大气雾霾对室内空气PM2.5浓度水平的影响

贺梓健 白 莉

(吉林建筑大学 市政与环境工程学院,长春 130118)

0 引言

近年来,我国雾霾频发,特别是采暖地区尤为严重.室内空气质量对人们的健康及工作效率有明显的影响[1].研究表明,由于人们80%的时间均在室内,故室内环境对人体健康、舒适感和工作效率影响较大,而且室内污染比室外污染对人体危害更大[2].人们若长时间留在被污染的室内,就会出现头痛、恶心和困倦等病态建筑综合症(Sick building syndrome,英文缩写为SBS)反应[3].室外大气有害物是室内空气污染的主要来源之一[4].本文拟采用实地监测方法，研究分析大气雾霾对建筑室内空气中直径≤2.5μm的颗粒物即可入肺颗粒物(Particulate matter 2.5,英文缩写为PM2.5)的影响规律.

1 实测基本条件

1.1 实地监测建筑物的选取

公共建筑和居住建筑是我国城市居民的主要活动场所.本文选取位于长春市中心地段的2栋办公楼中的2个会议室、3家医院中的3个病房、1个健身中心中的1个健身房和2个普通住宅小区中的2栋住宅楼中的2个住户分别作为公共建筑、居住建筑的实地监测对象.

1.2 实地监测方案

2016年10月20日至2017年4月10日,作者对所选实地监测对象进行了连续测试.实测数据按每小时采集数据的算术平均值整理记录即:测试仪表每5min测试采集1组数据,1h共采集12组数据,然后按每小时采集数据的算术平均值整理,并记为该小时的实测数据.因长春市地处严寒地区,冬季人们养成了不开窗、很少启用通风系统的生活习惯,因此,居住建筑可视为密闭空间;由于人员流动频繁,公共建筑则可视为半密闭空间.

1.3 实地监测仪器

为便于携带和现场安装,本文采用小型智能空气监测仪与大型监测仪联合测试的方法,所用监测仪性能指标见表1.为保证实测数据的精度,测试前和测试中均对监测仪进行了校准.

表1 测试中所用仪器Table 1 Instruments used in measurement

2 测试数据的采集与整理

2.1 室外大气PM2.5状况分析

为分析室外大气雾霾对室内空气PM2.5浓度水平的影响,首先需要分析室外大气状况.为此,本文利用中国空气质量在线监测分析平台的数据,整理了2016年10月20日至2017年4月20日长春市室外大气PM2.5浓度数据,并按中国环境监测总站分级方法(见表2)分析给出了长春市冬季采暖期室外大气状况(见图1),其中69%天数的空气质量属优良等级(其中优11%、良58%),31%天数的空气质量属污染等级(其中轻度污染21%、中度污染8%和重度污染2%).

表2 PM2.5空气质量等级Table 2 PM2.5 air quality grade

图1 室外PM2.5浓度变化趋势Fig.1 Variation trends in PM2.5 concentration

实测数据分析:如以昼夜(24h)为时段,室外大气PM2.5的小时峰值出现在22∶00时至次日凌晨2∶00时;而最低谷值则出现在13∶00到14∶00时;如以周(7天)为时段,周一至周五的室外大气PM2.5浓度呈下降趋势,其中周二达最高峰值64.25μg/m3,周五达最低谷值30.75μg/m3,而周六、周日则呈上升趋势;如以月为时段,11月和1月的室外大气PM2.5浓度较高,分别达80.4μg/m3、82.8μg/m3,这是因11月至1月正值冬季供暖期高峰,采暖燃煤排放较多,说明冬季燃煤排放是影响室外大气污染的主要因素之一.

2.2 室内空气PM2.5测试结果

根据我国现行室外大气质量标准等级,PM2.5浓度<75μg/m3为优良,但室内空气质量则没有明确的等级标准,所以,室内空气质量等级划分采用室外大气质量等级划分,本文对2016年10月20日至2017年4月20日长春市不同建筑室内空气质量的测试数据进行整理,并给出了长春市相应建筑室内空气质量测试结果(见表3)(按中国环境监测总站的室外分级方法).建筑室内空气质量与室外大气质量类似,优良等级占多数,严重污染仅占少数,但不同建筑室内空气质量存在一定差异.

表3 不同类型建筑内空气等级的百分数

3 室内空气PM2.5实测数据分析

3.1 一昼夜(24h)内不同时段各建筑物内PM2.5浓度的变化规律

图2 一天内各建筑物PM2.5浓度变化Fig.2 Variation in PM2.5 concentration in differentlocations during the same period

本文选取了室外大气污染较为严重(中度污染)

的15d为监测期,分析室内PM2.5浓度变化规律,按早(7∶00～8∶00)、中(12∶00～13∶00)和晚(18∶00～19∶00)等3个不同时段对所测数据进行整理,并把各类建筑室内空气PM2.5浓度和室外大气PM2.5浓度绘制成柱状图(见图2).

由图2可见,当室外大气PM2.5浓度较高时,所有建筑室内PM2.5浓度同样也较高.即使对外门窗处于常闭状态的居住建筑,其室内PM2.5浓度与室外大气PM2.5浓度也具有良好的一致性.

早晨,在相同的室外大气PM2.5浓度下,医院、居住、办公楼、健身中心等4类建筑物中，医院病房内PM2.5浓度最高约115.0μg/m3,而居住建筑室内PM2.5浓度最低约34.7μg/m3,办公楼会议室PM2.5浓度列第二位约66μg/m3,健身中心健身房PM2.5浓度列第3位约42.7μg/m3.其原因是早晨进出医院的人员数量较多,外门开闭频繁,室外大气与建筑室内空气形成了良好的对流循环,室外大气中的可入肺颗粒物会大量侵入室内,造成医院PM2.5浓度最高.

晚上与中午类似,由于人员流动减少,建筑室内换气次数下降,医院、居住、办公楼、健身中心等4类建筑物内的PM2.5浓度也会随之降低,但医院病房仍最高约51.7μg/m3,居住建筑室内仍最低约21μg/m3,但健身中心健身房内PM2.5浓度呈上升趋势约47.7μg/m3.这是由于晚上来健身房的人员较多,人们在室内活动,产生大量的可入肺颗粒物,虽然此时室外大气PM2.5浓度已下降,但室内PM2.5浓度却仍在上升,不过低于室外大气PM2.5浓度.在4类建筑中居住建筑的PM2.5浓度全天处于最低水平,这是因为室内外人员流动少,通过建筑门窗缝隙渗入室内的大气相对较少,因此,其室内PM2.5浓度最低,波动幅度最小.

总体看,室内PM2.5浓度与室外PM2.5浓度呈正相关性,影响室内空气质量的主要因素是室外PM2.5浓度,室外PM2.5高则室内PM2.5也高.特殊场所(如健身房),由于人员频繁活动产生大量的颗粒物,造成室内PM2.5浓度升高,这种影响有时可能要大于室外PM2.5对室内PM2.5的影响.

3.2 室内外PM2.5浓度之间的关系

在室外大气PM2.5浓度75μg/m3期间,作者对居室与会议室内PM2.5浓度进行了监测分析,并观察室内外PM2.5浓度之间的关系.

图3 室内外不同时段的PM2.5浓度变化Fig.3 Variation of indoor and outdoor PM2.5concentrations at different times

对同一建筑不同时段测得的室内空气PM2.5浓度数据进行整理,并绘制出居住和办公楼等两类建筑室内外PM2.5曲线(见图3).由图3可见,两类建筑室内PM2.5浓度均随着室外PM2.5浓度升高而升高,均呈较强的正相关性.虽然居室内处于密闭状态下,室外大气中可入肺颗粒物只会通过门窗缝隙渗入室内,但PM2.5波动幅度较小;而在办公楼处于窗紧闭状态下,室外大气中可入肺颗粒物则会通过经常开启的门进入室内,故办公楼室内PM2.5波动幅度较大.

上述分析表明,在忽略室内人们正常活动产生的可入肺颗粒物情况下,室内外PM2.5浓度之间关系呈正相关性.

4 影响因素分析

影响室内外PM2.5浓度关系的因素可能很多,但主要是天气因素包括季节、天气状况和物理因素包括建筑围护结构和室内污染源等两类.本文以公共建筑与居住建筑室内外PM2.5为对象,分析天气因素和物理因素对室内外PM2.5浓度的影响.

4.1 天气因素

由于本文分析了风级、温度和相对湿度等3个气象参数的影响,所以在1个监测期内,首先任选其中1个参数为变量,固定另2个参数为定量,忽略2个定量参数对PM2.5的影响.监测仪器精度设定为温度误差±2℃,相对湿度误差±5%,风级误差±1级.

4.1.1 室外风级与室外温度影响

由图4可知,当室外风级增大时,室内外质量呈现明显好转,室内外污染也明显减弱,其原因是室外风级会有利于室内外污染物及可入肺颗粒物的扩散,对室内外PM2.5浓度产生积极的影响,所以，风级是影响室内外质量的因素之一,当室外风级越大时,室内外PM2.5浓度越低.该因素可作为改善人们居住工作生活空气质量的一个积极措施.

图4 室外风级对PM2.5的影响Fig.4 The influence of outdoor wind grade on PM2.5

图5 室外温度对PM2.5的影响Fig.5 The influence of outdoor temperature on PM2.5

由图5可见,室内PM2.5浓度与室外空气温度之间呈正相关性,室外PM2.5浓度与室外空气温度之间先呈负相关性后呈正相关性(以室外空气温度-10℃为分界),其影响规律与风级影响规律不同.

图6 室外空气相对湿度对PM2.5的影响Fig.6 The influence of outdoor relative humidity on PM2.5

4.1.2 室外空气相对湿度影响

研究表明,在一定范围内,空气中可入肺颗粒物浓度随空气相对湿度的升高而逐渐降低[5].图6反映不同室外空气相对湿度下室内外PM2.5浓度的变化.由图6可见,室内外PM2.5浓度与室外空气相对湿度呈正相关性,空气相对湿度越大,PM2.5浓度也越高.这是因为室外空气相对湿度可对大气中可入肺颗粒物产生一定的促进作用,而且主要是在二次颗粒物形成过程中发挥这种作用.

4.2 物理因素

4.2.1 围护结构特性的影响

与西方国家相比,我国一般的建筑墙体密闭性比较差,而且自然通风和空气渗透仍是主要通风形式.依靠热压和风压作用形成的内外压力差驱动室内外空气对流,这些因素使室内外可入肺颗粒物的传输规律变得更复杂.据研究报道,房间换气次数、颗粒物对围护结构穿透性、室内颗粒物沉降特性和室内污染源是影响室内PM2.5浓度的主要因素[6].

4.2.2 室内污染源的影响

除室外大气PM2.5因素外，室内污染源也是影响室内PM2.5浓度的重要因素,室内污染源的增减会导致室内PM2.5浓度的变化,而且对室内PM2.5产生非常明显的影响.吸烟和烹饪是产生室内污染源的2个主要因素，比如当室内出现吸烟、烹饪等行为时,室内污染源增加，进而就会导致室内空气PM2.5和PM1浓度迅速显增.同样,由室内人员活动引起的二次颗粒物扬尘等也是产生室内污染源的1个主要因素,它将导致室内PM2.5浓度瞬间倍增.此外,可入肺颗粒物(PM2.5)吸附建筑装潢材料、家具、油漆和涂料等挥发的甲醛、苯等大量有害物质，这也会加剧对人体的危害.

5 结语

由上述结果得到如下结论：

(1) 在每年10月至次年4月即长春市供暖高峰期内,每日PM2.5浓度最高值出现在凌晨2∶00时左右;而白天PM2.5浓度较低,其低谷值大约出现在下午13∶00时至14∶00时左右;每周PM2.5浓度的峰值出现在周一、周二，周四、周五下降,周六、周日又有所上升.

(2) 室内空气质量与室外大气中可入肺颗粒物(PM2.5)浓度呈正相关性;在室内无污染源且门窗密闭条件下,影响室内空气质量的主要因素是室外大气中可入肺颗粒物通过门窗缝隙的渗透;而对不完全密闭且人员流动频繁的公共建筑,影响室内空气质量的主要因素则是室外大气中可入肺颗粒物通过门窗的侵入.

(3) 室内外PM2.5浓度与室外风级呈负相关性;室内外PM2.5浓度与室外空气相对湿度呈正相关性;室内PM2.5浓度与室外空气温度呈正相关性,室外PM2.5浓度与室外空气温度之间先呈负相关性后呈正相关性(以室外空气温度-10℃为分界).

参 考 文 献

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

[2] 张寅平,莫金汉,程瑞.营造可持续室内空气环境:问题、思考和建议[J].科学通报Chinese Science Bulletin.,2015,18(1)：1651-1660.

[3] 王平.大气环境PM2.5污染及其对室内环境影响的实测与理论分析[D].北京:北京工业大学,2015.

[4] 赵彬,陈玖玖,李先庭.室内颗粒物的来源、健康效应及分布运动研究进展[J].环境与健康杂志,2005 22(1):65-68.

[5] 崔术祥.湿度对室内颗粒物分布的影响[D].株洲:湖南工业大学,2013.

[6] Chen C,Zhao B.Review of relationship between indoor and outdoor particles:I/O ratio infiltration factor and penetration factor[J].Atmospheric Environment,2011,45(1):275-288.