上海地區冬季住宅室內外顆粒物濃度的相關性

高 軍，房艷兵，江暢興，徐 斌，宋天珩，曹昌盛

（1.同濟大學a.機械與能源工程學院；b.環境科學與工程學院，上海 201804；2.上海市楊浦區環境監測站，上海 200093）

上海地區冬季住宅室內外顆粒物濃度的相關性

高 軍1a，房艷兵1a，江暢興2，徐 斌1b，宋天珩1a，曹昌盛1a

（1.同濟大學a.機械與能源工程學院；b.環境科學與工程學院，上海 201804；2.上海市楊浦區環境監測站，上海 200093）

對上海市某住宅建筑室內外PM10、PM2.5、PM1的濃度進行了測量，研究了最小通風量（外門窗關閉）條件下3種天氣時顆粒濃度隨時間變化的規律以及相關性，分析了顆粒物濃度與環境溫濕度參數之間的關系。研究結果顯示，測試期間，室內外空氣中細顆粒（PM 2.5）占可吸入顆粒（PM 10）濃度比例分別達65%和87%以上；無明顯室內源時，I／O比值小于1且隨粒徑減小而減小；室內外顆粒濃度相關性與粒徑大小有關系，PM1、PM2.5的濃度相關性大于PM10。研究還表明，顆粒物濃度的關聯性與天氣狀況有關系，多云、雨天和陰天時濃度關聯性有顯著差別；顆粒物的濃度受到室內外溫濕度的影響，且受天氣狀況影響而呈現復雜性。

住宅建筑；空氣污染；顆粒物；溫濕度；相關性

流行病學研究表明，人體死亡率和發病率的增長與顆粒物（Particulate Matter，PM）暴露有顯著性關系［1－4］。室外顆粒物可通過通風和滲透的方式進入室內［5－7］，使得室內外顆粒物存在相關性。現代社會中，人們有大約90%的時間在室內度過［8］，室內空氣品質越來越受到關注，研究顆粒物室內外相關性成為近年來暴露研究的重點，不僅可以評估室內外顆粒物的濃度水平，還可以反映影響室內顆粒濃度變化的來源。

目前，雖然一些學者對顆粒物的室內外相關性研究進行了研究［5，9－11］，但針對顆粒物濃度與天氣條件關系的研究則較少。上海是一個人口稠密的城市，其氣候、建筑結構等都有自己的特點，因此有必要對該地室內外顆粒物濃度的關聯性及其與天氣條件的關系進行研究，了解人體在室內外顆粒物中的暴露情況。

筆者對無明顯室內污染源條件下的某住宅室內外顆粒物濃度的關系進行了研究，并針對不同天氣類型對顆粒物關聯性的影響進行了分析。

1 實驗方法

實驗采用入戶采樣監測的方式，在2012年12月份對上海市某住宅進行了測試。該住宅位于一棟6層建筑的6樓，除衛生間外，其余房間均有一個面向室外的窗戶。建筑周圍沒有明顯污染源，且在建筑周圍存在綠色植物區域。測試時室內僅有1人（測試者）且人員活動量較小。測試過程中，室內空調關閉，無采暖，同時住宅外門窗緊閉，只有通過門窗縫隙進行的自然通風。該實驗主要研究室內外顆粒物的關聯性，因此在測試前一周，廚房停止使用，保證無油煙污染，同時室內也無吸煙現象以及任何形式的衛生打掃。

采樣點布置根據人體呼吸區高度確定，測點高度為1.5 m，根據測點布置原則，分別在客廳、主臥室、次臥室各布置一個測點，廚房和衛生間不進行測試并關閉門窗（減小干擾因素）。室外測點布置在同一高度的陽臺上，距離建筑外墻約1 m。

研究的顆粒物對象為PM10、PM2.5和PM1。測試時，采用美國TSI公司生產的8534型Dust-TrakTMDRX氣溶膠監測儀，該儀器可以同時監測PM1、PM2.5、呼吸性顆粒物（PM4）、PM10和總PM（＜15μm）等濃度，并可測量瞬時值和平均值，其測量范圍為0.001～150 mg／m3，精度為±0.1%或±0.001 mg／m3。溫度和相對濕度的測量采用國產WSZY-1型溫濕度自記儀，其溫度測量精度為±0.1℃，濕度為±0.1%RH。

采樣時間安排在8：30—18：30，每15 min記錄一次數據，單次采樣時間為2 min，取平均值作為該時刻采樣點的顆粒物濃度。

2 實驗結果與分析

實驗測試安排在2012年12月份。在實驗測試時間內室外風速均為東南風3～4級。房間的換氣次數在0.4～1.0 h－1之間（實驗在房間門窗全部關閉的情況下進行，在測量換氣次數時，示蹤氣體濃度衰減較慢，不易測出，因此采用軟件模擬計算值作為參考估計值）。選取其中3個典型天分析，天氣分別為晴到多云（D1）、小雨（D2）、陰天并伴有霧（D3）。采樣所處室外環境的溫濕度變化范圍如表1所示。

表1 室外溫濕度變化值

2.1 室內外顆粒物濃度隨時間變化的關系

從圖1可以看出，在同一測試條件下，室內客廳、主臥室、次臥室內PM1、PM2.5、PM10的對應均值濃度差異較小，處于同一水平。原因可能是室內房門開啟，空氣可以自由流通，造成各房間顆粒物進行了有效的混合。但是雨天室內顆粒物的濃度值與多云和陰天（有霧）天氣相差較大。

圖1 室內不同房間顆粒物濃度

從圖1也可以看出室內PM1、PM2.5的均值濃度接近于PM10的濃度。表2給出了更直觀的數據。室內細粒子（PM2.5）在可吸入粒子（PM10）中占有的比重較大，最大達到87%，最小為65%。而室外細粒子所占的比重更大（大于87%）。因此，可以認為室內外空氣中的顆粒物主要是細顆粒。

表2 室內外顆粒物濃度的平均比值

圖2為室內外顆粒物濃度隨時間變化的情況。從圖2可以看出，在同一測試條件下，室內各房間之間的顆粒物濃度逐時變化規律一致，并且室內或室外同一時刻PM1、PM2.5、PM10也呈一致性變化。

圖2 室內外顆粒物濃度隨時間變化情況

對比圖2中（a）、（b）、（c）3圖可以發現，小雨天氣的室內外顆粒物濃度明顯低于多云和陰天（有霧）。這是因為小雨對室外顆粒物的沉降過程起到促進作用［12－14］，對室外空氣有一定的凈化能力。受室外濃度影響，在無明顯室內源的情況下，室內顆粒物濃度也較低。而陰天有霧時，會導致室外顆粒濃度升高［15］，同時這些顆粒又通過圍護結構縫隙進入室內，導致室內濃度升高。

總體上看，3種天氣條件下，室外顆粒物的濃度均大于室內。但是，不同天氣條件下，室內外顆粒物的濃度不呈規律性變化。多云天氣室內濃度早晚較高。小雨天氣室內顆粒物濃度呈現緩慢下降趨勢，陰天（有霧）時室內濃度呈現緩慢上升趨勢。

現行標準《室內空氣質量標準》（GB／T 18883—2002）中規定的室內可吸入顆粒物（PM10）日平均最高容許濃度0.15 mg／m3，《環境空氣質量標準》（GB 3095—2012）中規定的PM2.5日均濃度限值0.075 mg／m3。從圖2中可以看出，3種天氣下室內PM10濃度絕大多數時刻低于限值。而室內PM2.5濃度卻超過限值，除小雨天外。

2.2 室內外顆粒物濃度相關性及天氣因素影響

為了解室內外顆粒物濃度的關系，利用線性擬合的方法研究其相關性。由于室內各房間之間顆粒物濃度的變化規律的一致性，且數值差異較小，故只討論室內主臥室顆粒物濃度與室外的關系，見圖3。

圖3 室內外顆粒物濃度關系的回歸分析

從圖3可以看出，線性擬合曲線位于I／O比等于1的直線下方，表明室內外顆粒物平均I／O比小于1，按圖所列順序其I／O比計算結果分別為：0.848±0.113、0.779±0.103、0.778±0. 103；0.900±0.131、0.658±0.085、0.654±0. 083；0.606±0.093、0.546±0.098、0.541±0.099。I／O 比值隨粒徑的減小而減小，這與文獻［10］的研究結果相反。圖3也顯示了室內外空氣中PM1和PM2.5的相關性均大于PM10，這與文獻［16］中的報道相一致。并且，多云天氣的室內外相關性顯著（R＝0.867 7、0.870 7、0.869 8），陰天（有霧）次之（R＝0.543 0、0.543 1、0.543 6），雨天相關性最差（R＝0.312 4、0.384 0、0.397 4）。

圖2（a）和圖3（a）表明，在多云天氣時，室外顆粒濃度直接決定了室內顆粒濃度，在室外濃度出現變化時，室內濃度也呈現相應的變化狀態，無明顯時間延遲現象。而觀察圖2和圖3中的（b）、（c）圖，卻無類似情況。這可能是因為在小雨天和陰天的天氣條件下，室內顆粒濃度一部分受到室外影響，同時也受到室內粗顆粒的影響。因此，可以認為天氣條件是影響室內外顆粒物相關性的重要因素之一。

2.3 顆粒物濃度與溫濕度的關系

為了解顆粒物濃度與溫濕度間存在的關系，現利用SPSS軟件對其進行相關性分析（以PM10為例）。

表3 PM10濃度與溫濕度關系

從表3可以看出，多云和陰天天氣條件下，室內外顆粒物濃度均與其所處環境溫濕度有顯著性關系（P＜0.05），且為正相關性（R＞0）。雨天時仍存在一定關系，但是整體上這種關系不顯著（P＞0.05），可能是雨天雨水等復雜性因素所導致。

3 結論

研究了住宅建筑冬季室內外顆粒物濃度的關聯性及其與天氣條件的關系。針對人們冬季的生活習慣，只討論了最小通風量情況下的顆粒物濃度關系。得到如下結論：

1）在緊閉外門窗的條件下，室內不同房間同種顆粒物濃度隨時間變化規律一致，且濃度均值基本相同，同一房間不同粒徑顆粒也表現出此特征。

2）無明顯室內污染源時，室內顆粒物濃度絕大多數時刻小于室外顆粒濃度，平均I／O比值小于1，且I／O比值隨粒徑的減小而減小。大氣顆粒I／O比總體處于0.5～0.9范圍內。

3）不同天氣條件下，室內外顆粒物的關聯性呈現明顯差別，文中相關性排序為：D1＞D3＞D2。在同一天氣條件下，顆粒物向室內輸運過程中，細顆粒物的穿透性較強，PM1、PM2.5的關聯性大于PM10。

4）室內外顆粒物濃度受到溫度和濕度的顯著性影響，雨天除外。雨天也存在一定關聯性，但是整體不顯著。

由于顆粒物濃度的I／O比受到大量因素制約而存在差異性，即使對于同一地區的不同建筑、不同地理位置或者不同的社會經濟區域的居住建筑都存在不同，因此該課題有待更深入的研究。對于室內外顆粒物關聯性的物理層面的分析以及不同建筑形式的影響是下一步研究工作的重點。

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（編輯 胡英奎）

Relationship between Indoor and Outdoor Particulate Matter Concentrations in a Residential Building in Winter of Shanghai

Gao Jun1a，Fang Yanbing1a，Jiang Changxing2，Xu Bin1b，Song Tianheng1a，Cao Changsheng1a
（1a.School of Mechanical Engineering；
1b.College of Environmental Science and Engineering，Tongji University，Shanghai 201804，P.R.China；2.Environmental Monitoring Station，Yangpu District，Shanghai 200093，P.R.China）

In this study，the concentrations of PM10，PM2.5 and PM1 in a residential building in Shanghai were measured under minimum ventilation rate（external doors and windows closed），and the relationship between the indoor and outdoor PM concentrations（I／O ratio）and the influence of temperature and relative humidity were analyzed as well.Results showed that，the percentages of the concentrations of fine particles（PM2.5）of the indoor and outdoor air were 65%and 87%of the inhalable particulate（PM10）concentration during the test respectively.The I／O ratio was less than 1 without significant indoor sources.Meanwhile，the figure decreased as the size of particles decreased.Results also indicated that，the correlation between indoor and outdoor PM concentrations，PM1 and PM2.5 were more obvious than PM10，and the correlations showed obvious differences according to the weather conditions.The PM concentration was influenced by temperature and relative humidity，which was presented to be complex when affected by weather conditions.

residential building；air pollution；particulate matter；temperature and relative humidity；correlation

TU834.6

A

1674-4764（2014）02-0110-05

10.11835／j.issn.1674-4764.2014.02.017

2013-05-27

上海市科委青年科技啟明星計劃（11QA1406800）

高 軍（1977-），男，副教授，博士，主要從事建筑環境與室內空氣品質研究，（E-mail）gaojun-hvac＠tongji.edu.cn。