室內PM2.5沉降的研究與控制*

于 丹 李 冉 張 雪 劉紫祺

(北京建筑大學環境與能源工程學院，北京 100044)

近年來霧霾天氣頻發，細顆粒物(PM2.5)已經成為影響大氣環境質量的首要污染物。長期暴露在PM2.5污染環境中會對人體的呼吸系統、心腦血管系統、神經系統及免疫系統造成嚴重傷害。據報道，大氣中PM2.5質量濃度每上升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]。人類大部分時間在室內度過，因此室內污染對人體健康的影響比室外污染更加嚴重。現有研究證實，當室內存在吸煙行為時，室內環境中的PM2.5濃度會顯著增加。在辦公類建筑環境中，香煙煙塵在PM2.5中所占比例為50%(質量分數，下同)～80%，在會議室和休息室中，該比例高達80%～90%[2-3]。我國政府已密切關注吸煙對人體健康和環境的嚴重危害，北京市于2015年6月1日起全面實施《北京市控制吸煙條例》，該條例明確規定所有公共場所、工作場所室內區域及公共交通工具內禁止吸煙。

本研究以燃煙為室內污染源，對不同污染程度下室內PM2.5濃度進行動態監測，得到PM2.5的沉降規律，確定PM2.5的沉降模型，并給出了自然通風措施對降低室內PM2.5污染的效果，為室內PM2.5污染控制研究提供必要的參考。

1 室內污染源對PM2.5濃度的影響

本研究選取一棟多層辦公建筑房間為測試場所，房間長3.0 m，寬4.0 m，高3.0 m。為研究室內污染源對PM2.5濃度的影響，測試期間房間門窗全部封閉，以避免室外空氣環境對室內的影響。測試房間未安裝空氣凈化裝置，燃煙點高度1.5 m，PM2.5測試高度1.0 m，測試位置為房間正中。測試儀器為TSI 8533型DustTrak氣粉塵測定儀，采樣流量設置為3 L/min，每6 min采集1次數據。為避免采樣產生的氣流對測試數據的影響，在設備排氣口安裝長管，將排氣遠離采集口。

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

燃煙量PM2.5質量濃度/(μg·m-3)初始值最高值穩定值沉降時間/h1支煙731090737.02支煙220195022216.03支煙122290012536.5

對不同燃煙量下室內PM2.5濃度變化進行動態監測，測試結果如圖1所示。由測試曲線可以看出，燃煙量不同的情況下，室內PM2.5濃度均在燃煙后瞬間達到最大值，隨著測試時間的延長，室內PM2.5濃度逐漸下降并達到穩定值，最后恢復至室內PM2.5初始濃度。根據北京市實時空氣質量發布平臺對PM2.5等級的分類評價標準，PM2.5質量濃度為0～35 μg/m3時，空氣質量等級為優；PM2.5質量濃度為35～75μg/m3時，空氣質量等級為良；PM2.5質量濃度為75～115 μg/m3時，空氣質量等級為輕度污染；PM2.5質量濃度為115～150 μg/m3時，空氣質量等級為中度污染；PM2.5質量濃度為150～250 μg/m3時，空氣質量等級為重度污染；PM2.5質量濃度≥250 μg/m3時，空氣質量等級為嚴重污染。

對室內PM2.5濃度數據及沉降時間進行統計，結果見表1。結合圖1、表1可知，1支煙燃燒后室內PM2.5最高達1 090 μg/m3，屬于嚴重污染，7.0 h后PM2.5恢復到室內初始值73 μg/m3，空氣質量等級屬于良。2支煙燃燒后室內PM2.5最高值達1 950 μg/m3，7.0 h后室內PM2.5質量濃度降為551 μg/m3，屬于嚴重污染，16.0 h后PM2.5基本恢復到室內初始值，但空氣質量等級仍為重度污染。3支煙燃燒所產生的PM2.5最高值為2 900 μg/m3，屬于嚴重污染，24.0 h后室內PM2.5仍在250 μg/m3以上，36.5 h后室內PM2.5基本穩定在125 μg/m3，空氣質量等級為中度污染。可見，隨著燃煙量的增加，室內PM2.5濃度也相應升高，恢復到PM2.5初始值所需的沉降時間越長，說明污染源對室內PM2.5濃度及沉降時間均有顯著影響。值得說明的是，3次測量室內初始PM2.5濃度存在較大差異，分析原因，可能與3次實驗測定日期不同，室外空氣環境相差較大，影響了室內本底PM2.5濃度。

2 室內PM2.5沉降規律研究

為進一步研究室內PM2.5的沉降規律，在相同辦公建筑的同一房間內進行了3次測試，測試期間仍保持房間門窗全部封閉，燃煙量均為1支煙，測試結果分別標記為A1、A2、A3，3次測試均以PM2.5濃度達到最高時的時間為沉降起始時間，測試結果如圖2所示。由圖2可見，3次測試PM2.5的沉降曲線趨向一致，燃煙釋放完全后室內PM2.5質量濃度達到最大值，分別為1 120、1 330、1 090 μg/m3，隨著室內PM2.5逐漸沉降，約7.0 h后達到穩定狀態，此時PM2.5質量濃度穩定在室內起始濃度，分別為78、42、73 μg/m3，與測試當日室外PM2.5濃度相近。

圖2 室內PM2.5沉降規律曲線Fig.2 Settlement curves of indoor PM2.5

對3條沉降曲線進行回歸擬合，結果如式(1)所示。可以看出，室內PM2.5濃度隨沉降時間呈指數形式變化，隨著沉降時間的增加，室內PM2.5濃度逐漸降低，最終達到穩定狀態。利用SPSS軟件對式(1)進行方差分析，得出回歸方程R2為0.969>0.75，置信區間為95%時對應F值為4.01，擬合方程F值為6 649.547，遠大于4.01，且凈確定偏差為1.67×10-159%，遠小于0.005%，說明回歸方程擬合結果較好。

y=810.9e-0.37t

(1)

式中：y為室內PM2.5質量濃度，μg/m3；t為PM2.5的沉降時間，h。

3 室內顆粒物沉降模型

顆粒物沉降是影響室內PM2.5濃度變化的重要因素[4-5]，但目前有關顆粒物沉降模型的研究相對較少。現有關于室內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、視質量力、薩夫曼升力以及布朗力，這些外力與流場條件和顆粒物屬性有關。隨著顆粒屬性以及流場特征的不同，其受力的大小也不同。從宏觀上來看，室內顆粒物濃度變化主要取決于室外顆粒物通過門窗等縫隙進入室內量、離開室內的顆粒物量、通過空氣過濾器等去除的顆粒物量以及顆粒物在室內的發塵量，可以通過質量平衡模型對顆粒物沉降過程進行描述[6-9]。

實際建筑由于受到室外顆粒物和室內氣流的影響，很難將顆粒物的穿透率和室內的沉降率區分開來獨立研究，也無法了解室內空氣環境中顆粒物的沉降規律。本研究在質量平衡模型的基礎上，建立了封閉條件下室內顆粒物的沉降模型。

圖3 室內PM2.5沉降模型與實驗數據對比Fig.3 The model curve and the experimental data of indoor PM2.5 settlement

當只有室內污染源時，室內顆粒物沉降模型可簡化為：

(2)

式中：cI為室內顆粒物質量濃度，μg/m3；V為房間容積，m3；G為單位時間內污染源散發的顆粒物質量，μg/h；νd為顆粒物沉降速度，m/h；A為房間表面積，m2。

對式(2)進行積分求解，可得顆粒物質量濃度隨沉降時間的變化模型：

(3)

依據上述顆粒物沉降模型，可以得到不同燃煙量下室內PM2.5濃度沉降曲線，如圖3所示。對比實驗數據，3種燃煙量下沉降模型與實驗數據均表現出一致的變化規律，說明利用該沉降模型預測室內PM2.5沉降是合理可靠的。

4 室內PM2.5污染的通風控制措施

自然通風是目前住宅建筑主要的通風方式，現有研究已經證實，自然通風會對室內顆粒物的濃度產生較大影響。為研究自然通風對室內PM2.5污染的影響程度，于2015年3月在開窗通風的情況下測試1支煙燃燒后室內PM2.5濃度變化，結果見圖4。

圖4 自然通風措施對室內PM2.5污染的影響Fig.4 The effect of natural ventilation on indoor PM2.5 pollution

由圖4可見，燃煙后室內PM2.5濃度在短時間內迅速上升，但最高值僅為128 μg/m3，遠遠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PM2.5濃度趨于穩定，與室外濃度基本一致。說明自然通風措施可以有效降低室內PM2.5濃度，加快顆粒物的擴散和沉降。

值得一提的是，測試當天室外空氣質量較好，室外PM2.5為4 μg/m3。如果室外空氣質量不好，屬于重度污染的霧霾天氣，開窗通風會把室外的顆粒物污染引入室內，反而造成室內污染。因此，當室內存在嚴重污染源且室外空氣質量優良時，自然通風是最直接、經濟和有效的控制措施。

5 結 論

以燃煙為室內污染源，對室內不同污染程度下空氣PM2.5濃度變化及沉降規律進行了實驗研究和理論研究，討論了自然通風措施對降低室內PM2.5污染的效果，得出了以下結論：

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

(2) 對室內PM2.5沉降規律進行了理論研究，發現室內PM2.5濃度隨沉降時間呈指數形式變化。

(3) 基于質量平衡原理，建立了封閉條件下室內顆粒物的沉降模型，經對比，沉降模型與實驗數據的變化規律一致，說明構建的沉降模型合理可靠。

(4) 在室外空氣質量優良時，自然通風使室內PM2.5濃度明顯降低，開窗通風能夠有效加快室內PM2.5的擴散及沉降。

[1] POPE I A,BURNETT R T,THUN M J,et al.Lung cancer,cardiopulmonary mortality,and long-term exposure to fine particulate air pollution[J].American Medicine Association,2002,287(9):1132-1141.

[2] SPENGLER J D，TREITMAN R D,TOSTESON T D.Personal exposure to respirable particulates and implications for air pollution epidemiology[J].Environment Science and Technology,1985,19(8):700-707.

[3] 日本空氣清凈協會．空氣凈化技術手冊[M].許明鎬,譯.北京：電子工業出版社，1985．

[4] RILEY W J,MCKONE T E,LAI A C,et al.Indoor particulate matter of outdoor origin: importance of size-dependent removal mechanisms[J].Environmental Science & Technology,2002,36(2):200-207.

[5] NAZAROFF W W.Indoor particle dynamics[J].Indoor Air,2004,14(S7):175-183.

[6] 劉學艷．室內環境中的大氣懸浮顆粒物粒度分布的預測模擬研究[D].長沙：湖南大學，2005．

[7] 謝偉．室內顆粒物濃度變化特征及污染控制策略研究[D].西安：西安建筑科技大學，2013．

[8] 施珊珊，紀文靜，趙彬．不同通風形式下住宅內細顆粒物質量濃度及室內暴露量的模擬及比較[J].暖通空調，2013(12)：34-38．

[9] 呂琪銘，潘慧玲，鄧啟紅，等．室內微細顆粒物污染水平預測的數值模擬[J].陜西科技大學學報(自然科學版)，2008,26(4)：74-77．