趙向偉，樊越勝，司鵬飛，趙尚文，茍振志，3

1.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055 2.96421部隊，陜西 寶雞 721012 3.火箭軍工程大學，陜西 西安 710025

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建筑室內(nèi)外顆粒物污染特征研究

趙向偉1，2，樊越勝1，司鵬飛1，趙尚文2，茍振志2，3

1.西安建筑科技大學，陜西 西安 710055 2.96421部隊，陜西 寶雞 721012 3.火箭軍工程大學，陜西 西安 710025

為了解高層公寓建筑室內(nèi)外污染狀況，對自然通風狀態(tài)下的西安市某臨近道路的學生公寓樓室內(nèi)外顆粒物濃度進行了同步測試。結(jié)果表明：室內(nèi)外顆粒物污染較嚴重，其中細顆粒物占可吸入顆粒物的主要部分，且室內(nèi)外顆粒物濃度變化呈現(xiàn)較好的一致性，室外細顆粒物占可吸入顆粒物比例的波動程度大于室內(nèi)；沿樓層高度方向顆粒物濃度基本呈雙峰分布；在沒有明顯室內(nèi)污染源的情況下，PM2.5和PM10的室內(nèi)外顆粒物濃度比值(IO)通常小于1，在有明顯室內(nèi)污染源的情況下，PM2.5和PM10的IO大于1；IO會隨著顆粒物粒徑減小而逐漸增加；自然通風建筑室內(nèi)外顆粒物濃度之間存在明顯的線性相關性；對于臨近道路的建筑，室內(nèi)PM2.5濃度受室外濃度影響大于PM1.0和PM10。

高層建筑；顆粒物污染；室內(nèi)外顆粒物濃度比值(IO)；PM10；PM2.5

絕大多數(shù)人70%～90%的時間是在室內(nèi)度過的[1-2]，Smith等[3]指出室內(nèi)空氣顆粒物污染占整個室內(nèi)空氣污染的76%，且發(fā)展中國家比發(fā)達國家更為嚴重。Dockery等[4]的研究表明，PM10濃度每增加10 μgm3，總死亡率平均增加1.0%。歐洲空氣污染和健康促進協(xié)會對西歐等國家的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，當PM10日均濃度增加50 μgm3時，日死亡率會增加2%[5]。因此，分析室內(nèi)外顆粒物污染特征具有重要意義。

圖1給出了室內(nèi)外顆粒物的傳輸途徑。從圖1可以看出，室外顆粒物會通過通風系統(tǒng)及門窗滲透等途徑進入室內(nèi)，因此研究室內(nèi)外顆粒物污染特征有助于理解和糾正由于穿透行為導致的暴露誤差，提高流行病學研究中大氣顆粒物污染健康風險計算結(jié)果的真實性和準確性，評估固定點位環(huán)境監(jiān)測顆粒物濃度代替人體對室外環(huán)境顆粒物的真實暴露水平的合理性。國內(nèi)外眾多學者開展了相關研究，謝偉[6]研究了機械通風條件下室內(nèi)顆粒物濃度變化特征。但專門針對校園建筑自然通風條件下，室內(nèi)外顆粒物污染特征的研究相對較少。為此，筆者針對西安市某校園內(nèi)高層學生公寓自然通風條件下室內(nèi)外顆粒物污染特征進行了測試與分析。

圖1 室外顆粒物進入室內(nèi)的傳輸途徑[6]Fig.1 The transmission way of outdoor particulate matter come into indoor

1 試驗方案

1.1 試驗儀器

采用美國TSI公司生產(chǎn)的大氣粉塵檢測儀(TSI Model 8531)對PM1.0、PM2.5和PM10濃度進行監(jiān)測，該儀器量程為0.001～400 mgm3，采樣流量為3.0 Lmin。

1.2 測試地點與測試方法

測試建筑物為西安市某校園內(nèi)的一棟高層學生公寓(除正常起居活動以及人員吸煙外，室內(nèi)無做飯等其他明顯的發(fā)塵源)，建筑層高為3 m，共32層，建筑總高97 m。圖2給出測試建筑的平面位置，距城市主干道約60 m，建筑正前方為學?；@球場、排球場以及一條校園道路。測試房間室內(nèi)面積為30 m2，測試期間室內(nèi)人數(shù)為2～4人。該建筑為新建建筑，窗戶為塑鋼中空玻璃窗，氣密性等級為4級。建筑室內(nèi)采用自然通風。

圖2 測試建筑平面位置Fig.2 The plane location map of test construction

對室內(nèi)外的顆粒物濃度進行了測試，測試周期為25 d。每樓層取2個測試點，室外和室內(nèi)各1個。室外測試點位于建筑窗戶外側(cè)，為避免側(cè)面氣流的干擾和外圍護表面的氣流邊界層效應對顆粒物濃度的畸變，測點距外墻1.1 m。室內(nèi)顆粒物濃度的采樣點布置根據(jù)人的呼吸區(qū)高度確定，采樣點高度在1.2～1.5 m，位于房間中央位置。為獲得真實狀況下室內(nèi)顆粒物濃度數(shù)據(jù)，測試期間室內(nèi)人員主要活動為走動及靜坐。

具體測試方法：采用經(jīng)儀器設備商校準的同型號儀器，測試周期內(nèi)同時對不同樓層的每個測點分別測試，采樣時間為50 s，間隔為10 min，測試時間為24 h，所測結(jié)果取平均值，作為該測點室內(nèi)(或室外)顆粒物日均濃度。由于試驗條件限制，將樓層分3組，1～10樓為第1組，11～20樓為第2組，21～30樓為第3組，每組室內(nèi)外同步采樣，依次進行，由于每次采樣時間為50 s，可近似認為每層同步采樣。

2 結(jié)果與討論

2.1 顆粒物濃度日變化特征

圖3和圖4分別為室內(nèi)外顆粒物日均濃度變化。由圖3和圖4可知，對于自然通風房間而言，室內(nèi)外顆粒物濃度變化呈現(xiàn)較好的一致性。從圖3可以看出，室外PM10、PM2.5和PM1.0日均濃度分別為0.117～0.665、0.069～0.617和0.038～0.446 mgm3，其25 d均值分別為0.299、0.259和0.193 mgm3。可見室外PM10濃度長期高于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》二級標準規(guī)定的0.15 mgm3，處于中度污染，25 d均值超標近1倍。

圖3 室外顆粒物濃度隨時間的變化Fig.3 Variation of outdoor particle concentration with time

圖4 室內(nèi)顆粒物濃度隨時間的變化Fig.4 Variation of indoor particle concentration with time

由圖4可知，室內(nèi)PM10、PM2.5和PM1.0日均濃度為0.106～0.717、0.082～0.656和0.052～0.511 mgm3，其25 d均值分別為0.374、0.335和0.271 mgm3?？梢娛覂?nèi)PM10濃度高于GB 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》規(guī)定的0.15 mgm3，且25 d均值超標近1.5倍，室內(nèi)處于中度污染。

2.2 沿樓層高度方向室內(nèi)外顆粒物濃度的分布特征

圖5與圖6分別為沿樓層高度方向室內(nèi)外顆粒物濃度的變化。從圖5可以看出，室外顆粒物濃度沿樓層高度基本呈雙峰分布。室外顆粒物濃度最高峰和次高峰分別出現(xiàn)在10樓和23樓，而17樓與19樓的濃度相對較低。室外PM10、PM2.5和PM1.0濃度分別為0.245～0.820、0.190～0.670和0.150～0.520 mgm3。

圖5 沿樓層高度方向室外顆粒物濃度變化Fig.5 Variation of outdoor particle concentration along the height direction floor

圖6 沿樓層高度方向室內(nèi)顆粒物濃度變化Fig.6 Variation of indoor particle concentration along the height direction floor

從圖6可以看出，室內(nèi)顆粒物濃度最高峰和次高峰分別出現(xiàn)在24樓和12樓，而17樓與20樓的室內(nèi)可吸入顆粒物濃度最低，室內(nèi)PM10、PM2.5和PM1.0濃度分別為0.200～0.780、0.180～0.750和0.150～0.600 mgm3。

試驗表明，室外PM10、PM2.5和PM1.0濃度隨高度的增加基本呈雙峰分布，與穆珍珍等[7-8]的研究結(jié)果相同。但與孔春霞等[9-10]的研究結(jié)果不同，其結(jié)果為室外顆粒物濃度隨高度的增加均呈下降趨勢。這可能是由于區(qū)域地理位置以及室外顆粒物產(chǎn)生源不同引起的，這也表明顆粒物產(chǎn)生與擴散過程的復雜性。

圖7和圖8分別為室內(nèi)外細顆粒物占PM10比例的變化。從圖7和圖8可以看出，室內(nèi)外PM2.5約占PM10的90%，PM1.0約占PM10的70%。由于室外顆粒物源更為復雜，室外細顆粒物占PM10比例的波動程度大于室內(nèi)。

圖7 沿樓層高度方向細顆粒物占PM10比例Fig.7 The proportion of fine particles in PM10along the height direction floor

圖8 細顆粒物占PM10比例隨時間的變化Fig.8 The changes of the proportion of fine particles in PM10 with time

圖9 室內(nèi)外顆粒物濃度比值(IO)隨時間的變化Fig.9 Variation of indoor and outdoor particle concentration ratio(IO) with time

圖10 沿樓層高度方向室內(nèi)外顆粒物濃度 比值(IO)的變化Fig.10 Variation of indoor and outdoor particle concentration ratio(IO) with high-level

張帆等[11]的研究結(jié)果表明，在無任何室內(nèi)源的條件下，PM10室內(nèi)外平均濃度比小于1；張振江等[12]指出PM10在非采暖季和采暖季的室內(nèi)外濃度比分別為0.14～3.22和0.10～3.70，變化非常大；Monn等[13-14]指出，IO為0.7～1.2；Funasaka等[15]研究結(jié)果表明，IO為0.62～0.96；Spengler等[16]指出PM2.5以下顆粒物的IO基本上保持一致?？梢?，由于建筑類型及所處地理環(huán)境的差異導致研究結(jié)論有所不同。

近年來，許多學者對歐美各國的建筑室內(nèi)外顆粒物之間的關系作了大量測試研究。Chen等[17]的統(tǒng)計結(jié)果表明，在波蒂奇和斯托本威爾PM2.5的IO分別為3.36和2.33；在印第安納波利斯為3.07；在美國的7個城市為1.67～2.5；在奧內(nèi)達加和薩福克分別為2.13和2.18。造成上述現(xiàn)象的主要原因是室內(nèi)存在明顯污染源，而在沒有明顯室內(nèi)污染源的情況下，PM2.5和PM10的IO通常小于1。

Thatcher等[18]研究得出，細顆粒物的IO要大于粗顆粒物，與本研究結(jié)果一致。造成上述現(xiàn)象的原因主要是在室外顆粒物進入室內(nèi)的過程中，粗顆粒物比細顆粒物更容易沉降，同時細顆粒物又比粗顆粒物更容易穿透，且抽煙等室內(nèi)污染過程產(chǎn)生的主要是細顆粒物。

以上分析表明，室內(nèi)的細顆粒物污染比室外嚴重，在室內(nèi)凈化設計中更應得到加強。

2.4 室內(nèi)外顆粒物濃度的相關性

在研究室內(nèi)外顆粒物濃度的關系時，經(jīng)常采用線性擬合的方法。圖11～圖13分別為PM1.0、PM2.5和PM10室內(nèi)外濃度的線性擬合關系。從圖11～圖13可以看出，PM1.0、PM2.5和PM10濃度的室內(nèi)外擬合方程線性相關系數(shù)為RPM2.5>RPM1.0>RPM10，其中PM2.5的室內(nèi)外濃度相關性最強。這說明室內(nèi)PM2.5濃度受室外影響最大。

圖11 室內(nèi)PM1.0濃度隨室外濃度變化Fig.11 Variation of PM1.0 of indoor concentration with outdoor concentration

圖12 PM2.5室內(nèi)濃度隨室外濃度變化Fig.12 Variation of PM2.5of indoor concentration with outdoor concentration

圖13 PM10室內(nèi)濃度隨室外濃度變化Fig.13 Variation of PM10 of indoor concentration with outdoor concentration

3 結(jié)論

(1)室外PM10濃度高于GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》要求，室內(nèi)PM10濃度高于GBT 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》要求，室內(nèi)外長期處于中度污染，且細顆粒物占PM10的主要部分，室內(nèi)外顆粒物濃度變化呈現(xiàn)較好的一致性。

(2)室內(nèi)外顆粒物濃度沿樓層高度方向基本呈雙峰分布。

(4)室內(nèi)外顆粒物濃度存在一定的線性相關性，室內(nèi)PM2.5濃度受室外濃度影響大于PM1.0和PM10。

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Pollution Characteristics of Indoor and Outdoor Particulate of Buildings

ZHAO Xiangwei1,2, FAN Yuesheng1, SI Pengfei1， ZHAO Shangwen2, GOU Zhenzhi2,3

1.Xi′an University of Architecture and Technology, Xi′an 710055, China 2.Troops No.96421, Baoji 721012, China 3.Rocket Force Engineering University, Xi′an 710025, China

In order to understand the indoor and outdoor pollution situation of high-rise apartment buildings, the indoor and outdoor particulate matter concentrations of one apartment building nearby the road in Xi′an city under natural ventilation were simultaneously tested. The results show that the indoor and outdoor particulate matter pollution is serious and fine particles accounts for the main part of inhalable particles. The changes of indoor and outdoor concentrations present good consistency, the fluctuations of percentage of fine particles in outdoor PM10are greater than indoor, and the particulate matter concentrations along the height direction of the building exhibit bimodal distribution. In the absence of clear indoor pollution sources, the IO ratio of PM2.5and PM10is usually less than 1, while the IO ratio of PM2.5and PM10is greater than 1 if there are obvious pollution sources in indoor. The IO ratio decreases as the size of particles increases. There is a certain linear relationship between the concentrations of indoor and outdoor particles and, for high-rise apartment buildings near the road, the indoor PM2.5concentration is effected by the outdoor concentration more than PM1.0and PM10.

high-rise buildings; particulate matter pollution; IO; PM10; PM2.5

2015-10-09

中國博士后面上項目(20090461287)

趙向偉(1977—)，工程師，碩士，主要從事通風除塵技術研究，964444784@qq.com

X513

1674-991X(2016)03-0223-06

10.3969j.issn.1674-991X.2016.03.034