辦公建筑室內(nèi)PM2.5濃度分析與控制策略研究

趙 枚 丁澤群 楊翠英

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100095）

辦公建筑室內(nèi)PM2.5濃度分析與控制策略研究

趙 枚 丁澤群 楊翠英

（國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100095）

為了進(jìn)一步的研究PM2.5濃度變化對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響規(guī)律，項(xiàng)目對(duì)北京某辦公樓進(jìn)行PM2.5濃度及“IO比”變化規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，并且在利用實(shí)驗(yàn)的方法定量的計(jì)算了辦公建筑室內(nèi)主要污染源香煙的PM2.5散發(fā)量，同時(shí)利用實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了基于室內(nèi)質(zhì)量平衡的室內(nèi)PM2.5濃度的控制理論，從而為進(jìn)一步研究PM2.5和控制室內(nèi)PM2.5濃度提供了一定的科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

辦公建筑 ；室內(nèi)PM2.5濃度；“IO比”；質(zhì)量平衡

引言

2013年，“霧霾”成為年度關(guān)鍵詞。2013年的1月期間，有4次霧霾過程并且籠罩30個(gè)省（區(qū)、市），而在北京，僅有5天不是霧霾天。根據(jù)報(bào)告顯示，在我國(guó)最大的500個(gè)城市當(dāng)中，僅有不到1%的城市能夠達(dá)到世界衛(wèi)生組織所推薦的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。并且在這同時(shí)，全球污染最厲害的10個(gè)城市中有7個(gè)在中國(guó)。持續(xù)蔓延的霧霾天氣導(dǎo)致的空氣污染問題，不僅讓社會(huì)公眾對(duì)空氣污染和PM2.5有了新的認(rèn)識(shí)，而且已逐漸引起我國(guó)政府部門對(duì)顆粒污染物PM2.5的重視及對(duì)已有的粗放生產(chǎn)方式的思考。

近些年以來，大量的醫(yī)學(xué)研究結(jié)果表明人類的發(fā)病率及死亡率和大氣中的懸浮顆粒物（PM）的質(zhì)量濃度存在著明顯的正相關(guān)性[1]，即使這一濃度值低于相應(yīng)的國(guó)家控制標(biāo)準(zhǔn)值，這個(gè)相關(guān)性仍然存在且較為明顯。

現(xiàn)有的多項(xiàng)研究數(shù)據(jù)結(jié)果表明我國(guó)城市室內(nèi)環(huán)境中的PM2.5污染程度較為嚴(yán)重，因此對(duì)于室內(nèi)PM2.5形成的機(jī)理、來源以及其室內(nèi)濃度的分布特征的研究已經(jīng)成為了現(xiàn)在公共健康和室內(nèi)空氣品質(zhì)等研究領(lǐng)域所共同關(guān)注的問題，室內(nèi)PM2.5的防治已經(jīng)到了已刻不容緩的地步。

1 室內(nèi)PM2.5濃度的測(cè)試及其分析

1.1測(cè)試時(shí)間、地點(diǎn)

本研究的測(cè)試地點(diǎn)位于北京市海淀區(qū)某園區(qū)內(nèi)的辦公樓，于2015年5月26日至2015年6月12進(jìn)行連續(xù)測(cè)試。

1.2 測(cè)試及實(shí)驗(yàn)裝置和設(shè)備

測(cè)試和實(shí)驗(yàn)中所使用的PM2.5粉塵測(cè)試儀為美國(guó)TSI生產(chǎn)的8532手持式氣溶膠檢測(cè)儀，其主要參數(shù)如下表所示：

表1 TSI8532手持式氣溶膠檢測(cè)儀主要技術(shù)參數(shù)

1.3 測(cè)試方法

以該辦公樓的三個(gè)室內(nèi)辦公區(qū)域以及一個(gè)室外測(cè)點(diǎn)為測(cè)試點(diǎn)。測(cè)試所選取的三個(gè)區(qū)域?yàn)榫哂写硇再|(zhì)的區(qū)域，分別為大區(qū)域的靠近走廊部分、大區(qū)域的內(nèi)區(qū)部分以及小辦公間的內(nèi)區(qū)部分。

1.4 對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)的處理和分析

前期PM2.5測(cè)試數(shù)據(jù)的整理，本次整理的檢測(cè)數(shù)據(jù)從2015年5月26至6月12日，分析了大辦公區(qū)1，大辦公區(qū)2以及小辦公區(qū)的室內(nèi)PM2.5濃度隨室外PM2.5濃度變化的趨勢(shì)。此時(shí)PM2.5濃度變化分別如圖1所示。

圖1 PM2.5濃度測(cè)試數(shù)據(jù)

從圖1中可以看出，大辦公區(qū)1、2以及小辦公區(qū)的室內(nèi)PM2.5濃度的變化與同時(shí)間室外PM2.5濃度趨于一致，規(guī)律較為明顯。從圖1中可以看出，濃度最高的地方大部分都在室外，大辦公區(qū)1、2次之，小辦公區(qū)最小。當(dāng)室內(nèi)除人員散發(fā)外沒有其它較大的污染源時(shí)室外的PM2.5濃度會(huì)最高，而大辦公區(qū)1因?yàn)榭拷呃仁芡饨鐓^(qū)域的干擾較大，使得其濃度僅次于室外的PM2.5濃度值，而大辦公區(qū)2和小辦公區(qū)因?yàn)樘幱趦?nèi)區(qū)，且外窗緊閉，受外界干擾少，室內(nèi)的PM2.5散發(fā)量較為穩(wěn)定。

2 室內(nèi)PM2.5濃度的控制理論分析

室內(nèi)PM2.5濃度的控制理論是基于室內(nèi)質(zhì)量平衡理論。室內(nèi)環(huán)境中大氣懸浮顆粒物濃度取決于室外顆粒物進(jìn)入和離開室內(nèi)的速率和顆粒物在室內(nèi)環(huán)境中被消除、發(fā)生轉(zhuǎn)變以及重新懸浮速率以及顆粒物在室內(nèi)產(chǎn)生的速率。如果不計(jì)顆粒物的室內(nèi)產(chǎn)生源，容積為V的房間內(nèi)顆粒物濃度在時(shí)間t內(nèi)變化可表示如下：

假設(shè)空氣各向同性，并且空氣與室內(nèi)物體表面沒有溫差，室內(nèi)顆粒物濃度均勻，且污染源是穩(wěn)定的，則室內(nèi)PM2.5質(zhì)量平衡控制方程表示：

V 為房間體積（m3）；Qs為送風(fēng)風(fēng)量，m3/s；Qh為回風(fēng)風(fēng)量，m3/s；Qis為室內(nèi)滲透到室外的風(fēng)量，m3/s；Qos為室外滲透到室內(nèi)的 風(fēng)量，m3/s；Cs、Ci、Co分別為送風(fēng) 的PM2.5濃度、室內(nèi)外 PM2.5的濃度，mg/m3；S、R 分別為室內(nèi)PM2.5的生成和消失速率，mg/s。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 香煙煙霧的PM2.5散發(fā)量及自然衰減實(shí)驗(yàn)

人的一生中有70%～90%的時(shí)間在室內(nèi)度過，無疑室內(nèi)空氣品質(zhì)對(duì)人體健康的影響很大[2].所以，研究室內(nèi)的空氣品質(zhì)并預(yù)測(cè)室內(nèi)的微細(xì)顆粒物濃度水平已經(jīng)成為亟待解決的課題。

對(duì)于辦公建筑而言，室內(nèi)PM2.5污染主要來源于人類的活動(dòng)，比如吸煙，掃地等，但是相對(duì)于其他的污染源，吸煙所造成的PM2.5污染最嚴(yán)重。實(shí)驗(yàn)首先對(duì)香煙煙霧的PM2.5散發(fā)量進(jìn)行了測(cè)試，在實(shí)驗(yàn)室中接連點(diǎn)燃3根香煙，燃燒時(shí)間為30min，每根香煙燃燒10min左右，其室內(nèi)濃度峰值在香煙燃盡后達(dá)到，為517μg/m3，根據(jù)房間的體積進(jìn)行計(jì)算，測(cè)得3支香煙共計(jì)散發(fā)27.401mg/m3,每支香煙的PM2.5散發(fā)非常均勻，也就是說每支香煙的PM2.5散發(fā)濃度9.134mg/支。上述實(shí)驗(yàn)測(cè)得的香煙PM2.5散發(fā)量為扣除自然衰減后的，所以為了準(zhǔn)確的得到香煙PM2.5散發(fā)量進(jìn)行自然衰減實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)《空氣凈化器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18801-2008）[3]以及美國(guó)家用電器制造商協(xié)會(huì)（AHAM）的《便攜式家用電動(dòng)室內(nèi)空氣凈化器性能測(cè)試方法》（ANSI/AHAM AC-1-2006）[4]中自然衰減常數(shù)的計(jì)算方法得公式：

其中，Cti為 t時(shí)刻的 PM2.5濃度（μg/m3），C0 為初始時(shí)刻的PM2.5濃度（μg/m3），k為自然衰減常數(shù)，t時(shí)間單位為min。對(duì)上述公式兩邊取對(duì)數(shù)，其所得式子（3-2）如下：

對(duì)室內(nèi)PM2.5濃度值取對(duì)數(shù)做線性回歸，其斜率值即為香煙煙霧的PM2.5自然衰減常數(shù)，其線性回歸圖如圖2所示。

圖2 香煙煙霧自然衰減線性圖

實(shí)驗(yàn)中所得的自然衰減線形圖的R2=0.9413，雖然略低于《空氣凈化器》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18801-2008）以及美國(guó)家用電器制造商協(xié)會(huì)（AHAM）的便攜式家用電動(dòng)室內(nèi)空氣凈化器性能測(cè)試方法（ANSI/AHAM AC-1-2006）中R2要大于0.98的要求，但是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中測(cè)試時(shí)間相對(duì)于其標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法長(zhǎng)很多，取點(diǎn)較多，所以其結(jié)果基本可信，線性關(guān)系良好。所得的香煙煙霧PM2.5自然衰減常數(shù)為0.009698min-1。

而根據(jù)文獻(xiàn)可知，室內(nèi)污染物源濃度散發(fā)量的計(jì)算公式如下：

其中 Cin為室內(nèi) PM2.5 濃度（μg/m3），Cout為室外PM2.5濃度（μg/m3），P為穿透效率，α為室內(nèi)換氣次數(shù)，Qs為室內(nèi)污染源產(chǎn)生速率，k為自然衰減速率，V為實(shí)驗(yàn)室體積（m3）。對(duì)公式（3-3）進(jìn)行變形，可得下式：

3.2 凈化器風(fēng)量測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為了更準(zhǔn)確的對(duì)凈化實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析，對(duì)本文中所使用的凈化器進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試，參考《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》（GB50243-2002）的風(fēng)量測(cè)試方法，分別對(duì)凈化器的送風(fēng)口和回風(fēng)口進(jìn)行風(fēng)量測(cè)試，使用熱線風(fēng)速儀對(duì)兩個(gè)風(fēng)口分別取點(diǎn)測(cè)試風(fēng)速，然后根據(jù)風(fēng)口面積與風(fēng)口平均風(fēng)速計(jì)算風(fēng)量，其中回風(fēng)口取9個(gè)測(cè)試點(diǎn)，送風(fēng)口取6個(gè)測(cè)試點(diǎn)。

回風(fēng)口面積為0.315m×0.365m，送風(fēng)口面積為（0.2m×0.12m+0.1m×0.12m），因?yàn)樗突仫L(fēng)口為格柵式，考慮遮擋系數(shù)計(jì)算得回風(fēng)口風(fēng)量401.03m3/h，送風(fēng)口風(fēng)速460.68m3/h，而凈化器廠家聲稱在低速運(yùn)行下風(fēng)量為350m3/h，與廠家提供的數(shù)據(jù)有一定出入。

3.3 香煙煙霧的PM 2.5凈化實(shí)驗(yàn)

在凈化實(shí)驗(yàn)中實(shí)驗(yàn)環(huán)境良好，室內(nèi)外PM2.5濃度穩(wěn)定在0μg/m3，因此可以認(rèn)為無室外PM2.5滲透。為了更好地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)前先點(diǎn)燃一支香煙使室內(nèi)PM2.5濃度穩(wěn)定在 124μg/m3，即房間初始濃度為124μg/m3，然后點(diǎn)燃香煙，使室內(nèi)香煙持續(xù)燃燒1小時(shí)同時(shí)開啟凈化器，將兩臺(tái)TSI8532手持式氣溶膠檢測(cè)儀分別置于凈化器的進(jìn)出口處，設(shè)置其每30秒記錄一次數(shù)據(jù)，其記錄結(jié)果如圖4所示。

圖4 凈化實(shí)驗(yàn)1中凈化器進(jìn)出口濃度變化圖

從圖4中可以看出，雖然在實(shí)驗(yàn)初始階段凈化器進(jìn)出口濃度值較小，且波動(dòng)較大，但當(dāng)香煙燃燒幾分鐘后其凈化器進(jìn)出口濃度值較為穩(wěn)定，其中出口濃度基本穩(wěn)定在100μg/m3左右，而進(jìn)口濃度基本穩(wěn)定在220μg/m3左右，房間內(nèi)PM2.5濃度值基本穩(wěn)定。根據(jù)上述數(shù)據(jù)計(jì)算凈化器的凈化效率。

圖5 凈化器凈化效率變化圖

從圖5可以看出，凈化器的凈化效率波動(dòng)較大，效率在50%-68%之間波動(dòng)，平均效率為60.93%。根據(jù)計(jì)算的結(jié)果雖然凈化效率遠(yuǎn)低于其標(biāo)榜的數(shù)值，但凈化效果還是較為明顯，可以通過在有持續(xù)室內(nèi)污染源時(shí)凈化與未凈化的室內(nèi)PM2.5濃度值變化圖（圖6）。

圖6 有持續(xù)室內(nèi)污染源時(shí)凈化與未凈化的室內(nèi)PM2.5濃度值變化圖

從圖6中可以看出，當(dāng)室內(nèi)有凈化和無凈化時(shí)的區(qū)別還是非常明顯，當(dāng)室內(nèi)有持續(xù)的香煙煙霧污染時(shí)其PM2.5上升速率極快。根據(jù)本文第三章中的質(zhì)量平衡理論中的公式將凈化實(shí)驗(yàn)中的條件帶入做出一條平衡曲線，如圖7所示。

圖7 凈化實(shí)驗(yàn)中室內(nèi)濃度實(shí)際值與預(yù)測(cè)對(duì)比變化圖

從圖7中可以看出，在凈化實(shí)驗(yàn)中的條件下，隨時(shí)間的變化室內(nèi)PM2.5的濃度增長(zhǎng)速度在逐漸減小，實(shí)驗(yàn)實(shí)際測(cè)試的數(shù)據(jù)與利用平衡理論所預(yù)測(cè)的數(shù)據(jù)吻合度也相當(dāng)高，說明了理論的可靠性。

結(jié)語

對(duì)于辦公建筑而言，室內(nèi)PM2.5的污染來源主要還是來源于室外，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)對(duì)于夏季的辦公建筑而言其“IO比”主要集中在0.5左右。根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知室內(nèi)的主要PM2.5污染源香煙煙霧（對(duì)于普通的香煙而言）其PM2.5顆粒物的自然衰減常數(shù)為0.009698min-1，散發(fā)量為11.79mg/支，散發(fā)速率為1.179mg/min。

對(duì)于室內(nèi)家用凈化器而言，其效率并沒有其標(biāo)稱值那么高，且效率波動(dòng)明顯。另外，基于室內(nèi)質(zhì)量平衡理論的室內(nèi)PM2.5濃度控制理論在一定條件下可以非常準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)室內(nèi)PM2.5濃度的變化，從而為進(jìn)一步研究PM2.5和控制室內(nèi)PM2.5濃度提供了一定的科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

[1]Dockery D W,Pope CA,Xu X P,et al.An association between air pollution and morality in six United-States cities.New England Journal of Medicine,1993,329(24):753-759.

[2]吳忠標(biāo)，趙偉榮．室內(nèi)空氣污染及凈化技術(shù)[M]．北京；化學(xué)工業(yè)出版社，2005：37．8-387．

[3]中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB/T 18801-2008空氣凈化器 [S]．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009．

[4]美國(guó)家用電器制造商協(xié)會(huì)（AHAM）。《便攜式家用電動(dòng)室內(nèi)空氣凈化器性能測(cè)試方法》（ANSI/AHAM AC-1-2006）。

[5]Congrong Hea,Lidia Morawska,Jane Hitchins,Dale Gilbert.Contribution from indoor sources to particle number and mass concentrations in residential houses[J].Atmospheric Environment 38(2004):3405╞3415.

[6]O.zkaynak,H.,Xue,J.,Spengler,J.,Wallace,L.,Pellizzari,E.,Jenkins,P..Personal exposure to airborne particles and metals—results from the particle team study in riverside,California.Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology,1996,6(1):57-78.

Indoor PM2.5 Concentration’s Monitoring and Control Research of Office Building

Mei Zhao Zequn Ding Cuiying Yang

(State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute Co.LTD.，Beijing 100095，P.R.China)

In order to further study the law for the change of PM2.5 concentration in atmospheric environment impact on the indoor environment,projects monitored continuous concentrations of PM2.5 and IO ratio change rule of an office in Beijing for the real-time.And use the experimental method to quantitatively calculate the PM2.5 emission rate of cigarettes which is the main pollution sources of office building indoor.At the same time the method of experiment was used to verify the indoor PM2.5 control theory based on mass balance of indoor PM2.5 concentrations,and thus for the further study of PM2.5 and control of indoor PM2.5 concentrations provides certain scientific basis and theoretical guidance.

Office building；Indoor PM2.5 Concentration；IO ratio；Mass balance

趙枚（1984-），女，碩士研究生，工程師，主要從事供暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)計(jì)研究。