室内细颗粒物防控研究进展综述

朱 春 [上海市建筑科学研究院(集团)有限公司 环境技术研究中心，上海 201108]

室内细颗粒物防控研究进展综述

Technology Transformation on Control Link of Imported Metro Shield

朱 春 [上海市建筑科学研究院(集团)有限公司 环境技术研究中心，上海 201108]

必须采取对室内颗粒物的防控措施。综述了近年来国内外有关室内细颗粒物污染方向研究文献，重点讨论了我国目前室内颗粒物污染水平、室内颗粒物污染特征以及室内颗粒物防控技术及其效果。最后指出室内细颗粒物污染防控在设计、施工、运营阶段的必要性和实际意义。

室内细颗粒物；污染特征；粒径分布；防控；健康风险

以细颗粒物 (PM2.5) 为代表的大气灰霾污染是我国当前环境空气质量和影响人民身体健康的最突出环境问题。根据国家环保部发布数据，2013 年我国 74 个重点城市与区域环境监测，PM2.5 年均浓度为 72μg/m3，仅 3 个城市达标，达标城市比例为 4.1%，全监测区域 PM2.5 年均浓度为我国 GB 3095—2012《环境空气质量标准》PM2.5 年均浓度二级限值的 2.06 倍，可见在区域广度和严重程度上，我国大气灰霾污染形势均非常严峻。近年来，我国东北、华北地区进入冬季灰霾污染现象尤为严重，2015 年 11 月哈尔滨市 PM2.5 小时峰值浓度接近 1 000 μg/m3，长春、沈阳等城市 PM2.5 小时峰值浓度甚至超过 1 000 μg/m3的极端峰值。京津冀及周边地区连续发生 3 次大范围重污染天气，东北地区多个城市也出现了极端重污染天气过程。最近的 2016、2017 跨年时段，北京空气持续重污染天气总时长超过 200 h，大范围的严重灰霾污染由京津冀地区逐渐向南扩散蔓延至长三角及以南地区。环境空气细颗粒物污染的频数和强度都明显加剧，表明大气细颗粒物污染的雾霾现象在我国多数城市区域范围内难以在短期改观。由于事关人民群众根本利益，2013 年 9 月我国颁布了《大气污染防治行动计划》(国发 [2013]37 号)，灰霾防控成为我国现阶段及较长时间内的一项重要战略任务。

现代流行病学研究表明，细微颗粒物(特别是超细颗粒物)比气体污染物对人体健康影响更显著[1]。Nel 等[2]从毒理学角度发现细微颗粒物可进入肺部深层进行系统循环，并估计颗粒物致每年 50 万人死亡。Dockery 等[3]通过对哈佛六城市的 PM2.5 和 PM10 测试和死亡率的统计，最早发现 PM2.5 与死亡率呈正相关关系，而 PM10 却没有显著相关性。该研究直接导致美国大气环境空气质量标准修订加入 PM2.5 指标。我国学者也发现了细颗粒物与居民健康的密切关联性[4]。随着对细颗粒物健康效应研究的积累，世界卫生组织 (WHO) 下属的国际癌症研究机构 (IARC) 已于2013 年宣布以 PM2.5 为典型的环境空气污染为一类致癌物。这表明长期暴露于高浓度的细微颗粒物环境对人体健康有长期的侵害效应。

居住建筑是人们日常起居生活的必需场所，人员在室内停留时间长，特别对病、幼、弱人群在室内停留时间则会更长。当前，我国现行的 GB/T 18883—2002 《空气质量标准室内空气质量标准》规定了可吸入颗粒物 PM10 的日均浓度限值 150μg/m3，至今没有更新列入更具有危害性的细颗粒物 PM2.5 指标和浓度限值。由于对室内空气质量研究的滞后性，当前我国绝大部分民用建筑，尤其是住宅建筑基本没有颗粒物防控设计措施。室外灰霾进入室内的细颗粒物长期暴露对人群有巨大的健康风险，室内空气质量对人体健康影响比室外空气更重要[5]。长久以来，室内空气质量方面学者主要致力于研究有效的通风方式，直接引入室外空气作为新风来稀释室内空气污染物[6-7]。然而在灰霾天气下，将室外空气直接视为“新风”已不能成立，相反室外细颗粒物可通过建筑围护结构渗透、机械通风系统、自然通风以及人员进出等进入室内，成为新的污染源。建筑细颗粒物防控，需要同时解决室外灰霾源、室内发生源(包括吸烟烟雾、餐饮油烟等)的混合污染，其控制模式区别于传统利用室外新风稀释建筑材料、装饰材料散发化学性污染气体模式，是我国室内空气质量控制方面新的重要课题之一[8]。

1 室内颗粒物污染水平

居住类建筑室内颗粒物污染问题最早始于室内发生源，主要包括烟草、炊事等燃烧型气溶胶颗粒、粉尘飞灰类矿物型颗粒、花粉皮屑等生物型颗粒[9]，此外有病毒飞沫类气溶胶颗粒[10]。随着颗粒物测量仪器的发展进步，更多国内学者在 2000 年以后开始测试建筑内 PM2.5 及更小尺度的细微/超细颗粒物。

对室内颗粒物污染水平，徐东群等[11]2000 年测试了北京三城区冬季住宅室内颗粒物，发现室内总平均浓度 PM10为 555 μg/m3，PM2.5 为 512 μg/m3，颗粒物在各区卧室和厨房中的浓度分布均超过国家标准数倍。该测试结果有悖实际经验，可能是因为早先使用 TSI-Dustrak 仪器未设置校对系数所致。尽管如此，研究结论对室内颗粒物污染已引起了广泛关注，并且直接说明室内颗粒物污染主要是粒径更小的 PM2.5 污染。修光利等[12]1999 年应用 Anderson分级采样器测试了上海办公建筑内 0.44～11μm 的 9 个粒径段的细微颗粒物浓度，测试发现粒径 Dplt;7.0μm 的颗粒物质量浓度占 95% 以上，Dplt;1.1μm 质量浓度占50%～70%，同样说明细颗粒物是主要颗粒物污染成因。该测试同时发现除吸烟以外，室外大气颗粒物污染是引起室内颗粒物污染的重要来源。

室内源颗粒物中，炊事烹饪油烟污染与我国传统烹饪方式中煎、炒、烤、炸较多有关，所产生的油雾、刺激性气体主要来自于食用油和食品在高温下通过热氧化和热裂解反应等途径产生的大量挥发性物质和油烟颗粒。吴芳谷等[13]测试了不同尺度的油烟颗粒物，发现油烟粒子主要为细颗粒物，PM10 粒子占 TSP 的 90% 以上，PM2.5 粒子占 TSP 的70% 左右。油烟颗粒中主要为 6 个碳以上的有机物，其中以醛类为主，有大量有毒有害物质。

夏季使用蚊香也是室内颗粒物的重要排放源。Liu等[14]通过测试发现燃用蚊香可引起室内 PM2.5 颗粒物污染和PAH 类挥发性有机物污染。Lee等[15]在环境舱测试了蚊香的 PM2.5、PM10 和其他气体污染物散发水平，数据显示PM2.5 同样是室内主要颗粒物源。

室内香烟 (ETS) 也会引起细颗粒物污染。有研究发现吸烟烟雾可使室内细颗粒物浓度升高 25～45 μg/m3[16]。目前国内上海、北京等地区已开始执行室内全面禁烟条例，无烟建筑是未来室内环境要求趋势。

对于室内颗粒物来源和特点，张颖、刘敏等[17-18]综述讨论了室外颗粒源、室内各类燃烧源、办公打印设备、人员活动、花粉、微生物等颗粒物的主要粒径范围及影响。He 和Morawska 等[19]定量研究了室内活动发生源的数浓度、质量浓度水平，提出由于室内颗粒源产生的颗粒物和室外大气尘在粒径分布、化学构成等方面都存在着很大差异，所对应的污染控制手段也各不相同，因此有必要研究这两部分对室内颗粒物浓度的相对影响。

以上研究可见，室内颗粒物污染主要是 Dp≤2.5μm的细微/超细颗粒物，室内细颗粒物主要来源于室外颗粒物污染，在灰霾等室外严重污染条件下更加明显，但室内也同时存在烹饪油烟、蚊香等污染颗粒源应予考虑。室内发生源与人员活动和生活方式相关，属于间歇性污染，因此具有较大的不确定性。

2 室内颗粒物污染特征

建筑室内自然密闭条件下，室外颗粒物仅能由围护结构渗透进入室内。许多国外学者通过测试室内与室外颗粒物浓度比值 (I/O) 描述室外环境对室内的影响[20-22]。Chen等[23]对国外相关研究综述发现，颗粒物 I/O 的变化幅度大，难以有确定一致的数值，并且出现不少 PM2.5 的 I/O 大于1的情况(即室内 PM2.5 浓度大于室外)。一种极可能的原因是国外不同地域的室外环境 PM2.5 污染很小，I/O 对室内污染源变化非常敏感所致。从这个角度也说明，我国室内PM2.5 污染主要来源于室外环境，尤其是现有国情的大气灰霾条件下，国外对室内 PM2.5 防控模式方法并不适用。

我国学者对 I/O 的测试调查中，程鸿[24]采样 2008 年北京秋季 PM2.5 室内、室外平均浓度分别为 58.5 和 74.1 μg/m3，I/O (室内与室外颗粒物质量浓度之比)均值为0.85。亢燕铭等[25]测试 2005 年夏季住宅室内 PM2.5 的日平均范围为 48～63 μg/m3，其 I/O 均值为 0.687。高军等[26]测试 2012 年冬季上海某住宅 PM2.5 的 I/O 比值为0.67±0.17。朱春[27]测试了 2013 年冬季上海某新建住宅的颗粒物防控效果，测试发现住宅内不同位置的功能房间的浓度水平有显著差异，室外、客厅、主卧、次卧房间的PM2.5 平均浓度分别为 239±178、123±83、39±21、52±30 μg/m3，并且发现在室外严重灰霾条件的 I/O (如客厅：0.45±0.09)显著小于一般室外 PM2.5 低浓度情景条件下的 I/O (如客厅：0.74±0.26)。

穿透系数实际反映建筑围护结构门、窗等缝隙对穿过颗粒物的过滤效应。在室内没有颗粒物污染源条件下，穿透系数与 I/O 等值。Liu 和 Nazaroff 等[28-29]通过动力学理论分析了不同建筑结构对颗粒物的滤净效果，指出 0.1～1.0μm的颗粒穿透性能最强；Tung 等[30]发现对于 0.43～10μm颗粒物穿透系数为 0.69～0.86。

对于使用机械通风空调系统的建筑，灰霾颗粒物可以通过通风管道进入房间。吴俊等[31]建立了风管内颗粒物沉降速度、沉降量、穿透率模型，掌握颗粒物在通风系统的沉降规律。Lai 等[32]总结了室内颗粒沉降数据和相应的实验条件，发现不同研究中实验数据的发散性是非常明显的，这些差异可能是由于不同的颗粒产生量和不完善的测量参数导致的。Zhao 等[33]发现即使在相同的颗粒源和换气次数的情况下，颗粒平均沉降速度在不同的通风房间也是有显著差异的。对于住宅新风系统，目前已经普及使用空气过滤网或过滤组件，管道颗粒物沉降因素一般被忽略，更关注的是室外灰霾条件下，对引入室外污染空气的颗粒物过滤效率及其使用寿命，即过滤组件随时间的效率衰减问题。

为解析室内空气过滤净化的有效性，从机理上解决室内颗粒物防控问题，需要研究室内不同颗粒物来源的粒径谱分布特征。粒径分布谱，描述颗粒物从纳米到微米级的浓度分布水平，是颗粒物最重要的微观特征，关系到研究气溶胶颗粒物对人体健康效应、气候辐射平衡的作用机理。对粒径分布谱在不同粒径段的积分可得到检测环境颗粒群的数量、面积和质量(如 PM1.0、PM2.5、PM2.5-10)等结果。一方面，从暴露吸入的角度看，颗粒物的粒径越小，越容易沉积到呼吸器官，对人体潜在危险性更大。通过掌握颗粒物粒径分布，可计算颗粒物的数浓度、表面积浓度、质量浓度，可定量计算携带危害人体有毒物质的总量；另一方面，粒径谱分布对气溶胶颗粒物在空气中的动力学行为起着重要作用。

随着颗粒物测量技术的发展推广，国内有学者开始研究室内不同来源的颗粒物粒径分布特征。张元勋等[34]应用WPS粒径谱仪对室内颗粒物粒径分布发现，超细颗粒物(纳米粒径 10～500 nm)对总粒子数浓度贡献较大，而细颗粒物 500～1 000 nm 对总粒子质量浓度贡献较大，说明室内颗粒物污染主要是以纳米粒径超细颗粒物为主。王海霞等[35]应用 SMPS 扫描电迁移粒径谱仪, 研究了实验室内外空气及室内蚊香燃烧产生的亚微米气溶胶(14～723 nm)的粒径分布特征及衰减情况。朱春等[36]应用大型 IAQ 测试舱研究了3种类型蚊香的颗粒物和 VOC 类气体污染物的散发特性，并拟合了盘式蚊香的颗粒物数浓度粒径谱分布，得出计数中位径 (CMD) 为 90 nm，几何标准差 (GSD) 为1.65。朱春、Wang等[37-38]综述研究了厨房油烟的散发特性，通过对油烟颗粒数浓度粒径分布曲线拟合发现，熏肉、烤肠油烟的颗粒峰值粒径分别为 51 nm 和 44 nm，对应几何标准差分别为 1.65 和 1.98。谭德生等[39]用冲击式采样器分别对餐饮业油烟颗粒物进行分析，得出烹饪油烟的粒径分布大致范围。

3 室内颗粒物防控

室内空气污染控制的基本途径是颗粒物污染源控制、通风稀释、末端过滤与净化。对于大气灰霾影响下的室内颗粒物防控，主要考虑通风系统加过滤组件、末端空气净化措施。

田利伟[40]尝试建立了以物理机理为基础的室内环境颗粒物浓度预测模型，并讨论了颗粒物污染控制策略。韩华、曹国庆等[41-42]对公共建筑使用集中空调系统的颗粒物控制进行探讨。通过理论分析，研究讨论舒适性空调系统不同通风模式、不同新风比下的空气过滤器的选型方法。

室内空气净化器是居住建筑、特别是既有建筑细颗粒物防控的重要手段。洁净空气量 (CADR) 可反映空气净化器去除颗粒物后，所能提供不含颗粒的完全洁净空气量[43]。但目前有关空气净化器测评方法以去除 0.3 μm 以上颗粒物的计数浓度作为参考指标，也缺乏对不同功能房间、污染物强度、表面沉降因素下，净化器颗粒物祛除作用的权重分析，总体缺少对实际住宅室内 PM2.5 的净化效果评价[44-45]。另一方面，空气净化器的使用寿命也是重要的性能指标，在其净化组件颗粒物过滤饱和情况下，过滤组件的沉积颗粒物可能吹入室内，引起室内 PM2.5 的二次污染。目前对空气净化器使用寿命及效果方面缺少有效研究。

住宅新风机是提高居住建筑环境舒适的新热点方向[46]，朱春、李文迪等[47-48]对上海市新建住宅使用新风过滤系统、空气净化组件及其组合模式的细颗粒控制效果进行了现场实测比较，讨论了室外灰霾条件下的有效控制模式，为空气净化产品测评标准及参数选型提供技术依据。目前的新风机市场普遍使用 F7 过滤等级以上的滤材，有些新风机由于机组尺寸限值，并没有初效过滤层，可能引起高等级滤材的寿命严重缩短。此外，在非过渡季的室外气候条件下，引入新风机需要空气换热组件，以有效减少室内空调负荷，有关新风机的选型需要实际的工程设计方案。

4 结 语

我国现有国情的大气灰霾条件下，室内环境 PM2.5 污染面临显著的健康风险，直接关乎人体健康效应和人员工作效率。这类由室外带入室内的空气污染模式，对传统室内污染源的防控模式并不适用。

目前我国相关科研部门正在编制相关 PM2.5 和室内化学污染物控制的设计标准，以填补室内空气质量缺乏工程设计的空白。需要进一步研究建筑不同的通风滤净模式下的防控效果，以及民用建筑建筑施工阶段围护结构的气密性防护、运营阶段空气滤净组件使用寿命设计、室内 PM2.5 监测预警与防护。在目前健康建筑的理念下，室内细颗粒物防控是重要的研究方向，既有指导建筑围护结构气密性建设、规范空气滤净产品及系统市场的经济需求，同时又有民生健康的社会服务价值。

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TU50

A

1674-814X(2017)03-0056-05

2017-02-12

朱春，现供职于上海市建筑科学研究院(集团)有限公司环境技术研究中心。

作者通信地址：上海市徐汇区宛平南路75号，邮编：201108。