室外污染源作用下办公室颗粒物污染特征及动态变化

华北电力大学 卜文涛  郑国忠  王雅静 赵峥峥

    【摘  要】室内空间是人们停留时间最长的环境场所，因此室内空气质量对人体健康有直接影响。颗粒物是影响室内空气质量的重要因素之一，尤其粒径小于2.5μm的颗粒物对人体健康的危害更大。论文以办公室为研究对象，研究室外污染源作用下室内颗粒物的污染特征及动态变化。室外污染源实验以PM10为研究参数，室外PM10质量浓度浓度分别处于200-300、300-400、400-500、500-600、600-700μɡ/m3五种工况。首先分析五种工况下室内颗粒物质量浓度和粒子数浓度的变化特征；其次，分析了每种工况下室内不同粒径间颗粒物质量浓度的最大增幅及最大增长率,比较了室外不同颗粒物浓度时各个粒径间颗粒物的穿透因子；最后，选取夏季136组数据和冬季75组数据，研究了室内外颗粒物的相关性。研究结果表明，室外渗透作用对室内PM1的质量浓度影响最为显著，粒径在0.3-0.5μm粒子的穿透因子均大于0.6，其渗透作用最为明显。室外颗粒物的污染源各种各样，颗粒物上富集了多种重金属和细菌等，对人体健康的危害极大，因此建筑门窗的密闭性要引起足够的重视，甚至在一些污染严重的地区要做双层门窗。

    【关键词】空气颗粒物，质量浓度，粒子数浓度，室内空气质量

Abstract: People spend most of their time in indoor environment. The indoor air quality has a direct impact on human health. Particulate matter is one of the important factors affecting the indoor air quality, especially particulate matter whose diameter is less than 2.5μm are more harmful to human health. The paper selects an office as the study object and studies the pollution characteristics and dynamic changes of indoor particulate matter in different outdoor pollution levels. The outdoor PM10 concentration levels are set in the range of 200-300, 300-400, 400-500, 500-600, 600-700μɡ/m3, individually. Firstly, the change characteristics of the mass concentration and the number concentration of the particulate matter in the five operating conditions were analyzed. Secondly, the maximum increase rate and the maximum growth rate of different particle sizes in the five conditions were analyzed. Then the penetration factors of particulates in different sizes were compared among the five conditions. Finally, 136 groups of data in summer and 75 groups of data in winter were selected to study the correlation between indoor particulate matter and outdoor particulate matter. The study results show that the effect of outdoor infiltration has a great influence on the indoor PM1 mass concentration, and the penetrating factor of particulate matter with its size between o.3μm and 0.5μm is higher than 0.6, and their permeability is the most obvious. The pollution sources of the outdoor particulates are various, and the particulate matter contains heavy metals, bacteria and etc. Therefore, air tightness of door and window should be paid attention, especially double window is suggested in some areas with serious air pollution.
Keywords: Air particulate matter, Mass concentration, Particle number concentration, Indoor air quality

1 绪论

    随着我国社会经济的高速发展和人们生活水平的不断提高，人们对室内环境的要求已经不仅仅限于室内热舒适性，同时也更加关注室内颗粒物的污染，即室内空气质量（Indoor Air Quality）。据相关数据表明，绝大多数人70%~90%的时间是在室内度过的^[1] ，对于老弱病残人士在室内停留的时间则更久。因此，室内空气质量直接关系到人体的健康。目前，室内空气质量已成为建筑学、医学卫生、暖通空调工程、建筑环境学、房地产等日益关注的话题，也是现代建筑科学的前沿研究课题。颗粒污染物是当前室内污染的首要污染物，特别是细颗粒物PM2.5，其上富集多种有害物质，并且是微生物存活的载体，能够进入人体机理更深处，因此对人体健康危害更大。颗粒物是室内空气中重要的污染物，严重影响室内空气的品质，是考察室内空气质量的一个重要指标。

    学者对室内外颗粒物浓度关系的研究表明，进入室内环境的颗粒物质量浓度与室外大气颗粒物质量浓度处于同一数量级^[2-4] ，且由室外通过围护结构进入室内的颗粒物对人体的危害更为严重^[5] 。由此可见，室外污染源会造成室内空气污染，如果要提高室内空气质量，必须考虑室外污染源对室内颗粒物的影响。室外颗粒物通过门窗缝隙的渗透、自然通风的新风以及人员进出带入室内，从而影响室内颗粒物的浓度及污染特征。室内颗粒物的状态是个动态变化过程，其变化受到各种因素的影响，而多数的文献在进行研究时都以稳态问题对待，如果从动态的角度来分析室内颗粒物的状态，则更有益于我们不断认识和理解室内颗粒物的污染特征，有利于控制室内颗粒物污染，并提出改善室内空气质量的针对性措施。本论文以办公室为研究对象，在室内进行室外渗透实验，测试各种工况下室内颗粒物的质量浓度和粒子数浓度的变化，研究室外不同颗粒物浓度作用下室内颗粒物的污染特征及动态变化。

2 实验过程与方法

    2.1 实验条件

    本课题选取华北电力大学某办公楼三层的一间办公室为实验场所，该办公室远离交通要道。该办公室面积约为38.8m²（7.6m×5.1m），门的面积为1.8m²（0.9m×2.0m），所开窗的面积为4.2m²（1.2m×0.87m×4），地面是普通的水泥砂浆地面。实验中采样点根据对角线原则设置在房间的中心位置，距地面高度0.8m^[6] ，智能粉尘检测仪和激光粒子计数器分别放于采样点两侧。实验仪器如表1所示。

    2.2 实验过程

    室外污染源即室外渗透作用，本实验室外污染源实验以PM10为研究参数，分别在室外PM10质量浓度处于200-300、300-400、400-500、500-600、600-700μɡ/m³五种工况下研究室外渗透作用对室内颗粒物的影响。

    以上各种工况均连续测量2小时室内颗粒物的动态变化。实验中由于智能粉尘检测仪需要实验人员手动变换1.0μm、2.5μm、10μm的切割头，占据一定的时间，所以实验拟定每五分钟测量一次室内PM1、PM2.5、PM10的质量浓度，激光粒子计数器每五分钟记录一次室内0.3-0.5μm、0.5-1.0μm、1.0-2.5μm、2.5-5.0μm、5.0-10.0μm和大于10.0μm的粒子数浓度。

3 室外污染源作用下颗粒物污染特征及动态变化研究

    3.1 不同实验工况下室内颗粒物的变化特性

    图1是室外PM10的质量浓度处于200-300μɡ/m³时，室内颗粒物质量浓度随时间变化曲线。PM1的质量浓度一直平缓上升，实验结束时其值到达最大值172μɡ/m³，比初始值高80μɡ/m³。PM1-2.5和PM2.5-10的质量浓度都随时间在小范围内波动，PM1-2.5的质量浓度在实验结束时比初始值高9μɡ/m³，PM2.5-10的质量浓度没有明显的增幅。

    图2是室外PM10的质量浓度处于200-300μɡ/m³时，室内颗粒物粒子数浓度随时间变化曲线。0.3-0.5μm的粒子数浓度一直处于平缓上升的趋势，实验结束时其值从初始值1.5×10⁸个/m³上升到2.6×10⁸个/m³，升高了1.1×108个/m³。进一步分析实验数据，0.5-1.0μm、1.0-2.5μm、2.5-5.0μm的粒子数浓度随时间变化有较小增幅，实验结束时其值分别比初始值高1.2×10⁷、1.5×10⁵、8.5×10³个/m³。5.0-10.0μm和大于10.0μm的颗粒物粒子数浓度稍有下降，实验结束时其值分别比初始值低6.0×10³、3.2×103个/m³，这可能是其他粒径间颗粒物粒子数浓度升高挤占了大颗粒物的粒子空间。由此可见，室外渗透作用对室内0.3-0.5μm粒子数浓度的影响最为显著。

    图3是室外PM10的质量浓度处于600-700μɡ/m³时，室内颗粒物质量浓度随时间变化曲线。PM1的质量浓度一直平缓上升，实验结束时其值从初始值202μɡ/m³升高到337μɡ/m³，增高135μɡ/m³，由于实验后期室外颗粒物浓度较初始水平降低，所以实验后期其增幅不是特别显著。PM1-2.5的质量浓度在实验中缓慢增加，实验结束时其值从初始值17μɡ/m³增加到34μɡ/m³。PM2.5-10的质量浓度在小范围内波动，没有明显的增幅。

    图4是室外PM10的质量浓度处于600-700μɡ/m³时，室内颗粒物粒子数浓度随时间变化曲线。0.3-0.5μm的粒子数浓度缓慢上升，实验结束时其值从初始值3.0×10⁸个/m3上升到4.4×10⁸个/m3，升高了1.4×10⁸个/m³。实验结束时0.5-1.0μm的粒子数浓度从初始值2.5×10⁷个/m³上升到3.5×10⁷个/m³，升高了1.0×10⁷个/m³。1.0-2.5μm、2.5-5.0μm、5.0-10.0μm和大于10.0μm的粒子数浓度随时间没有明显变化。

    3.2 不同颗粒物浓度渗透对室内颗粒物的影响

    为进一步比较室外不同颗粒物浓度渗透对室内颗粒物的影响程度及每种工况下室内不同粒径颗粒物的变化情况，分析了每种工况下室内不同粒径间颗粒物质量浓度的最大增幅及最大增长率，结果如表2所示。

    由表2可看出，在没有室内污染源时室外颗粒物的渗透作用对室内颗粒物浓度影响显著，且室外颗粒物浓度越大室内颗粒物PM1的增幅越大，但不同室外浓度对室内颗粒物PM1-2.5和PM2.5-10的影响没有显著规律。由表可看出室内不同粒径的颗粒物的质量浓度随室外浓度的增加没有呈规律性的增长，这是因为室外颗粒物浓度随时间不断变化，且由于天气因素，其变化速度较快，室外颗粒物浓度不能稳定在某一范围内，导致室内颗粒物浓度增幅随室外颗粒物浓度的变化而变化。

    表3比较了室外不同颗粒物浓度时各个粒径间颗粒物的穿透因子。从表中可看出各个粒径间颗粒物的穿透因子并没有随室外颗粒物浓度的升高而呈逐渐上升的趋势，这主要是因为不同室外浓度下颗粒物的物理特性不相同及室内外压差条件不同等。从表中看出，即使在门窗紧闭的情况下，0.3-1.0μm颗粒物的穿透因子均大于0.5。

    3.3 室外渗透作用下室内外颗粒物的相关性

    为进一步研究室外渗透对室内颗粒物的影响，选取夏季136组数据和冬季75组数据，研究了室内外颗粒物的相关性。

    图5是夏季和冬季室内PM1的质量浓度与室外PM1质量浓度的关系图，根据图中夏季和冬季室内外数据，利用Origin8.5分别拟合出夏季和冬季室内外PM1质量浓度的关系式：

    夏季

    C_in=21.44+0.56796C_out(r=0.71)              (1)

    冬季

    C_in=26.67+0.65842C_out(r=0.66)              (2)

    式中  C_in——室内颗粒物浓度（μɡ/m³）；
            C_out——室外颗粒物浓度（μɡ/m³）。

    图6是夏季和冬季室内PM2.5质量浓度与室外PM2.5质量浓度的关系图，拟合出夏季和冬季室内外PM2.5质量浓度的关系式为：

    夏季

    C_in=21.16+0.54072C_out(r=0.74)        (3)

    冬季

    C_in=26.73+0.72884C_out(r=0.72)        (4)

    图7是夏季和冬季室内PM10质量浓度与室外PM10质量浓度的关系图，拟合出夏季和冬季室内外PM10质量浓度的关系式为：

    夏季

    C_in=25.24+0.51969C_out(r=0.73)          (5)

    冬季

    C_in=22.90+0.75315C_out(r=0.74)          (6)

    从式（1）到式（6）可看出，夏季室内PM1的质量浓度受室外颗粒物浓度的影响更大，冬季PM10的质量浓度受室外颗粒物浓度的影响更大，而且冬季室内颗粒物受室外颗粒物的影响更大。

    综上所述，室外渗透作用对室内PM1的质量浓度影响最为显著，粒径在0.3-0.5μm粒子的穿透因子均大于0.6，其渗透作用最为明显。室外颗粒物的污染源各种各样，颗粒物上富集了多种重金属和细菌等，对人体健康的危害极大，因此建筑门窗的密闭性要引起足够的重视，尤其在新建的建筑中门窗一定要按规范设计安装，甚至在一些污染严重的地区要做双层门窗。

4 结论

    本论文以办公室为研究对象，在室内进行了室外渗透实验，首先分析五种工况下室内颗粒物质量浓度和粒子数浓度的变化特征；其次，分析了每种工况下室内不同粒径间颗粒物质量浓度的最大增幅及最大增长率，比较了室外不同颗粒物浓度时各个粒径间颗粒物的穿透因子；最后，选取夏季136组数据和冬季75组数据，研究了室内外颗粒物的相关性。本文可为改善室内空气质量、提出改善室内空气质量的针对性措施提供依据。具体来说，通过上述研究得到以下结论：

    （1）室外渗透作用对室内颗粒物浓度影响显著，且室外颗粒物浓度越大对室内颗粒物的影响越大，室外渗透作用对室内PM1的质量浓度影响最为显著，PM1-2.5和PM2.5-10的质量浓度都随时间在小范围内波动，没有明显的增幅。
    （2）由于不同室外浓度下颗粒物的物理特性不相同及室内外压差条件不同等因素的影响，各个粒径间颗粒物的穿透因子并没有随室外颗粒物浓度的升高而呈逐渐上升的趋势。在每一种实验室外工况下，0.3-1.0μm粒子的穿透因子p均大于0.5，其渗透作用最为明显。
    （3）夏季室内PM1的质量浓度受室外颗粒物浓度的影响更大，冬季PM10的质量浓度受室外颗粒物浓度的影响更大，而且冬季室内颗粒物受室外颗粒物的影响更大。
    （4）室外颗粒物的污染源各种各样，颗粒物上富集了多种重金属和细菌等，对人体健康的危害极大，因此建筑门窗的密闭性要引起足够的重视，尤其在新建的建筑中门窗一定要按规范设计安装，甚至在一些污染严重的地区要做双层门窗。

参考文献

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    [6] GB/T18883-2002，中国室内空气质量标准.北京：中国标准出版社，2002

    备注：本文收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。
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