开窗行为规律及其对室内PM2.5浓度的影响研究

周岩谭洪卫，2，3* 赵雨

1同济大学机械与能源工程学院

2同济大学绿色建筑与新能源研究中心

3同济大学联合国环境规划署环境与可持续发展学院

0 引言

2016年，上海细颗粒物年平均质量浓度为45 μg/m3，虽相对去年降低了16.7%，但是仍然超出了世界卫生组织规定的空气质量标准[1]。细颗粒物也称为PM2.5，因其对重金属以及气态污染物有明显的富集作用，同时还可成为病毒和细菌的载体，对人体健康会产生极大危害[2]。以往的研究表明，室内环境空气品质受到大气PM2.5污染的直接影响。对于自然通风的住宅，人们会视季节不同通过开窗来改善室内空气品质，尤其是春秋两季。而国内对于居民开窗行为规律的研究极其匮乏[3]，因此建立住户开窗行为规律及其与开窗对室内颗粒物浓度的影响研究是十分有必要的。

目前，我国建立了较为完善的室外大气环境监测系统，但缺乏对室内基础数据的监测，尤其是对住宅室内外颗粒物环境进行监测的研究较少[4]。本文以上海地区一典型住户为例，长期监测住户室内PM2.5浓度及温湿度，同时监测住户的开关窗行为。调查居住建筑室内在自然通风状态下PM2.5质量浓度水平，分析开关窗对PM2.5质量浓度的影响。

1 数据及方法

1.1 采样地点及时间

实测住宅位于上海市虹口区，其附近的监测站为上海-虹口站。三口之家，夫妇二人工作日上班，工作日的白天老人来家中看管小孩。

实测时间为2016年12月24日-2017年11月31日，SDM云测仪安装在主卧室，门窗传感器贴在主卧室朝南的窗户上，进行连续24小时监测。实测住宅的户型图如图1所示，其中圆圈内表示的窗户和卧室即为监测窗户和房间。

图1 实测住宅户型图

1.2 采样方法及仪器

SDM805云测仪集成了PM2.5浓度传感器和温湿度传感器，仪器基本参数详见表1。为了确保激光PM2.5传感器的准确度，在测试进行之前，将传感器放到国控站的杨浦四漂监测点做固定校核工作，根据校核结果对传感器的测试结果进行修正。图2为持续24 h的监测对比结果，测量结果与当日四漂监测站的数据对比。由对比结果可知车载传感器与国控站的数据基本吻合，二者做线性拟合，相关系数为0.8273，仪器精度可以保证。开窗行为的监测采用小米传感器，该传感器能够实时感知门窗开关状态，同样能和智能设备连接，实现了数据无线传输功能。

表1 传感器测试参数情况

图2 固定监测对比测试结果

2 实验结果与分析

2.1 开窗行为规律

2.2.1 开关窗时刻统计

图3为不同季节的开窗情况统计。实测住宅冬季（12月、1～2月）的开窗时间与关窗时间集中在8:00左右，偶尔出现在17:00左右时开关窗，但是大部分开窗时长均低于1 h。冬季室外气温较低，导致住户仅开窗换气，并未长期保持开窗状态。春季（3～5月）开窗时间仍然集中在8:00左右，而关窗时间慢慢由8:00-10:00转变为12:00左右，春季住户开窗的时长增加，多次出现开窗时长大于2 h的情况。夏季（6～8月）和秋季（9～11月）开窗时间均集中在8:00和16:00两个时刻，关窗时间也集中在12:00和18:00，开窗时长大部分超出 1 h，介于1～4 h之间。

图3 不同季节的开窗情况统计

2.2.2 开窗时长

图4展示了实测住户在冬、春、夏、秋四个季节的开窗时长，可知四个季节每次开窗户时长的平均值分别为0.7，2.3，2.7和2.5 h。其中冬季开窗时长最低，而夏季开窗时长最高，春、秋两季略低于夏季。

图3中春季开窗时长有所增加，而图5展示了开窗时长与室外温度的关系，可知，当室外温度高于11℃且不再降低的时候，开窗时长开始多次出现大于2 h的状况。

图4 开窗时长情况统计

图5 开窗时长与温度的关系

2.2 室内外PM2.5质量浓度

2.2.1 不同季节室外PM2.5污染水平

2016年，上海细颗粒物年平均质量浓度为45 μg/m3，相对去年降低了16.7%。可见室外大气中的细颗粒物的污染水平相对降低。表2为冬、春、夏、秋四季室外虹口监测站所监测的不同空气质量状况所占的天数比例。由表2可知，2016年12月24日-2017年11月31日期间虹口区均未出现重度污染的天气状况，只有冬季出现中度污染天气状况。其中夏、秋两季季优良天气高达96.3%和97.7%，极少出现污染情况。而冬季出现污染的天气占比为14.5%，可见冬季污染现象较为严重。

表2 不同空气质量状况的天数比例

PM2.5的日变化呈现双峰型特征，通常两个高峰值分别出现在早晚上下班车流量高峰时间段。由于早晚上下班高峰时段道路交通车流量较大，人员活动密集，造成PM2.5等颗粒污染物排放量大，PM2.5监测值容易在此时段出现峰值[5]。但不同季节不同区域日变化特征中出现峰值的时间段可能有所不同[6]。杨维等人采集了北京城区2008年至2012年PM2.5质量浓度数据，发现PM2.5在夜间至凌晨这段时间浓度最高[7]。而赵金镯等人在上海市PM2.5调查报告中发现，上海地区PM2.5容易出现峰值的时间段为早晨[8]。

图6展示了冬春两季室内和室外PM2.5质量浓度的时刻平均值及IO比的平均值。观察逐时变化规律可以发现，虹口监测站附近的PM2.5质量浓度，冬季在9:00左右出现峰值，而春季未出现明显峰值。对于室内PM2.5浓度的日变化规律，无论冬季还是春季均出现双峰特性，认为是由于室内做饭产生的油烟对室内PM2.5浓度的影响所造成。另外IO比的峰值特征显示，冬季在傍晚17:00左右出现峰值，而春季在12:00和18:00左右出现两次峰值，因此可以建议住户在对应时间段内开窗，能更有效地散发室内污染源。

图6 室内外PM2.5质量浓度及IO比变化规律（夏季缺失偶数时刻的室外数据）

2.3 开窗对室内PM2.5浓度的影响

由于冬季出现污染天气较多，因此以冬季数据为例，选取典型状况分析开窗对室内PM2.5浓度的影响。图7即为开关窗前后室内外PM2.5浓度的曲线图。由图7可知：开窗之前，室内PM2.5浓度远远低于室外浓度时，开窗将使室内PM2.5浓度升高，并逐渐接近室外浓度。开窗之前，室内PM2.5浓度保持升高/下降的趋势或是室内外浓度相差不大的情况下，开关窗户对室内PM2.5浓度几乎无影响。

图7 开窗对室内PM2.5浓度的影响

3 结论

本文以上海市一典型住户为例，通过长期监测该住户的室内PM2.5浓度及温湿度以及住户开关窗行为，调查了居住建筑室内在自然通风状态下PM2.5质量浓度水平，并分析了开关窗对PM2.5质量浓度的影响。经分析发现以下几点结论。

1）住户在冬季及春季前期开窗时间集中在8:00左右，且开窗时长低于1 h，当室外温度持续高于11℃左右时，住户一天内开窗次数增多，开窗时间集中在8:00和16:00左右，而开窗时长也相应增加为1～4 h。

2）做饭的影响导致住户室内PM2.5日变化规律呈现双/三峰特性，而对于室外逐时变化规律，冬季呈现单峰，出现在9:00左右，春季峰值不明显。

3）开窗之前，室内PM2.5浓度远远低于室外浓度时，开窗将使室内PM2.5浓度升高，并逐渐接近室外浓度。开窗之前，室内PM2.5浓度保持升高/下降的趋势或是室内外浓度相差不大的情况下，开关窗户对室内PM2.5浓度几乎无影响。

由于开窗对室内PM2.5质量浓度的影响因素众多，包括建筑所处的位置，楼层高度，室外气象条件等，本文仅单纯分析了开关窗引起的室内PM2.5浓度的变化。关于不同开窗效果及开窗习惯所带来的不同室内空气质量水平还有待后续做进一步研究。

[1]WHO.WHO air quality guidelines for particulate matter,Ozone,Nitrogen dioxide and sulfur dioxide:summary of risk assessment[S].World Health Organization,2005

[2]林治卿,袭著革,杨丹凤,等.PM2.5的污染特征及其生物效应研究进展[J].解放军预防医学志,2005,23(2):150-152

[3]魏复盛,Chapman R S.空气污染对呼吸健康影响研究[M].北京:中国环境科学出版社,2001

[4]Andersen B.Relationship between indoor and outdoor air pollution(technical note)[J].Atmosphere Environment,1972,6(4):275-278

[5]陈丹青,师建中,肖亮洪,等.粤东3市PM2.5和PM10质量浓度分布特征[J].上海环境科学,2013,32(2):72-78.

[6]孙南.常州市区空气PM2.5污染分布和气象因素影响初探[J].环境科学与管理,2013,10,38(10):166-169.

[7]杨维.北京城区PM2.5浓度空间变化及对呼吸健康影响[D].北京:首都师范大学,2013

[8]赵金镯,李丽,钱春燕,等.上海市居民区大气颗粒物污染水平及时空分布特征研究[J].卫生研究,2012,41(1):35-39.