周巖譚洪衛(wèi),2,3* 趙雨
1同濟大學機械與能源工程學院
2同濟大學綠色建筑與新能源研究中心
3同濟大學聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學院
2016年,上海細顆粒物年平均質(zhì)量濃度為45 μg/m3,雖相對去年降低了16.7%,但是仍然超出了世界衛(wèi)生組織規(guī)定的空氣質(zhì)量標準[1]。細顆粒物也稱為PM2.5,因其對重金屬以及氣態(tài)污染物有明顯的富集作用,同時還可成為病毒和細菌的載體,對人體健康會產(chǎn)生極大危害[2]。以往的研究表明,室內(nèi)環(huán)境空氣品質(zhì)受到大氣PM2.5污染的直接影響。對于自然通風的住宅,人們會視季節(jié)不同通過開窗來改善室內(nèi)空氣品質(zhì),尤其是春秋兩季。而國內(nèi)對于居民開窗行為規(guī)律的研究極其匱乏[3],因此建立住戶開窗行為規(guī)律及其與開窗對室內(nèi)顆粒物濃度的影響研究是十分有必要的。
目前,我國建立了較為完善的室外大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),但缺乏對室內(nèi)基礎數(shù)據(jù)的監(jiān)測,尤其是對住宅室內(nèi)外顆粒物環(huán)境進行監(jiān)測的研究較少[4]。本文以上海地區(qū)一典型住戶為例,長期監(jiān)測住戶室內(nèi)PM2.5濃度及溫濕度,同時監(jiān)測住戶的開關窗行為。調(diào)查居住建筑室內(nèi)在自然通風狀態(tài)下PM2.5質(zhì)量濃度水平,分析開關窗對PM2.5質(zhì)量濃度的影響。
實測住宅位于上海市虹口區(qū),其附近的監(jiān)測站為上海-虹口站。三口之家,夫婦二人工作日上班,工作日的白天老人來家中看管小孩。
實測時間為2016年12月24日-2017年11月31日,SDM云測儀安裝在主臥室,門窗傳感器貼在主臥室朝南的窗戶上,進行連續(xù)24小時監(jiān)測。實測住宅的戶型圖如圖1所示,其中圓圈內(nèi)表示的窗戶和臥室即為監(jiān)測窗戶和房間。
圖1 實測住宅戶型圖
SDM805云測儀集成了PM2.5濃度傳感器和溫濕度傳感器,儀器基本參數(shù)詳見表1。為了確保激光PM2.5傳感器的準確度,在測試進行之前,將傳感器放到國控站的楊浦四漂監(jiān)測點做固定校核工作,根據(jù)校核結果對傳感器的測試結果進行修正。圖2為持續(xù)24 h的監(jiān)測對比結果,測量結果與當日四漂監(jiān)測站的數(shù)據(jù)對比。由對比結果可知車載傳感器與國控站的數(shù)據(jù)基本吻合,二者做線性擬合,相關系數(shù)為0.8273,儀器精度可以保證。開窗行為的監(jiān)測采用小米傳感器,該傳感器能夠實時感知門窗開關狀態(tài),同樣能和智能設備連接,實現(xiàn)了數(shù)據(jù)無線傳輸功能。
表1 傳感器測試參數(shù)情況
圖2 固定監(jiān)測對比測試結果
圖3為不同季節(jié)的開窗情況統(tǒng)計。實測住宅冬季(12月、1~2月)的開窗時間與關窗時間集中在8:00左右,偶爾出現(xiàn)在17:00左右時開關窗,但是大部分開窗時長均低于1 h。冬季室外氣溫較低,導致住戶僅開窗換氣,并未長期保持開窗狀態(tài)。春季(3~5月)開窗時間仍然集中在8:00左右,而關窗時間慢慢由8:00-10:00轉變?yōu)?2:00左右,春季住戶開窗的時長增加,多次出現(xiàn)開窗時長大于2 h的情況。夏季(6~8月)和秋季(9~11月)開窗時間均集中在8:00和16:00兩個時刻,關窗時間也集中在12:00和18:00,開窗時長大部分超出 1 h,介于1~4 h之間。
圖3 不同季節(jié)的開窗情況統(tǒng)計
圖4展示了實測住戶在冬、春、夏、秋四個季節(jié)的開窗時長,可知四個季節(jié)每次開窗戶時長的平均值分別為0.7,2.3,2.7和2.5 h。其中冬季開窗時長最低,而夏季開窗時長最高,春、秋兩季略低于夏季。
圖3中春季開窗時長有所增加,而圖5展示了開窗時長與室外溫度的關系,可知,當室外溫度高于11℃且不再降低的時候,開窗時長開始多次出現(xiàn)大于2 h的狀況。
圖4 開窗時長情況統(tǒng)計
圖5 開窗時長與溫度的關系
2016年,上海細顆粒物年平均質(zhì)量濃度為45 μg/m3,相對去年降低了16.7%??梢娛彝獯髿庵械募氼w粒物的污染水平相對降低。表2為冬、春、夏、秋四季室外虹口監(jiān)測站所監(jiān)測的不同空氣質(zhì)量狀況所占的天數(shù)比例。由表2可知,2016年12月24日-2017年11月31日期間虹口區(qū)均未出現(xiàn)重度污染的天氣狀況,只有冬季出現(xiàn)中度污染天氣狀況。其中夏、秋兩季季優(yōu)良天氣高達96.3%和97.7%,極少出現(xiàn)污染情況。而冬季出現(xiàn)污染的天氣占比為14.5%,可見冬季污染現(xiàn)象較為嚴重。
表2 不同空氣質(zhì)量狀況的天數(shù)比例
PM2.5的日變化呈現(xiàn)雙峰型特征,通常兩個高峰值分別出現(xiàn)在早晚上下班車流量高峰時間段。由于早晚上下班高峰時段道路交通車流量較大,人員活動密集,造成PM2.5等顆粒污染物排放量大,PM2.5監(jiān)測值容易在此時段出現(xiàn)峰值[5]。但不同季節(jié)不同區(qū)域日變化特征中出現(xiàn)峰值的時間段可能有所不同[6]。楊維等人采集了北京城區(qū)2008年至2012年PM2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)PM2.5在夜間至凌晨這段時間濃度最高[7]。而趙金鐲等人在上海市PM2.5調(diào)查報告中發(fā)現(xiàn),上海地區(qū)PM2.5容易出現(xiàn)峰值的時間段為早晨[8]。
圖6展示了冬春兩季室內(nèi)和室外PM2.5質(zhì)量濃度的時刻平均值及IO比的平均值。觀察逐時變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn),虹口監(jiān)測站附近的PM2.5質(zhì)量濃度,冬季在9:00左右出現(xiàn)峰值,而春季未出現(xiàn)明顯峰值。對于室內(nèi)PM2.5濃度的日變化規(guī)律,無論冬季還是春季均出現(xiàn)雙峰特性,認為是由于室內(nèi)做飯產(chǎn)生的油煙對室內(nèi)PM2.5濃度的影響所造成。另外IO比的峰值特征顯示,冬季在傍晚17:00左右出現(xiàn)峰值,而春季在12:00和18:00左右出現(xiàn)兩次峰值,因此可以建議住戶在對應時間段內(nèi)開窗,能更有效地散發(fā)室內(nèi)污染源。
圖6 室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度及IO比變化規(guī)律(夏季缺失偶數(shù)時刻的室外數(shù)據(jù))
由于冬季出現(xiàn)污染天氣較多,因此以冬季數(shù)據(jù)為例,選取典型狀況分析開窗對室內(nèi)PM2.5濃度的影響。圖7即為開關窗前后室內(nèi)外PM2.5濃度的曲線圖。由圖7可知:開窗之前,室內(nèi)PM2.5濃度遠遠低于室外濃度時,開窗將使室內(nèi)PM2.5濃度升高,并逐漸接近室外濃度。開窗之前,室內(nèi)PM2.5濃度保持升高/下降的趨勢或是室內(nèi)外濃度相差不大的情況下,開關窗戶對室內(nèi)PM2.5濃度幾乎無影響。
圖7 開窗對室內(nèi)PM2.5濃度的影響
本文以上海市一典型住戶為例,通過長期監(jiān)測該住戶的室內(nèi)PM2.5濃度及溫濕度以及住戶開關窗行為,調(diào)查了居住建筑室內(nèi)在自然通風狀態(tài)下PM2.5質(zhì)量濃度水平,并分析了開關窗對PM2.5質(zhì)量濃度的影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)以下幾點結論。
1)住戶在冬季及春季前期開窗時間集中在8:00左右,且開窗時長低于1 h,當室外溫度持續(xù)高于11℃左右時,住戶一天內(nèi)開窗次數(shù)增多,開窗時間集中在8:00和16:00左右,而開窗時長也相應增加為1~4 h。
2)做飯的影響導致住戶室內(nèi)PM2.5日變化規(guī)律呈現(xiàn)雙/三峰特性,而對于室外逐時變化規(guī)律,冬季呈現(xiàn)單峰,出現(xiàn)在9:00左右,春季峰值不明顯。
3)開窗之前,室內(nèi)PM2.5濃度遠遠低于室外濃度時,開窗將使室內(nèi)PM2.5濃度升高,并逐漸接近室外濃度。開窗之前,室內(nèi)PM2.5濃度保持升高/下降的趨勢或是室內(nèi)外濃度相差不大的情況下,開關窗戶對室內(nèi)PM2.5濃度幾乎無影響。
由于開窗對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響因素眾多,包括建筑所處的位置,樓層高度,室外氣象條件等,本文僅單純分析了開關窗引起的室內(nèi)PM2.5濃度的變化。關于不同開窗效果及開窗習慣所帶來的不同室內(nèi)空氣質(zhì)量水平還有待后續(xù)做進一步研究。
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