蘭州市某辦公建筑室內(nèi)外 PPMM22..55 濃度變化特征及相關(guān)性分析

楊全兵，王公勝，康益賓（甘肅省建筑科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730070）

室內(nèi)顆粒物濃度是評價室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要指標(biāo)之一[1]。室內(nèi)可吸入顆粒物（PM10）中細顆粒物（PM2.5）占主要部分，其對重金屬、氣態(tài)污染物有明顯吸附作用，同時也是病毒和細菌的載體，對人體健康危害嚴(yán)重[2]?，F(xiàn)代居民在室內(nèi)活動的時間可達 90%，因此，研究室內(nèi)外 PM2.5的變化特征對改善建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量尤為重要。

針對 PM2.5濃度的變化特征，樊越勝等[3]對陜西省西安市某辦公建筑的室內(nèi)外 PM10和 PM2.5的質(zhì)量濃度進行了實時監(jiān)測和線性擬合。趙力等[4]對北京市某辦公建筑室內(nèi)外PM2.5及 I/O 比值（室內(nèi)外顆粒濃度比值）變化規(guī)律進行實時監(jiān)測。張金萍等[5]探究了不同住所室內(nèi) PM2.5的濃度水平隨室外顆粒物及室內(nèi)污染源的變化規(guī)律。以上研究結(jié)果表明，室內(nèi)外細顆粒濃度之間存在顯著相關(guān)，室外顆粒物是室內(nèi)污染的主要來源之一。

目前，我國室外環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)及平臺較為完善，但搭建室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的建筑較少，尤其是辦公建筑。甘肅省蘭州市城區(qū)地處黃河河谷，南北兩山夾持，是典型的河谷型城市，不利于空氣污染物擴散[6]。為進一步探究蘭州市辦公建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)，提出合理的通風(fēng)策略，本研究基于蘭州市某辦公建筑，選取春、夏、冬 3 個季節(jié)為研究時段，分析對比在無機械通風(fēng)條件下，建筑室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度變化特征和 I/O 比值變化規(guī)律，以及其他氣象參數(shù)與 PM2.5質(zhì)量濃度的相關(guān)性。

1 試驗方法

1.1 采樣地點

選取位于甘肅省蘭州市安寧區(qū)的某辦公建筑為研究對象。建筑毗鄰黃河，南側(cè)為市政綠化帶，周圍無明顯污染源，室外空氣主要受交通排放源影響。室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測點分別布設(shè)在 2 F 辦公室、9 F 西側(cè)電梯廳以及 12 F 公共會議室，自動監(jiān)測裝置安裝在房間頂部。室外監(jiān)測點布設(shè)在辦公建筑樓頂，距離屋頂面高 2 m。其中 2 F 辦公室建筑面積為40 m2，監(jiān)測期間無辦公人員；9 F 西側(cè)電梯廳為主要辦公用梯，人員流動性較大；12 F 公共會議室僅在舉行大型會議時使用。

1.2 采樣時間與方法

自動監(jiān)測裝置自 2019 年 9 月起開始采集數(shù)據(jù)，每天連續(xù) 24 h 對室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度、干球溫度、相對濕度，室外風(fēng)速、風(fēng)向等參數(shù)同時進行監(jiān)測。監(jiān)測按 1 次/30 s 取數(shù)據(jù)，取算術(shù)平均值作為該監(jiān)測點的日均細顆粒濃度。根據(jù)數(shù)據(jù)采集情況，最終選擇 2019 年 12 月、2020 年 4 月、2020年 6 月的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為分析對象。

PM2.5污染程度劃分方法參照 GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》及中國環(huán)境監(jiān)測總站，劃分為 6 級。具體PM2.5日均濃度值對應(yīng)的空氣質(zhì)量等級如表 1 所示。

表1 PM2.5 日均濃度對應(yīng)的空氣質(zhì)量等級

2 監(jiān)測結(jié)果分析與討論

2.1 不同季節(jié)室內(nèi)外 PM2.5 濃度變化特征

2.1.1 不同季節(jié)室內(nèi)外 PM2.5 污染水平

春季、夏季、冬季辦公建筑室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度的日均變化結(jié)果如圖 1 所示。由圖 1 可知，在不同季節(jié)，室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢一致，其中 9 F 電梯廳由于人員活動頻繁等原因，PM2.5質(zhì)量濃度日小時均值普遍高于室外。辦公樓室外 PM2.5日均質(zhì)量濃度最大值為 86.09 μg/m3，出現(xiàn)在冬季；最小值為 3.57 μg/m3，出現(xiàn)在春季。室內(nèi) PM2.5日均質(zhì)量濃度最大值為 93.69 μg/m3，出現(xiàn)在冬季；最小值為1.99 μg/m3，出現(xiàn)在夏季。按照 GB 3095—2012，I/O 比值可以直接反映室內(nèi)外顆粒物的濃度關(guān)系[7]。分析發(fā)現(xiàn)，日均I/O 比值最大為 3.05，出現(xiàn)在春季（9 F 電梯廳）；最小為0.14，出現(xiàn)在夏季（2 F 辦公室）?？傮w上，春季、冬季 I/O比值不同程度地高于夏季。原因可能是室外 PM2.5質(zhì)量濃度較高時，可通過圍護結(jié)構(gòu)進入室內(nèi)，成為室內(nèi)細顆粒物污染的主導(dǎo)因素，此時 I/O 比值較小。當(dāng)室內(nèi)人員活動產(chǎn)生較大細顆粒物時，I/O 比值升高。

圖1 不同季節(jié)室內(nèi)外 PM2.5 質(zhì)量濃度及 I/O 值

監(jiān)測數(shù)據(jù)與 GB 3095—2012 二級標(biāo)準(zhǔn) 75 μg/m3相比，該辦公建筑春季和夏季室內(nèi)外空氣質(zhì)量較好，無超標(biāo)。相比之下，冬季室內(nèi)外空氣質(zhì)量較差，12 F 會議室、9 F 電梯廳、室外分別約有 50%、87%、73% 的時間 PM2.5質(zhì)量濃度超過 35 μg/m3。其原因可能有以下幾個方面。① 冬季氣溫較低，易出現(xiàn)逆溫層，導(dǎo)致細顆粒物難以擴散。② 受采暖期影響，燃煤量顯著升高。③ 夏季室外空氣相對濕度較高，濱河路綠化環(huán)境良好，植被吸收和阻滯 PM2.5能力較強。

2.1.2 不同季節(jié)室內(nèi) PM2.5 日變化特征

辦公建筑春季、夏季、冬季監(jiān)測期間室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度日間小時均值實測結(jié)果如圖 2、圖 3 所示。由圖 2、圖3 可知，春、夏季室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度變化趨勢類同，白天時段峰值均集中在 9:00～11:00，夜間時段峰值均出現(xiàn)在4:00～5:00。低谷值集中在 16:00～22:00，其中春季室外PM2.5質(zhì)量濃度最小值出現(xiàn)在 19:00，室內(nèi)會議室、9 F 電梯廳、2 F 辦公室的最小值分別出現(xiàn)在 20:00、21:00、22:00；夏季室外 PM2.5質(zhì)量濃度最小值出現(xiàn)在 16:00，室內(nèi) 3 個監(jiān)測點的最小值分別出現(xiàn)在 16:00、19:00、21:00。冬季室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度日小時均值變化如圖 4 所示。由圖 4 可知，冬季室外內(nèi) PM2.5質(zhì)量濃度日間小時均值總體呈現(xiàn)夜間高于白天的趨勢。除 9 F 外，其他監(jiān)測點的峰值均出現(xiàn)在00:00，低谷值集中在 22:00～23:00。夜間 PM2.5濃度較高可能是由于在夜間形成了溫差效應(yīng)進一步形成熱島環(huán)流[7]。

圖2 春季室內(nèi)外 PM2.5 質(zhì)量濃度日小時均值變化

圖3 夏季室內(nèi)外 PM2.5 質(zhì)量濃度日小時均值變化

圖4 冬季室內(nèi)外 PM2.5 質(zhì)量濃度日小時均值變化

2.2 室內(nèi)外 PM2.5 質(zhì)量濃度相關(guān)性分析

利用“統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案”軟件 SPSS（Statistical Product and Service Solutions） 對建筑室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度進行相關(guān)性分析。經(jīng)過 Pearson 相關(guān)系數(shù)（Pearson Correlation Coefficient） 檢驗，得到的結(jié)果如表 2 所示。由表 2 可知，在不同季節(jié)，室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度之間均相關(guān)性顯著，且為正相關(guān)（R＞ 0）。

表2 室內(nèi)外 PM2.5 質(zhì)量濃度相關(guān)性

室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度線性回歸如圖 5 所示。由圖 5 可知，監(jiān)測期間，平均約有 49% 的室外 PM2.5通過建筑圍護結(jié)構(gòu)進入室內(nèi)；當(dāng)室外 PM2.5質(zhì)量濃度＞40 μg/m3時，線性離散度變大。

圖5 室內(nèi)外 PM2.5 質(zhì)量濃度線性回歸

2.3 室外氣象參數(shù)對室內(nèi)外 PM2.5 濃度影響

2.3.1 氣溫及相對濕度影響

利用 SPSS 軟件分析室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度與溫濕度之間的關(guān)系，結(jié)果如表 3 所示。由表 3 分析可知，不同季節(jié)室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度與所處環(huán)境相對濕度變化規(guī)律類似，存在正相關(guān)性，即室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度隨室外空氣相對濕度的升高而升高。相關(guān)研究顯示，空氣相對濕度有利于促進生成硝酸鹽和硫酸鹽等二次顆粒物，導(dǎo)致細顆粒物濃度升高[8]。不同季節(jié)不同室內(nèi)空間 I/O 比值均與室內(nèi)外相對濕度存在負相關(guān)性。

表3 不同季節(jié)室內(nèi)外 PM2.5 質(zhì)量濃度與溫濕度關(guān)系

室內(nèi)外空氣溫度與不同季節(jié)室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)性較弱。春、夏季節(jié)，室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量呈現(xiàn)隨氣溫的升高而減小的特征；冬季變化規(guī)律則相反。I/O 比值變化特征如下所示，春、冬季節(jié)，室內(nèi) I/O 比值與室內(nèi)外空氣溫度存在負相關(guān)性；夏季室內(nèi) I/O 比值與室外空氣存在正相關(guān)性，但這種相關(guān)性不顯著。

2.3.2 室外風(fēng)速影響

室外風(fēng)速決定了室外空氣懸浮顆粒物的衰減程度及其擴散范圍。一般情況下，風(fēng)速越大顆粒物擴散的范圍越大，衰減程度越厲害，空氣中的顆粒物濃度也越多，即風(fēng)速與顆粒物濃度成反比[9]。不同季節(jié)室內(nèi)外 PM2.5與室外風(fēng)速關(guān)系如表 4 所示。由表 4 可知，無論什么季節(jié)，室外風(fēng)速與室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度均存在較為顯著的負相關(guān)性，而與室內(nèi)不同空間 I/O 比值存在正相關(guān)性。

表4 不同季節(jié)室內(nèi)外 PM2.5 與室外風(fēng)速關(guān)系

3 結(jié) 語

本文研究了辦公建筑不同季節(jié)（春季、夏季、冬季）室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度的變化特征，分析了空氣溫度、相對濕度、室外風(fēng)速對室內(nèi) PM2.5質(zhì)量濃度的影響，得到了如下結(jié)論。

（1）監(jiān)測期間，辦公樓室外 PM2.5日均質(zhì)量濃度最大值為 86.09 μg/m3，最小值為 3.57 μg/m3；室內(nèi) PM2.5日均質(zhì)量濃度最大值為 93.69 μg/m3，最小值為 1.99 μg/m3。室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度最高值均出現(xiàn)在冬季，最低值分別出現(xiàn)在春季和夏季。日均 I/O 值最大為 3.05，最小為 0.14，夏季I/O 比值明顯低于冬季。

（2）監(jiān)測期間，冬季室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度水平高于春、夏季。冬季室內(nèi) 12 F、9 F分別有 50%、87% 的時間PM2.5質(zhì)量濃度為良，室外約有 73% 的時間 PM2.5質(zhì)量濃度為良。

（3）春、夏季室內(nèi)外日小時均值變化為白天（9:00～11:00）和凌晨（4:00～5:00）較高，低谷值集中在 16:00～22:00。冬季室內(nèi)外日小時均值變化趨勢為夜間高于白天，峰值在 00:00 左右，低谷值在 22:00～23:00。

（4）在不同季節(jié)，室外風(fēng)速與室內(nèi) PM2.5質(zhì)量濃度均存在較為顯著的負相關(guān)性，與 I/O 比值存在正相關(guān)性。室內(nèi)外空氣相對濕度與室內(nèi)外 PM2.5質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，與 I/O比值存在負相關(guān)性。室內(nèi)外空氣溫度與 PM2.5質(zhì)量濃度水平及其 I/O 比值的相關(guān)性整體上不顯著，無統(tǒng)一變化特征。

本研究通過連續(xù)監(jiān)測，進一步證實了室內(nèi) PM2.5質(zhì)量濃度及 I/O 比值受室外空氣污染源的顯著影響，同時也驗證了室外氣象參數(shù)對室內(nèi) PM2.5質(zhì)量濃度的影響特征。這為今后研究被測辦公建筑通風(fēng)方案，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。