天津市住宅室内PM2.5质量浓度及影响因素

郭春梅，赵珊珊，由玉文，王 宇，李艳菊

（天津城建大学能源与安全工程学院，天津300384）

雾霾天气的主要污染物为PM2.5，是指环境空气中空气动力学当量直径小于等于2.5 μm的颗粒物，也称细颗粒物。众多流行病学研究发现，颗粒物会危害人体呼吸系统和心脑血管系统，严重时会引起肺癌和缺铁性心脏病等疾病[1-4]，PM2.5质量浓度每增大10 μg/m3，呼吸系统死亡率和心血管疾病死亡率分别增加13.5%和9.3%[5]。即使PM2.5质量浓度不高，长期暴露于PM2.5环境中也会增加因糖尿病等引起的死亡率[6-7]。

我国近几年雾霾天气频发，为防治雾霾，各省市建立了大气空气质量监测网络，地级以上的城市共布置大气监测网点近1 500个[8]，但是对于室内PM2.5质量浓度的监测和研究却相对较少[4]，人们每天大约有70%～80%的时间是在室内度过的，其中老人及一些行动不便的人士在室内的时间能达到90%左右[9]，因此研究室内空气质量影响因素，对保证人体健康有较大的现实意义。Grinshpun等[10]研究发现，在室内没有明显的污染源的情况下，室外大气对室内颗粒物浓度影响明显，表明室内外颗粒物浓度具有很强的相关性；Olson等[11]评估了不同的烹饪方式所产生颗粒物的散发速率，并提出中式烹饪要比大部分的西式烹饪产生更多的气溶胶颗粒；苏雅璇等[9]、程鸿等[12]和张金萍等[13]先后采用实验监测的方法得出室内颗粒物浓度的影响因素不仅包括室外大气和烹饪行为，还包括室内人员活动、吸烟以及采暖方式等；谢伟等[14]分析了室内无尘源时自然通风房间室内外PM2.5质量浓度比（I/O），发现每小时换气次数由1增加至6时，I/O变化显著，继续增加换气次数，则I/O趋于平缓。张秋玲[15]采用计算流体力学方法模拟了室内PM2.5的质量浓度场与速度场，发现室外PM2.5质量浓度不超标时，自然通风是净化室内空气的最佳选择，当室外PM2.5质量浓度超过185 μg/m3时，则要避免自然通风。马惠颖等[16]模拟了雾霾天气下，住宅全时开窗及短时开窗2种开窗方式与空气净化器联合使用时对室内PM2.5浓度的控制情况，结果表明：当室外雾霾在中度污染（室外PM2.5质量浓度小于200 μg/m3），可以采取全时开窗与空气净化器联合策略控制室内污染物的质量浓度；当室外雾霾污染严重（室外PM2.5质量浓度大于300 μg/m3）时，可采取短时开窗与空气净化器联合策略控制室内污染物的质量浓度。

本文中选取了天津市不同区域的4个家庭进行室内PM2.5质量浓度监测，对不同家庭和同一家庭不同测试阶段，在室外源影响和室内因素影响下室内PM2.5的质量浓度差异，并重点分析室内因素的具体影响。

1 实验

1.1 仪器

采用LB～KC（A）型粉尘质量浓度检测仪测试室内PM2.5质量浓度，同时采用温湿度记录仪测试室内温湿度值，仪器基本信息见表1。

表1 室内测试实验仪器参数Tab.1 Parameters of indoor test instruments

室内PM2.5质量浓度检测仪与温湿度记录仪均有自记功能，可在采样时间内连续存储，不需要人工记录，避免了实验人员频繁靠近实验仪器带来的误差。采样时，采样口避开通风口，与墙壁距离大于0.5 m，与人的呼吸高度相一致，相对高度0.5～1.5 m之间[17]。温湿度记录仪与PM2.5检测仪放置在同一采样点，位置示意图见图1。

1.2 方法

为使实验数据更有代表性，选取了天津市不同区域的4个家庭进行测试，可确保所测数据具有代表性。4个家庭均安装同一种空气净化器产品，此净化器采用3级HEPA高效过滤器，可以净化PM2.5等颗粒物，采样日期为1—2月份，属天津地区雾霾高发期。本文中假定PM2.5对人体健康的影响是其质量浓度的函数，且只与质量浓度有关，而与其组分无关，所以采样时间内PM2.5检测仪会连续无间断监测室内PM2.5质量浓度，具体信息见表2。

图1 仪器位置示意图Fig.1 Illustration of instrument position

表2 天津市实验住宅家庭基本信息Tab.2 Information of residences in experiment

2 结果

测试期间室外空气各参数值如表3所示。一般情况下，为了衡量室内外空气质量浓度差异，通常会引入I/O，可用来表示由多因素引起的变化，如室外质量浓度、空间变化、人员活动和建筑类型等[18]。表4汇总了4个家庭的室内测试结果数据。

表3 室外空气参数Tab.3 Outdoor air parameters

表4 测试家庭数据汇总Tab.4 Summary data of residences in experiment

图2 测试家庭1月PM2.5的24 h质量浓度对比Fig.2 Comparison of 24-hour concentration of PM2.5 at January in four residences

我国标准规定[19]，居住区24 h PM2.5平均质量浓度限值为75 μg/m3。由表4可知，测试时间内4个家庭室内PM2.5平均质量浓度均低于标准限值，室内空气质量可以接受。室内相对湿度（RH）受家庭人员和生活方式等影响较大，4个家庭（尤其是家庭1和家庭3），RH测试结果差距较大，家庭3室内RH是家庭1的2.4倍。研究[20]发现，不同RH下颗粒物会发生不同程度的凝并，凝并颗粒的最小粒径约为0.1 μm，RH为35%时，无凝并现象的发生；RH为50%时，发生凝并现象，但程度较弱；RH为56%时，发生较显著凝并现象，但凝并生成的颗粒结构松散不紧密；RH为80%时，发生了非常显著的凝并现象，且生成的颗粒结构紧密。由表4可知4个家庭室内相对湿度均低于56%。可见本次测试中室内相对湿度并不是室内PM2.5平均质量浓度产生差异（家庭1＞家庭4＞家庭3＞家庭2）的影响因素。

对4个家庭室内PM2.5的24 h平均质量浓度进行分析。图2为测试家庭PM2.5的24 h质量浓度对比。

由图2可见，除家庭1外，其他家庭室内PM2.5质量浓度与室外PM2.5质量浓度呈现相同的变化趋势，可见室外PM2.5质量浓度对室内PM2.5质量浓度影响较大，是室内PM2.5质量浓度变化的主要影响因素。当室外PM2.5质量浓度较高时，室内PM2.5质量浓度也处于较高的质量浓度水平；当室外PM2.5质量浓度较低时，出现室内质量浓度高于室外质量浓度的现象。

图3为测试家庭I/O，对4个家庭I/O和室外PM2.5质量浓度进行对比，清晰地体现了I/O与室外PM2.5质量浓度呈现相反的变化趋势。在没有长期明显室内污染源或者室内外通风良好的情况下，室内外颗粒物质量浓度相当[21]。当室外PM2.5质量浓度高时，I/O处于较小值，即室外质量浓度明显高于室内质量浓度；当室外PM2.5质量浓度低时，I/O处于较大值，甚至大于1，即室内质量浓度接近或者高于室外质量浓度。结合图2和图3可以发现，当室外质量浓度较高时，室外因素影响作用大于室内因素；而室外质量浓度较低时，室内因素的影响作用更明显。

图2中家庭1在1月16—19日出现相反变化趋势的原因是，1月16日有1次烹饪活动，使得室内PM2.5质量浓度升高，而17、18、19日均无烹饪活动，所以16日室内PM2.5质量浓度高于17、18日的，在无烹饪源的影响下，受室外PM2.5质量浓度的影响，18、19日室内PM2.5质量浓度又有所回升。可见，烹饪对室内PM2.5质量浓度的变化有重要影响。

家庭2在此测试时间只有1人，且几乎无人员活动，所以室内PM2.5质量浓度一直保持在较低的水平，而其他家庭由于人员数量多或者存在烹饪行为等，使得室内PM2.5质量浓度高于家庭2。可见室内人员活动也是室内PM2.5质量浓度的重要影响因素。

图3 测试家庭1月11—21日I/OFig.3 I/O ratio of test residences at January

图4 家庭2第一阶段室内PM2.5质量浓度Fig.4 First stage indoor PM2.5 mass concentration of residence 2

图5 家庭2第二阶段室内PM2.5质量浓度Fig.5 Second stage indoor PM2.5 mass concentration of residence 2

图6 1月份家庭2、3、4室内质量浓度对比Fig.6 Indoor concentration contrast of residence 2，3 and 4

3 室内PM2.5质量浓度的影响因素分析

3.1 人员活动对室内PM2.5质量浓度的影响

人员活动产生颗粒物的数量取决于室内人员数量、活动类型以及活动强度等，人员活动引起的气流流动会使得原本沉积在室内物体表面的颗粒物再次悬浮到空中，进而增加室内悬浮颗粒物含量，这个过程称为二次悬浮。赵彬等[22]发现，人在静止时0.3 μm以上的PM2.5颗粒发生率为105/min-1，完成起立、坐下等动作时为2.5×106/min-1，人行走时颗粒物的再悬浮现象会更加严重。因为影响因素的不确定性，所以二次悬浮对室内颗粒物浓度的影响无法定性计算，目前多通过实验方式来研究[23]。

本文中家庭2在阶段一（1月12—20日）时间段内，只有1位家庭成员，且几乎无人员活动；而在阶段二（2月18—26日）家庭人员数量增加为3人（包括1位儿童），一般情况下儿童会有频繁的起立和行走等行为，使得家庭整体人员活动量较大。图4、5分别为2个阶段室内PM2.5质量浓度对比，发现阶段二室内PM2.5质量浓度是阶段一的4.83倍。可见室内人员活动与室内PM2.5的产生和传播关系密切。

图6对家庭2、3和4室内PM2.5浓度进行对比。本文中家庭3人员数为5（包括1位儿童），家庭4人员数为6（包括2位儿童），与阶段一的家庭2进行对比，得出室内PM2.5质量浓度：家庭4＞家庭3＞家庭2。

家庭3比家庭2多4人，PM2.5质量浓度是家庭2的2.06倍，家庭4只比家庭3多1位儿童，但是家庭4浓度均值是家庭3的1.58倍，可见家庭人员越多，室内PM2.5质量浓度越高，同时儿童活动强度较大对室内PM2.5质量浓度的影响相比成年人来说要大得多。

3.2 烹饪行为对室内PM2.5质量浓度的影响

中国烹饪方式与其他国家不同，多以煎、炒、蒸、炸为主[24]，烹饪过程中会产生大量颗粒物，使得室内PM2.5质量浓度瞬间升高，相比于其他人员活动，烹饪对PM2.5质量浓度的贡献率要大得多。为了确定烹饪对室内PM2.5质量浓度的具体影响，本文中对家庭2、3、4烹饪时室内PM2.5质量浓度进行分析，根据前文室外质量浓度较低时室内因素的影响作用较大这一结论，分别选择了3个家庭室外质量浓度最低的3 d（家庭2室外的质量浓度为0.016 mg/m3，家庭3室外的质量浓度为0.018 mg/m3，家庭4室外的质量浓度为0.019 mg/m3）进行分析，结果见图7。

由图可见，烹饪时间段内，室内PM2.5质量浓度迅速升高，并且达到峰值。家庭2室内PM2.5质量浓度峰值（0.104 mg/m3）为全天平均质量浓度（0.037 mg/m3）的2.81倍；家庭3室内PM2.5质量浓度峰值（0.043 mg/m3）为全天平均质量浓度（0.013 mg/m3）的3.31倍；家庭4室内PM2.5质量浓度峰值（0.069 mg/m3）为全天平均质量浓度（0.023 mg/m3）的3倍，可见烹饪对室内PM2.5的贡献非常大。

根据图7可以发现，烹饪时间段内室内相对湿度随室内PM2.5质量浓度升高而升高，而且烹饪时骤增的PM2.5质量浓度并不会随烹饪结束立即降低，需要4～5 h才能降低到烹饪前的质量浓度。而图7中，烹饪时间段内室内相对湿度随着室内PM2.5质量浓度升高而降低，同时烹饪时骤增的PM2.5质量浓度随烹饪结束降低较快，仅需1 h就可以降低到烹饪前的。产生这种差异的原因是，家庭3烹饪时开启外窗进行通风，烹饪产生的颗粒物和水蒸气随通风气流置换到室外。可见烹饪时开启外窗是降低室内PM2.5质量浓度的有力措施。

3.3 空气净化器对室内PM2.5质量浓度的影响

研究发现[18]，室内未采用空气净化措施时室内外PM2.5质量浓度呈正相关，相关系数约为0.78，而采用净化装置时室内外PM2.5质量浓度相关性较差，相关系数减小为0.39，表明安装净化装置对室内PM2.5净化效果明显。

本文中家庭3与家庭4虽然具有相似的人员活动和烹饪次数，但是室内PM2.5质量浓度并不相近，原因是家庭3在室内PM2.5质量浓度较高时开启空气净化器，而家庭4未开启。

由图5可知，在家庭3开启空气净化器的情况下，室内PM2.5质量浓度（0.031 mg/m3）水平较低，是家庭4平均质量浓度（0.049 mg/m3）的63%，使用空气净化器使得室内PM2.5质量浓度降低了58%左右。可见，在雾霾天气时，开启空气净化器是非常有效的净化方式。2017年3月23—28日举行的第13届清华大学建筑节能学术周，参会专家刘俊杰教授表示，PM2.5质量浓度超过150 μg/m3情况下，空气净化器的净化作用非常显著，并且自然通风加空气净化器的能耗只是机械通风能耗的1/2左右，清华大学赵彬教授提出只要注意空气净化器的启停策略，PM2.5上升是可接受的，并表示在室内PM2.5质量浓度大于25 μg/m3时开启净化器是最合适。

4 结论

1）室外大气中PM2.5质量浓度对室内的有显著影响，当室外PM2.5质量浓度较高时，室外因素对室内PM2.5质量浓度影响较大，而室外PM2.5质量浓度较低时，室内PM2.5质量浓度受室内因素的影响更大，所以雾霾天气时尽量不要开窗通风，维护结构可以有效阻挡室外颗粒物进入室内；当室外空气质量较好时，则要多开窗通风，降低室内污染源的影响。

2）人员活动与室内PM2.5的产生和传播有密切的关系，家庭人员越多，室内PM2.5质量浓度越高，相比成年人来说活动强度较大的儿童对室内PM2.5质量浓度的影响要大得多。

3）烹饪是室内PM2.5的主要贡献者，烹饪时间内室内PM2.5质量浓度值大约是烹饪前的3倍，烹饪时时开启厨房外窗会使得烹饪后的PM2.5质量浓度快速降低。

4）使用空气净化器的家庭室内PM2.5质量浓度降低了58%左右，可见开启空气净化器可以有效地净化室内PM2.5。

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）：

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