办公建筑室内PM2.5浓度分析与控制策略研究

赵 枚 丁泽群 杨翠英

（国核电力规划设计研究院有限公司 北京 100095）

办公建筑室内PM2.5浓度分析与控制策略研究

赵 枚 丁泽群 杨翠英

（国核电力规划设计研究院有限公司 北京 100095）

为了进一步的研究PM2.5浓度变化对室内环境的影响规律，项目对北京某办公楼进行PM2.5浓度及“IO比”变化规律进行了监测，并且在利用实验的方法定量的计算了办公建筑室内主要污染源香烟的PM2.5散发量，同时利用实验的方法验证了基于室内质量平衡的室内PM2.5浓度的控制理论，从而为进一步研究PM2.5和控制室内PM2.5浓度提供了一定的科学依据和理论指导。

办公建筑 ；室内PM2.5浓度；“IO比”；质量平衡

引言

2013年，“雾霾”成为年度关键词。2013年的1月期间，有4次雾霾过程并且笼罩30个省（区、市），而在北京，仅有5天不是雾霾天。根据报告显示，在我国最大的500个城市当中，仅有不到1%的城市能够达到世界卫生组织所推荐的空气质量标准。并且在这同时，全球污染最厉害的10个城市中有7个在中国。持续蔓延的雾霾天气导致的空气污染问题，不仅让社会公众对空气污染和PM2.5有了新的认识，而且已逐渐引起我国政府部门对颗粒污染物PM2.5的重视及对已有的粗放生产方式的思考。

近些年以来，大量的医学研究结果表明人类的发病率及死亡率和大气中的悬浮颗粒物（PM）的质量浓度存在着明显的正相关性[1]，即使这一浓度值低于相应的国家控制标准值，这个相关性仍然存在且较为明显。

现有的多项研究数据结果表明我国城市室内环境中的PM2.5污染程度较为严重，因此对于室内PM2.5形成的机理、来源以及其室内浓度的分布特征的研究已经成为了现在公共健康和室内空气品质等研究领域所共同关注的问题，室内PM2.5的防治已经到了已刻不容缓的地步。

1 室内PM2.5浓度的测试及其分析

1.1测试时间、地点

本研究的测试地点位于北京市海淀区某园区内的办公楼，于2015年5月26日至2015年6月12进行连续测试。

1.2 测试及实验装置和设备

测试和实验中所使用的PM2.5粉尘测试仪为美国TSI生产的8532手持式气溶胶检测仪，其主要参数如下表所示：

表1 TSI8532手持式气溶胶检测仪主要技术参数

1.3 测试方法

以该办公楼的三个室内办公区域以及一个室外测点为测试点。测试所选取的三个区域为具有代表性质的区域，分别为大区域的靠近走廊部分、大区域的内区部分以及小办公间的内区部分。

1.4 对于测试数据的处理和分析

前期PM2.5测试数据的整理，本次整理的检测数据从2015年5月26至6月12日，分析了大办公区1，大办公区2以及小办公区的室内PM2.5浓度随室外PM2.5浓度变化的趋势。此时PM2.5浓度变化分别如图1所示。

图1 PM2.5浓度测试数据

从图1中可以看出，大办公区1、2以及小办公区的室内PM2.5浓度的变化与同时间室外PM2.5浓度趋于一致，规律较为明显。从图1中可以看出，浓度最高的地方大部分都在室外，大办公区1、2次之，小办公区最小。当室内除人员散发外没有其它较大的污染源时室外的PM2.5浓度会最高，而大办公区1因为靠近走廊受外界区域的干扰较大，使得其浓度仅次于室外的PM2.5浓度值，而大办公区2和小办公区因为处于内区，且外窗紧闭，受外界干扰少，室内的PM2.5散发量较为稳定。

2 室内PM2.5浓度的控制理论分析

室内PM2.5浓度的控制理论是基于室内质量平衡理论。室内环境中大气悬浮颗粒物浓度取决于室外颗粒物进入和离开室内的速率和颗粒物在室内环境中被消除、发生转变以及重新悬浮速率以及颗粒物在室内产生的速率。如果不计颗粒物的室内产生源，容积为V的房间内颗粒物浓度在时间t内变化可表示如下：

假设空气各向同性，并且空气与室内物体表面没有温差，室内颗粒物浓度均匀，且污染源是稳定的，则室内PM2.5质量平衡控制方程表示：

V 为房间体积（m3）；Qs为送风风量，m3/s；Qh为回风风量，m3/s；Qis为室内渗透到室外的风量，m3/s；Qos为室外渗透到室内的 风量，m3/s；Cs、Ci、Co分别为送风 的PM2.5浓度、室内外 PM2.5的浓度，mg/m3；S、R 分别为室内PM2.5的生成和消失速率，mg/s。

3 实验结果及其分析

3.1 香烟烟雾的PM2.5散发量及自然衰减实验

人的一生中有70%～90%的时间在室内度过，无疑室内空气品质对人体健康的影响很大[2].所以，研究室内的空气品质并预测室内的微细颗粒物浓度水平已经成为亟待解决的课题。

对于办公建筑而言，室内PM2.5污染主要来源于人类的活动，比如吸烟，扫地等，但是相对于其他的污染源，吸烟所造成的PM2.5污染最严重。实验首先对香烟烟雾的PM2.5散发量进行了测试，在实验室中接连点燃3根香烟，燃烧时间为30min，每根香烟燃烧10min左右，其室内浓度峰值在香烟燃尽后达到，为517μg/m3，根据房间的体积进行计算，测得3支香烟共计散发27.401mg/m3,每支香烟的PM2.5散发非常均匀，也就是说每支香烟的PM2.5散发浓度9.134mg/支。上述实验测得的香烟PM2.5散发量为扣除自然衰减后的，所以为了准确的得到香烟PM2.5散发量进行自然衰减实验。

根据《空气净化器》国家标准（GB/T 18801-2008）[3]以及美国家用电器制造商协会（AHAM）的《便携式家用电动室内空气净化器性能测试方法》（ANSI/AHAM AC-1-2006）[4]中自然衰减常数的计算方法得公式：

其中，Cti为 t时刻的 PM2.5浓度（μg/m3），C0 为初始时刻的PM2.5浓度（μg/m3），k为自然衰减常数，t时间单位为min。对上述公式两边取对数，其所得式子（3-2）如下：

对室内PM2.5浓度值取对数做线性回归，其斜率值即为香烟烟雾的PM2.5自然衰减常数，其线性回归图如图2所示。

图2 香烟烟雾自然衰减线性图

实验中所得的自然衰减线形图的R2=0.9413，虽然略低于《空气净化器》国家标准（GB/T 18801-2008）以及美国家用电器制造商协会（AHAM）的便携式家用电动室内空气净化器性能测试方法（ANSI/AHAM AC-1-2006）中R2要大于0.98的要求，但是因为本实验中测试时间相对于其标准测试方法长很多，取点较多，所以其结果基本可信，线性关系良好。所得的香烟烟雾PM2.5自然衰减常数为0.009698min-1。

而根据文献可知，室内污染物源浓度散发量的计算公式如下：

其中 Cin为室内 PM2.5 浓度（μg/m3），Cout为室外PM2.5浓度（μg/m3），P为穿透效率，α为室内换气次数，Qs为室内污染源产生速率，k为自然衰减速率，V为实验室体积（m3）。对公式（3-3）进行变形，可得下式：

3.2 净化器风量测试实验

为了更准确的对净化实验进行分析，对本文中所使用的净化器进行风量测试，参考《通风与空调工程施工质量验收规范》（GB50243-2002）的风量测试方法，分别对净化器的送风口和回风口进行风量测试，使用热线风速仪对两个风口分别取点测试风速，然后根据风口面积与风口平均风速计算风量，其中回风口取9个测试点，送风口取6个测试点。

回风口面积为0.315m×0.365m，送风口面积为（0.2m×0.12m+0.1m×0.12m），因为送回风口为格栅式，考虑遮挡系数计算得回风口风量401.03m3/h，送风口风速460.68m3/h，而净化器厂家声称在低速运行下风量为350m3/h，与厂家提供的数据有一定出入。

3.3 香烟烟雾的PM 2.5净化实验

在净化实验中实验环境良好，室内外PM2.5浓度稳定在0μg/m3，因此可以认为无室外PM2.5渗透。为了更好地进行实验对比，实验前先点燃一支香烟使室内PM2.5浓度稳定在 124μg/m3，即房间初始浓度为124μg/m3，然后点燃香烟，使室内香烟持续燃烧1小时同时开启净化器，将两台TSI8532手持式气溶胶检测仪分别置于净化器的进出口处，设置其每30秒记录一次数据，其记录结果如图4所示。

图4 净化实验1中净化器进出口浓度变化图

从图4中可以看出，虽然在实验初始阶段净化器进出口浓度值较小，且波动较大，但当香烟燃烧几分钟后其净化器进出口浓度值较为稳定，其中出口浓度基本稳定在100μg/m3左右，而进口浓度基本稳定在220μg/m3左右，房间内PM2.5浓度值基本稳定。根据上述数据计算净化器的净化效率。

图5 净化器净化效率变化图

从图5可以看出，净化器的净化效率波动较大，效率在50%-68%之间波动，平均效率为60.93%。根据计算的结果虽然净化效率远低于其标榜的数值，但净化效果还是较为明显，可以通过在有持续室内污染源时净化与未净化的室内PM2.5浓度值变化图（图6）。

图6 有持续室内污染源时净化与未净化的室内PM2.5浓度值变化图

从图6中可以看出，当室内有净化和无净化时的区别还是非常明显，当室内有持续的香烟烟雾污染时其PM2.5上升速率极快。根据本文第三章中的质量平衡理论中的公式将净化实验中的条件带入做出一条平衡曲线，如图7所示。

图7 净化实验中室内浓度实际值与预测对比变化图

从图7中可以看出，在净化实验中的条件下，随时间的变化室内PM2.5的浓度增长速度在逐渐减小，实验实际测试的数据与利用平衡理论所预测的数据吻合度也相当高，说明了理论的可靠性。

结语

对于办公建筑而言，室内PM2.5的污染来源主要还是来源于室外，根据检测数据发现对于夏季的办公建筑而言其“IO比”主要集中在0.5左右。根据实验可知室内的主要PM2.5污染源香烟烟雾（对于普通的香烟而言）其PM2.5颗粒物的自然衰减常数为0.009698min-1，散发量为11.79mg/支，散发速率为1.179mg/min。

对于室内家用净化器而言，其效率并没有其标称值那么高，且效率波动明显。另外，基于室内质量平衡理论的室内PM2.5浓度控制理论在一定条件下可以非常准确的预测室内PM2.5浓度的变化，从而为进一步研究PM2.5和控制室内PM2.5浓度提供了一定的科学依据和理论指导。

[1]Dockery D W,Pope CA,Xu X P,et al.An association between air pollution and morality in six United-States cities.New England Journal of Medicine,1993,329(24):753-759.

[2]吴忠标，赵伟荣．室内空气污染及净化技术[M]．北京；化学工业出版社，2005：37．8-387．

[3]中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB/T 18801-2008空气净化器 [S]．北京：中国标准出版社,2009．

[4]美国家用电器制造商协会（AHAM）。《便携式家用电动室内空气净化器性能测试方法》（ANSI/AHAM AC-1-2006）。

[5]Congrong Hea,Lidia Morawska,Jane Hitchins,Dale Gilbert.Contribution from indoor sources to particle number and mass concentrations in residential houses[J].Atmospheric Environment 38(2004):3405╞3415.

[6]O.zkaynak,H.,Xue,J.,Spengler,J.,Wallace,L.,Pellizzari,E.,Jenkins,P..Personal exposure to airborne particles and metals—results from the particle team study in riverside,California.Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology,1996,6(1):57-78.

Indoor PM2.5 Concentration’s Monitoring and Control Research of Office Building

Mei Zhao Zequn Ding Cuiying Yang

(State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute Co.LTD.，Beijing 100095，P.R.China)

In order to further study the law for the change of PM2.5 concentration in atmospheric environment impact on the indoor environment,projects monitored continuous concentrations of PM2.5 and IO ratio change rule of an office in Beijing for the real-time.And use the experimental method to quantitatively calculate the PM2.5 emission rate of cigarettes which is the main pollution sources of office building indoor.At the same time the method of experiment was used to verify the indoor PM2.5 control theory based on mass balance of indoor PM2.5 concentrations,and thus for the further study of PM2.5 and control of indoor PM2.5 concentrations provides certain scientific basis and theoretical guidance.

Office building；Indoor PM2.5 Concentration；IO ratio；Mass balance

赵枚（1984-），女，硕士研究生，工程师，主要从事供暖通风空调设计研究。