于 丹 李 冉 張 雪 劉紫祺

(北京建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044)

近年來(lái)霧霾天氣頻發(fā)，細(xì)顆粒物(PM2.5)已經(jīng)成為影響大氣環(huán)境質(zhì)量的首要污染物。長(zhǎng)期暴露在PM2.5污染環(huán)境中會(huì)對(duì)人體的呼吸系統(tǒng)、心腦血管系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)及免疫系統(tǒng)造成嚴(yán)重傷害。據(jù)報(bào)道，大氣中PM2.5質(zhì)量濃度每上升10 μg/m3，心腦血管疾病、心肺疾病以及肺癌的患病率分別上升4%、6%、8%[1]。人類大部分時(shí)間在室內(nèi)度過(guò)，因此室內(nèi)污染對(duì)人體健康的影響比室外污染更加嚴(yán)重?，F(xiàn)有研究證實(shí)，當(dāng)室內(nèi)存在吸煙行為時(shí)，室內(nèi)環(huán)境中的PM2.5濃度會(huì)顯著增加。在辦公類建筑環(huán)境中，香煙煙塵在PM2.5中所占比例為50%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)～80%，在會(huì)議室和休息室中，該比例高達(dá)80%～90%[2-3]。我國(guó)政府已密切關(guān)注吸煙對(duì)人體健康和環(huán)境的嚴(yán)重危害，北京市于2015年6月1日起全面實(shí)施《北京市控制吸煙條例》，該條例明確規(guī)定所有公共場(chǎng)所、工作場(chǎng)所室內(nèi)區(qū)域及公共交通工具內(nèi)禁止吸煙。

本研究以燃煙為室內(nèi)污染源，對(duì)不同污染程度下室內(nèi)PM2.5濃度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，得到PM2.5的沉降規(guī)律，確定PM2.5的沉降模型，并給出了自然通風(fēng)措施對(duì)降低室內(nèi)PM2.5污染的效果，為室內(nèi)PM2.5污染控制研究提供必要的參考。

1 室內(nèi)污染源對(duì)PM2.5濃度的影響

本研究選取一棟多層辦公建筑房間為測(cè)試場(chǎng)所，房間長(zhǎng)3.0 m，寬4.0 m，高3.0 m。為研究室內(nèi)污染源對(duì)PM2.5濃度的影響，測(cè)試期間房間門窗全部封閉，以避免室外空氣環(huán)境對(duì)室內(nèi)的影響。測(cè)試房間未安裝空氣凈化裝置，燃煙點(diǎn)高度1.5 m，PM2.5測(cè)試高度1.0 m，測(cè)試位置為房間正中。測(cè)試儀器為TSI 8533型DustTrak氣粉塵測(cè)定儀，采樣流量設(shè)置為3 L/min，每6 min采集1次數(shù)據(jù)。為避免采樣產(chǎn)生的氣流對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響，在設(shè)備排氣口安裝長(zhǎng)管，將排氣遠(yuǎn)離采集口。

圖1 不同燃煙量下室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的變化Fig.1 The change of indoor PM2.5 concentration under different smoking amount

燃煙量PM2.5質(zhì)量濃度/(μg·m-3)初始值最高值穩(wěn)定值沉降時(shí)間/h1支煙731090737.02支煙220195022216.03支煙122290012536.5

對(duì)不同燃煙量下室內(nèi)PM2.5濃度變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，測(cè)試結(jié)果如圖1所示。由測(cè)試曲線可以看出，燃煙量不同的情況下，室內(nèi)PM2.5濃度均在燃煙后瞬間達(dá)到最大值，隨著測(cè)試時(shí)間的延長(zhǎng)，室內(nèi)PM2.5濃度逐漸下降并達(dá)到穩(wěn)定值，最后恢復(fù)至室內(nèi)PM2.5初始濃度。根據(jù)北京市實(shí)時(shí)空氣質(zhì)量發(fā)布平臺(tái)對(duì)PM2.5等級(jí)的分類評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，PM2.5質(zhì)量濃度為0～35 μg/m3時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為優(yōu)；PM2.5質(zhì)量濃度為35～75μg/m3時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為良；PM2.5質(zhì)量濃度為75～115 μg/m3時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為輕度污染；PM2.5質(zhì)量濃度為115～150 μg/m3時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為中度污染；PM2.5質(zhì)量濃度為150～250 μg/m3時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為重度污染；PM2.5質(zhì)量濃度≥250 μg/m3時(shí)，空氣質(zhì)量等級(jí)為嚴(yán)重污染。

對(duì)室內(nèi)PM2.5濃度數(shù)據(jù)及沉降時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)合圖1、表1可知，1支煙燃燒后室內(nèi)PM2.5最高達(dá)1 090 μg/m3，屬于嚴(yán)重污染，7.0 h后PM2.5恢復(fù)到室內(nèi)初始值73 μg/m3，空氣質(zhì)量等級(jí)屬于良。2支煙燃燒后室內(nèi)PM2.5最高值達(dá)1 950 μg/m3，7.0 h后室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度降為551 μg/m3，屬于嚴(yán)重污染，16.0 h后PM2.5基本恢復(fù)到室內(nèi)初始值，但空氣質(zhì)量等級(jí)仍為重度污染。3支煙燃燒所產(chǎn)生的PM2.5最高值為2 900 μg/m3，屬于嚴(yán)重污染，24.0 h后室內(nèi)PM2.5仍在250 μg/m3以上，36.5 h后室內(nèi)PM2.5基本穩(wěn)定在125 μg/m3，空氣質(zhì)量等級(jí)為中度污染?？梢?jiàn)，隨著燃煙量的增加，室內(nèi)PM2.5濃度也相應(yīng)升高，恢復(fù)到PM2.5初始值所需的沉降時(shí)間越長(zhǎng)，說(shuō)明污染源對(duì)室內(nèi)PM2.5濃度及沉降時(shí)間均有顯著影響。值得說(shuō)明的是，3次測(cè)量室內(nèi)初始PM2.5濃度存在較大差異，分析原因，可能與3次實(shí)驗(yàn)測(cè)定日期不同，室外空氣環(huán)境相差較大，影響了室內(nèi)本底PM2.5濃度。

2 室內(nèi)PM2.5沉降規(guī)律研究

為進(jìn)一步研究室內(nèi)PM2.5的沉降規(guī)律，在相同辦公建筑的同一房間內(nèi)進(jìn)行了3次測(cè)試，測(cè)試期間仍保持房間門窗全部封閉，燃煙量均為1支煙，測(cè)試結(jié)果分別標(biāo)記為A1、A2、A3，3次測(cè)試均以PM2.5濃度達(dá)到最高時(shí)的時(shí)間為沉降起始時(shí)間，測(cè)試結(jié)果如圖2所示。由圖2可見(jiàn)，3次測(cè)試PM2.5的沉降曲線趨向一致，燃煙釋放完全后室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度達(dá)到最大值，分別為1 120、1 330、1 090 μg/m3，隨著室內(nèi)PM2.5逐漸沉降，約7.0 h后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)PM2.5質(zhì)量濃度穩(wěn)定在室內(nèi)起始濃度，分別為78、42、73 μg/m3，與測(cè)試當(dāng)日室外PM2.5濃度相近。

圖2 室內(nèi)PM2.5沉降規(guī)律曲線Fig.2 Settlement curves of indoor PM2.5

對(duì)3條沉降曲線進(jìn)行回歸擬合，結(jié)果如式(1)所示?？梢钥闯?，室內(nèi)PM2.5濃度隨沉降時(shí)間呈指數(shù)形式變化，隨著沉降時(shí)間的增加，室內(nèi)PM2.5濃度逐漸降低，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。利用SPSS軟件對(duì)式(1)進(jìn)行方差分析，得出回歸方程R2為0.969>0.75，置信區(qū)間為95%時(shí)對(duì)應(yīng)F值為4.01，擬合方程F值為6 649.547，遠(yuǎn)大于4.01，且凈確定偏差為1.67×10-159%，遠(yuǎn)小于0.005%，說(shuō)明回歸方程擬合結(jié)果較好。

y=810.9e-0.37t

(1)

式中：y為室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度，μg/m3；t為PM2.5的沉降時(shí)間，h。

3 室內(nèi)顆粒物沉降模型

顆粒物沉降是影響室內(nèi)PM2.5濃度變化的重要因素[4-5]，但目前有關(guān)顆粒物沉降模型的研究相對(duì)較少。現(xiàn)有關(guān)于室內(nèi)顆粒物沉降模型的研究總體分為宏觀和微觀兩類。從微觀上看，空氣中顆粒物主要受8種力的作用，分別為流體拖曳力、重力、浮力、壓力梯度力、巴塞特力、視質(zhì)量力、薩夫曼升力以及布朗力，這些外力與流場(chǎng)條件和顆粒物屬性有關(guān)。隨著顆粒屬性以及流場(chǎng)特征的不同，其受力的大小也不同。從宏觀上來(lái)看，室內(nèi)顆粒物濃度變化主要取決于室外顆粒物通過(guò)門窗等縫隙進(jìn)入室內(nèi)量、離開(kāi)室內(nèi)的顆粒物量、通過(guò)空氣過(guò)濾器等去除的顆粒物量以及顆粒物在室內(nèi)的發(fā)塵量，可以通過(guò)質(zhì)量平衡模型對(duì)顆粒物沉降過(guò)程進(jìn)行描述[6-9]。

實(shí)際建筑由于受到室外顆粒物和室內(nèi)氣流的影響，很難將顆粒物的穿透率和室內(nèi)的沉降率區(qū)分開(kāi)來(lái)獨(dú)立研究，也無(wú)法了解室內(nèi)空氣環(huán)境中顆粒物的沉降規(guī)律。本研究在質(zhì)量平衡模型的基礎(chǔ)上，建立了封閉條件下室內(nèi)顆粒物的沉降模型。

圖3 室內(nèi)PM2.5沉降模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 The model curve and the experimental data of indoor PM2.5 settlement

當(dāng)只有室內(nèi)污染源時(shí)，室內(nèi)顆粒物沉降模型可簡(jiǎn)化為：

(2)

式中：cI為室內(nèi)顆粒物質(zhì)量濃度，μg/m3；V為房間容積，m3；G為單位時(shí)間內(nèi)污染源散發(fā)的顆粒物質(zhì)量，μg/h；νd為顆粒物沉降速度，m/h；A為房間表面積，m2。

對(duì)式(2)進(jìn)行積分求解，可得顆粒物質(zhì)量濃度隨沉降時(shí)間的變化模型：

(3)

依據(jù)上述顆粒物沉降模型，可以得到不同燃煙量下室內(nèi)PM2.5濃度沉降曲線，如圖3所示。對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，3種燃煙量下沉降模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)均表現(xiàn)出一致的變化規(guī)律，說(shuō)明利用該沉降模型預(yù)測(cè)室內(nèi)PM2.5沉降是合理可靠的。

4 室內(nèi)PM2.5污染的通風(fēng)控制措施

自然通風(fēng)是目前住宅建筑主要的通風(fēng)方式，現(xiàn)有研究已經(jīng)證實(shí)，自然通風(fēng)會(huì)對(duì)室內(nèi)顆粒物的濃度產(chǎn)生較大影響。為研究自然通風(fēng)對(duì)室內(nèi)PM2.5污染的影響程度，于2015年3月在開(kāi)窗通風(fēng)的情況下測(cè)試1支煙燃燒后室內(nèi)PM2.5濃度變化，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 自然通風(fēng)措施對(duì)室內(nèi)PM2.5污染的影響Fig.4 The effect of natural ventilation on indoor PM2.5 pollution

由圖4可見(jiàn)，燃煙后室內(nèi)PM2.5濃度在短時(shí)間內(nèi)迅速上升，但最高值僅為128 μg/m3，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于門窗密閉情況下的PM2.5最高值(1 000 μg/m3以上)，約0.5 h后室內(nèi)PM2.5濃度趨于穩(wěn)定，與室外濃度基本一致。說(shuō)明自然通風(fēng)措施可以有效降低室內(nèi)PM2.5濃度，加快顆粒物的擴(kuò)散和沉降。

值得一提的是，測(cè)試當(dāng)天室外空氣質(zhì)量較好，室外PM2.5為4 μg/m3。如果室外空氣質(zhì)量不好，屬于重度污染的霧霾天氣，開(kāi)窗通風(fēng)會(huì)把室外的顆粒物污染引入室內(nèi)，反而造成室內(nèi)污染。因此，當(dāng)室內(nèi)存在嚴(yán)重污染源且室外空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良時(shí)，自然通風(fēng)是最直接、經(jīng)濟(jì)和有效的控制措施。

5 結(jié) 論

以燃煙為室內(nèi)污染源，對(duì)室內(nèi)不同污染程度下空氣PM2.5濃度變化及沉降規(guī)律進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究和理論研究，討論了自然通風(fēng)措施對(duì)降低室內(nèi)PM2.5污染的效果，得出了以下結(jié)論：

(1) 燃煙后室內(nèi)PM2.5濃度在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，隨著沉降時(shí)間的延長(zhǎng)，室內(nèi)PM2.5顆粒物逐漸達(dá)到穩(wěn)定值；污染源對(duì)室內(nèi)PM2.5的濃度及沉降時(shí)間均有一定影響，污染程度越大，室內(nèi)PM2.5達(dá)到的最高值越大，所需沉降時(shí)間越長(zhǎng)。

(2) 對(duì)室內(nèi)PM2.5沉降規(guī)律進(jìn)行了理論研究，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)PM2.5濃度隨沉降時(shí)間呈指數(shù)形式變化。

(3) 基于質(zhì)量平衡原理，建立了封閉條件下室內(nèi)顆粒物的沉降模型，經(jīng)對(duì)比，沉降模型與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律一致，說(shuō)明構(gòu)建的沉降模型合理可靠。

(4) 在室外空氣質(zhì)量?jī)?yōu)良時(shí)，自然通風(fēng)使室內(nèi)PM2.5濃度明顯降低，開(kāi)窗通風(fēng)能夠有效加快室內(nèi)PM2.5的擴(kuò)散及沉降。

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