某5A级办公建筑室内外PM2.5浓度分布规律研究

谭学彪

(中铁建设集团有限公司 北京 100040)

1 引言

室内空气污染源主要有从室外大气中进入室内的PM2.5、PM10 污染物和室内VOC 污染物。 目前新风PM2.5 污染物处理设备主要在住宅和个别超高端项目中设置，在绝大多数公共建筑中尚未普及。 大部分现有5A 级写字楼、商场、公共设施和酒店等室内空间，仍然仅设有普通新风系统[1-3]。 普通新风系统配置的中低效过滤器虽对于PM10 污染物过滤效果较好，但无法有效过滤处理对人健康危害最大的PM2.5 污染物[4]。 因此，需要对建筑物室内外PM2.5 污染物分布情况进行监测，找出其分布规律。 进而根据PM2.5 污染物的变化规律，有针对性地进行室内空气品质的提升。

2 工程概况

进行室内外PM2.5 污染物浓度监测的工程为北京市某21 层5A 级办公建筑。 该建筑为某建筑企业自用兼外租办公楼，曾获国家优质工程奖，装修高雅，各种设备设施齐全，被评定为5A 级办公楼，但未在办公空间、会议室和报告厅配置新风PM2.5 污染物处理设备。

3 监测仪器和方法

监测对象为单位体积空气内PM2.5 污染颗粒的质量，采用仪器的分辨率达到1 μg/m3。 设定为每隔5 min 自动记录一次数据，并通过无线传输方式将数据上传到云数据平台[5-8]。 高精度激光粒子监测仪布置在该大厦6 层一个空置房间内，距离处于关闭状态的可开启外窗0.5 m，距离地面高度在人员活动高度。 每小时按等分时间间隔平均测取10 ～12 组数据。 为避免人员进出所导致的污染物迁移干扰监测，该办公室在监测时段基本处于封闭状态。 如偶尔有人员进出导致数据波动，则从监测数据中剔除相应波动数据。

4 污染物日变化情况

图1 是北京一典型日室外PM2.5 浓度日均变化规律，图2 是北京一典型日室内PM2.5 浓度日均变化规律。 从图1 可看出，除了春季以外，其他三个季节的PM2.5 污染物浓度在一天当中均呈现昼低夜高分布。 峰值出现在24 点左右。 其中，冬季夜间的污染物浓度峰值最高，为240 μg/m3。 春季污染物浓度峰值出现在上午10 点左右。 污染物浓度的低谷值四季各有不同，分布为夏季早上8 点，秋季的下午16 点，冬季下午1 点，春季下午17 点。 除了100 m 以上的超高层建筑外，大部分建筑处于大气近地面层(0 ～100 m)。 所以，监测到室外PM2.5 浓度实际上主要为大气近地面层的PM2.5 浓度。 太阳辐射可提高大气近地面层内的气体温度以及地面物体表面温度，改善“逆温现象”，加剧大气污染物垂直迁移。 太阳辐射越强烈，地面温度越高，越利于大气污染物垂直迁移、扩散。 结合图1 和图2可见，各个季节中，PM2.5 污染物浓度的低谷值均出现在地表受到太阳照射升温、污染物开始向大气近地面层外竖向迁移的时段。

此外，将图1 与图2 结合可见，室内PM2.5 污染物浓度与室外PM2.5 污染物浓度呈现正相关，与室外PM2.5 污染物浓度变化规律保持一致。 可见，室内PM2.5 污染物的升高，导致高于健康标准浓度，主要是由室外大气中污染物通过建筑物外窗等缝隙迁移渗透所致。

图1 室外PM2.5 浓度日均变化规律

图2 室内PM2.5 浓度日均变化规律

5 污染物月变化情况

由于建筑物空调系统、新风系统运行与季节关系非常密切[9]，因此监测PM2.5 污染物浓度月变化情况，掌握污染物浓度全年分布对指导建筑物新风系统的运行具有较大意义。 为了更直观表现室内外PM2.5 污染物浓度相关性，引入I/O 比值参数。 I /O 比值即为室内PM2.5 污染物浓度与室外PM2.5 污染物浓度的比值。 I/O 比值越大，说明从室外进入室内PM2.5 污染物越多，室内外PM2.5 污染物浓度差异越小。 可见，I/O 比值可反映出建筑围护结构和建筑设备系统阻隔室外污染物的能力。 如图3 所示，研究中以月为单位进行了室外和室内PM2.5 浓度值及所对应I/O 比值的1 年期连续监测。 由图3 可见，北京冬季(11 月至次年2 月)的室外和室内的PM2.5 浓度值以及所对应I/O 比值在全年当中均处于高位。而夏季(5 月中旬到8 月底)的室外和室内PM2.5浓度值处于全年低位。 究其原因，夏季太阳辐射强烈，大气近地面层受太阳直射、散射和地面反射影响，不存在“逆温现象”，大气垂直对流距离，大气污染物垂直迁移活动旺盛。 大气近地面层污染物在近地面层空气受热后，随空气升腾到高空，之后再随着大气迁移被带走，避免城市中汽车尾气、热电厂废气等产生的污染物在大气近地面层积累聚集。而北京冬季太阳辐射强度相对较弱，大气近地面层容易产生“逆温现象”导致污染物在大气近地面层积聚。 并且，北京及北京周边地区冬季供热需求大，冬季污染物排放量在全年也处于高位。 综合冬季污染物增多且扩散条件差两方面不利因素，导致了北京冬季室外和室内的PM2.5 浓度值较高。 但是，在城市居民一般常识中，会认为设有新风系统的5A 级大厦室内空气品质会远好于室外或家庭环境。但根据图3 可见，实测结果表明，全年室内外PM2.5质量浓度I/O 值分布在0.45 ～0.70 之间，全年均值为0.51。 换言之，使用普通新风系统的5A 级大厦，即使开启新风系统，进入室内的PM2.5 细颗粒污染物仍然较多，其浓度达到室外浓度的50%，距离健康建筑标准(10 μg/m3)仍有较大差距。

图3 各月室内外PM2.5 浓度分布及I/O 比值

6 新型新风净化系统

世界卫生组织(WHO)给出的空气污染物浓度报告显示，PM2.5 推荐值为小于10 μg/m3。 资料显示，年均浓度超过35 μg/m3，人罹患严重疾病几率将大大增加。 而基于以上PM2.5 质量浓度监测数据，可见在5A 级写字楼普通新风系统作用下，室内PM2.5 污染物浓度约为室外一半，但仍远远超过10 μg/m3健康标准。 所以，需提出适用于5A级写字楼等民用建筑、运行成本较低的新风净化处理方案。

基于相关研究课题，开发出一种新型新风净化系统[10-12]。 该系统综合采用了湿膜加湿除尘粗效过滤器、升温中效过滤器、高压喷雾加湿和高效过滤器等多种新型过滤器，可互为补充，可发挥各种过滤器的特点，实现更高送风气流净化效率。 为降低风机用电量、延长过滤器的使用寿命，针对每种过滤器还设有旁通管和旁通阀。

空气净化系统还设有压差传感器等多种传感器和变频送风机箱。 过滤器的初阻力和终阻力差别较大，一般风机选型按照过滤器终阻力进行，易于导致风量过大、电量浪费。 该系统变频送风机箱可根据各个过滤器两端的压差传感器参数控制其送风压头，实现风机节能。 同时，系统可基于室内CO2传感器、VOC 传感器、PM2.5 传感器的参数对旁通阀进行控制，根据室内空气污染物情况对新风进行按需供给。 当CO2传感器、VOC 传感器、PM2.5传感器的测量值在《室内空气质量标准》(GB/T 18883)允许范围内时，变频送风机箱低频低速、以较低的送风量运行；当各传感器获得的参数超过设定范围时，送风机高速运行，增加送风量。

具体运行模式如下：当室外空气AQI ＜50 时(AQI 为天气预报公布的空气质量指数，可表征PM2.5 质量浓度水平)，旁通升温中效过滤器和高效过滤器，使用粗效过滤器处理室外新风，此时中效和高效过滤器处于闲置状态，延长了使用寿命且降低了风机能耗；当室外空气AQI ＜150 时，旁通高效过滤器，使用粗效和升温中效过滤器处理室外新风，此时成本最高的高效过滤器仍处于闲置状态；当室外空气AQI≥150 时，使用粗效、中效和高效三级过滤器处理室外新风。 当室外空气AQI 降低时，根据其降低程度逐步旁通高效过滤器、中效过滤器。 通过电动风阀切换使用不同的过滤器进行新风处理，优化了空气处理流程，在空气质量较好时避免使用更换成本高、阻力大的中高效过滤器，实现了新风按需净化处理。

7 结论

为营造健康舒适的室内环境，掌握建筑物室外和室内的PM2.5 浓度值分布规律，根据北京市某5A 级办公建筑室外和室内的PM2.5 浓度值监测结果和以上分析可得出以下结论：

(1)单位体积室外大气内的PM2.5 质量与太阳辐射强度呈现正相关性。 在太阳辐射强度高时段，室外PM2.5 浓度值较低，太阳辐射强度低时段，室外PM2.5 浓度值较高。

(2)即使是设有新风系统的5A 级办公建筑，在新风系统开启的情况下，进入室内的PM2.5 细颗粒污染物浓度仍达到室外浓度的50%，无法满足健康建筑的标准(10 μg/m3)。

(3)目前5A 级办公建筑缺乏有效应对PM2.5污染物手段的原因主要是因为相应空气处理系统运行成本和能耗较高。 提出的新型新风净化系统，可根据室内空气污染物情况对新风进行按需供给，有效去除PM2.5 污染物的同时减少风机能耗和高效过滤器损耗。