗關閉時，相關性明顯降低，但室內PM2.5濃度也可達到室外濃度的0.4以上，而室外污染嚴重時，僅依靠教室門窗關閉，無法有效阻隔室外PM2.5教室內空氣的污染；當教室開啟新風系統(tǒng)時，能有效地降低教室外空氣PM2.5的滲透影響，I/O值僅在0.3左右，新風系統(tǒng)通過對室外空氣的過濾，可以有效的減少教室內PM2.5的質量濃度，使得教室內PM2.5均值低于35 μg·m-3，達到國家標準一級標準；采用PM2.5質量平衡穩(wěn)態(tài)模型，預測使用新風系統(tǒng)后，可將教室PM2.5濃度超過一級標準的天數(shù)減少約71％~86％。

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The Effect of Ventilation Patterns on PM2.5 Concentration in Door

LI Hong-xin, TANG Li, LIU Ya-nan

450000,

The main pollutants participating in the air quality assessment are fine particulate matter PM2.5. PM2.5 in the atmosphere not only affects the climate and air quality, but also seriously endangers the health of the population. Fine particles such as PM2.5 are one of the main pollutants in the atmosphere, and PM2.5 is extremely harmful to students who are in the developmental stage, so good air quality in the classroom has great significance to the healthy growth of students. And classroom ventilation is directly related to the indoor PM2.5 mass concentration distribution. In order to explore the long-term spatial and temporal changes of PM2.5 concentration in classrooms of Zhengzhou schools and its influencing factors, this study used I/O values and linear regression analysis to analyze the gridded data of average PM2.5 concentration in classrooms from 2018 to 2019. In order to explore the influence of natural ventilation and fresh air system on indoor PM2.5 concentration, the experiment was carried out in a middle school classroom in Zhengzhou, Henan Province.

PM2.5; ventilation in door

TU2

A

1000-2324(2021)02-0338-05

10.3969/j.issn.1000-2324.2021.02.033

2019-08-20

2019-10-08

國家自然科學基金資助:基于輻射供冷系統(tǒng)換熱機理的冷負荷計算方法研究(51808505)

李洪欣(1975-),男,博士,碩導,研究方向:防災減災工程及防護工程;綠色建筑、建筑節(jié)能、潔凈空調技術. E-mail:lihongxin@zzu.edu.cn