建筑室内颗粒物防控方法及工程实践

空气污染能够显著影响人群死亡率和发病率。根据 2017 年全球疾病负担研究（Global Burden of Disease Study，GBD），2017 年我国大气 PM2.5污染造成的总死亡例数为 85 万例[1]。大量研究表明，PM2.5与心血管疾病、高血压、冠心病、卒中、呼吸系统疾病和慢性阻塞性肺病等具有暴露-反应关系[2-4]。

我国成年人平均室内活动时间占全天时间的 81%[5]。因此，通过防控技术的应用，有效降低室内人员健康风险暴露，对保障民众健康，提升高品质绿色建筑具有重要意义。国内学者李景广等[6]提出了 PM2.5防控计算模型公式以及关键边界参数范围。王清勤等[7]提出了不同 PM2.5污染地区的住宅室内空气净化器选型表。赵力等[8]提出了建筑室内 PM2.5污染控制技术和解决方案，开展了室内外 PM2.5污染实测分析。曹国庆等[9]提出了空气过滤器过滤效率简化选型计算公式，结合工程实测，给出了集中空调系统空气过滤器等级组合建议。李旻雯等[10]针对某中学教室开展了 PM2.5污染防护技术应用。此外，还有一些文献研究了不同通风净化措施、空气净化技术在工程中的应用效果[11-12]。然而上述研究或聚焦于设计计算，或立足于某一技术在某一工程中的应用，仍缺乏基于建筑建设全生命期的从设计到施工到验收检测的 PM2.5防控技术体系及其应用效果验证，也缺乏全国不同地区不同建筑类型的设计计算与工程实测间的对比分析。

综上，本文的目的是制定建筑设计、采购、施工、验收的全过程防控策略，并通过实际多项工程验证其有效性。

1 建筑室内颗粒物防控方法

1.1 方法流程

本文结合建筑工程全生命期，提出了建筑室内颗粒物防控方法。控制方法流程如图1 所示。在设计阶段，开展颗粒物防控设计，根据室外颗粒物计算日浓度、室内污染源强、渗透风换气次数、穿透系数等边界条件，选择适宜的通风净化系统形式并进行设备选型，计算室内颗粒物浓度满足相关标准要求。在施工图说明及招采技术文件中明确净化设备性能要求。在采购阶段，对拟采购设备的性能进行检测，若满足要求则进行采购，若不满足要求须更换供应商、选择满足性能要求的产品，或修改净化方案（如增加室内空气净化器等）。在施工阶段，编制施工作业指南，开展进场设备抽检、现场施工质量巡检及问题整改，确保设备、系统及建筑性能满足设计要求。施工完成后，根据本文提出的测试方法，对室内颗粒物浓度进行验收测试，评价通风净化系统运行效果。

图1 建筑室内颗粒物防控流程图

1.2 计算模型

室内 PM2.5浓度计算采用质量守恒方程，并假设室内污染物混合均匀，且不考虑浓度不均匀性，见式（1）。

式中：G—室内污染物源强，μg/h；

V—房间容积，m3；

C—室内设计日浓度，μg/m3；

Co—室外计算日浓度，μg/m3；

αl—渗透风换气次数，次/h；

Pl—穿透系数；

αo—新风换气次数，次/h；

Peo—新风净化设备当量穿透系数；

αr—回风换气次数，次/h；

Per—回风净化设备当量穿透系数；

αir—空气净化器循环风换气次数，次/h；

Pir—空气净化器穿透系数；

τ— 时间。

2 研究对象及研究方法

为验证本研究提出的颗粒物防控方法的有效性及计算模型的准确性，本研究在 11 项工程中开展了项目应用与验证。工程建成后，实地测试获得室内新风量、渗透风量、室外 PM2.5浓度、新风口 PM2.5浓度等计算边界条件，再通过计算模型计算室内 PM2.5浓度水平，对比计算值与实测值之间的误差并分析误差来源，验证方法的可靠性和准确性。

2.1 研究对象

本研究在全国不同区域的 11 个城市，开展了 11 项工程的 PM2.5防控工程实践及测试，建筑类型包括住宅与学校。具体工程信息情况见表1。

表1 工程信息表

2.2 测试方法

本研究测试分析了 PM2.5浓度参数，测试方法分为直接法与间接法。当室外 PM2.5浓度水平高于计算日浓度时，用直接法，即直接测试室内外 PM2.5浓度。当室外 PM2.5浓度水平低于计算日浓度时，采用间接法：在新风口发尘模拟室外雾霾工况，使新风口 PM2.5浓度高于计算日浓度，测试此时的室内、室外及新风口 PM2.5浓度水平。本研究工程 E、G、K 采用直接法，其他工程采用间接法。测试仪器采用光散射颗粒物测试仪，每 0.5 min 记录一次，室内、室外、风口浓度同时测量，测试时间为 10 min。

3 研究结果

3.1 工程实测结果

本研究根据前面提出的建筑室内颗粒物防控方法，在 11 项工程中开展了工程实践。工程建成后，按测试方法测试了 11 项工程的房间的 PM2.5浓度，如图2 所示。测试期间，室外 PM2.5浓度在 19～249 μg/m3之间。对比工程所在地的室外计算日浓度，工程 E、G、K 测试当天的实测室外 PM2.5浓度高于室外计算日浓度，因此采用直接法，其他工程采用间接法进行测试分析。采用间接法时，在新风吸风口处持续释放 PM2.5，浓度在 160～696 μg/m3之间，均高于室外计算日浓度。被测房间内的 PM2.5浓度在 7～26 μg/m3之间，均可满足 35 μg/m3的设计要求。综上可知，应用本研究提出的建筑室内 PM2.5防控方法，当室外 PM2.5浓度高于计算日浓度时，室内 PM2.5浓度均可满足要求。

图2 PM2.5 浓度测试值

3.2 计算模型预测准确性分析

为验证本研究提出的设计计算模型的准确性，本研究将测试获得的边界条件（新风换气次数、渗透风换气次数、回风换气次数、室外 PM2.5浓度、新风系统吸风口 PM2.5浓度、净化系统出风口 PM2.5浓度等），通过式（2）计算模型计算室内 PM2.5浓度水平，并将计算值与实测值进行对比分析。其中，穿透系数按 0.8 估算，房间内无室内人员、设备产尘，因此室内污染物源强按 0 计算。

通过对比分析， 11 项工程的实测室内 PM2.5浓度在 6～29 μg/m3，计算 PM2.5浓度在 7～26 μg/m3，如图3 所示。计算值与实测值之间的绝对误差在 1～9 μg/m3。由此可知，本研究提出的颗粒物防控方法及计算模型可满足工程实践应用需求。

图3 室内 PM2.5 的计算值与实测值对比

进一步分析，引起 PM2.5计算浓度与实测浓度差异可能有以下原因：①由于通风系统开启与不开启时的室内外压差不同，导致渗透风换气次数不同。但是，实测过程中获取通风系统开启状态下的渗透风换气次数存在困难，因此本研究测试的渗透风换气次数为关闭通风系统时的值。②室外 PM2.5浓度梯度分布不均匀。发尘过程中存在被测房间周围 PM2.5梯度分布不均，而实际测试中仅测了某一点处的 PM2.5浓度。③由于预测方法简化了计算模型，未考虑室内 PM2.5的浓度分布不均匀性及沉降等因素，因此存在计算偏差，但误差仍在工程可接受范围内。

4 结 语

为降低室内人员颗粒物暴露水平，保障民众健康，本研究提出了适用于工程的建筑室内颗粒物防控方法，制定了建筑设计、采购、施工、验收的全过程防控策略。

本研究在全国不同城市开展了 11 项工程的 PM2.5防控工程实践及测试。根据现场测试，当室外 PM2.5浓度高于计算日浓度时，室内 PM2.5浓度均可满足 35 μg/m3的设计要求。根据对比分析，测试值与计算值的绝对误差在 1～9 μg/m3。因此，针对全国不同地区的不同功能建筑，在不同室外污染工况下，本研究提出的防控方法均可有效保障室内 PM2.5浓度水平，且计算模型精度满足工程实践应用需求。