長春供暖季室內外PM2.5濃度垂直分布與分析*

白 莉 賀梓健 陳琬玥

(1.吉林建筑大學市政與環境工程學院，吉林 長春 130118；2.吉林建筑大學松遼流域水環境教育部重點實驗室，吉林 長春 130118)

PM2.5是城市環境的主要污染物[1]，近年來隨著城市化進程的加快與經濟的快速發展，由城市人口、建筑、工業與交通等因素導致的大氣霧霾日益嚴重。特別在東北地區冬季溫度低，供暖季燃燒煤炭、秸稈會產生大量顆粒物。同時大部分居住建筑的門窗與圍護結構的氣密性較差[2-3]，室外空氣中PM2.5可輕易進入室內，導致室內PM2.5濃度增加，室內空氣質量下降。PM2.5可通過呼吸作用進入人體，對人類健康有極大的潛在威脅。研究表明，人的一生超過80%的時間是在室內度過的[4]，長時間暴露于高濃度PM2.5的人群，肺炎、肺癌、心臟病及心腦血管的患病率會出現顯著升高[5-11]。

居住建筑是人類最重要的庇護所，隨著生活水平的提高，人們對健康居住環境的需求日益強烈。同時伴隨城市人口的增加與土地資源的稀缺，密集化、高層化建筑已成為城市化發展的象征，其帶來的城市環境問題同樣不容忽視[12]。隨著城市由“橫向型”拓增轉向“縱向型”增長，專家學者對不同高層建筑PM2.5的研究逐漸深入[13-16]。本研究以長春地區的高層居住建筑為研究對象，對其室內外PM2.5進行監測與分析，探究供暖季不同樓層PM2.5的濃度水平與變化特征。

1 研究方法

1.1 采樣地點與時間

長春位于東北平原腹地，由于地理位置、汽車保有量持續上漲、供暖季較長、城市周邊焚燒農作物等一系列因素，導致長春秋冬季節空氣質量不理想。本研究于2019年1月，對長春綠園區竣工后使用2年的居住建筑進行室內外PM2.5監測。該建筑主體高度99.4 m，地下2層，地上33層。由于實驗設備及條件的局限性，無法對全部樓層進行監測，本研究選擇的監測樓層分別為1、8、15、24、33層，室內外監測點分別為居民家中的房間與露天防火通道。人員活動是室內顆粒物的主要來源[17-18]，為避免室內源對監測結果的干擾，監測期間盡量減少所監測的房間內人員活動并始終保持房間門窗緊閉。監測房間的相關信息如表1所示。

1.2 實驗儀器

選取LD-6SR激光粉塵監測儀實現對PM2.5的監測，該儀器能有效減小濕度的干擾，采樣流量為2 L/min，采樣濾膜為Φ40 mm石英纖維濾膜。監測過程嚴格按照《室內空氣質量標準》(GB/T 18883—2002)中關于室內PM2.5測點的相關規定，采樣點布置在距外窗1 m、離相應樓層地面高度0.6 m處，每天監測時間為12 h(8：00—20：00)，采樣時間為9 min，間隔為1 min。

1.3 方 法

采用隨機組分重疊模型(RCS)的方法計算各樓層的滲透因子[19]。其計算公式見式(1)。

Cin=Finf×Cout+C0

(1)

式中：Cin為室內PM2.5質量濃度，μg/m3；Finf為PM2.5從室外進入室內的滲透因子；Cout為室外PM2.5質量濃度，μg/m3；C0為室內源產生的 PM2.5質量濃度，μg/m3。

由于所監測的房間絕大部分時間處于無人狀態，且沒有室內污染源，所以C0近似為0 μg/m3，故Finf計算見式(2)。

(2)

采用SPSS 24軟件進行統計，采用方差分析方法檢驗不同樓層室內外PM2.5濃度的差異性，采用雙變量回歸分析方法分析室內外濃度之間的相關性，采用線性分析方法分析不同樓層與顆粒物濃度及滲透因子的相關性，運用逐步回歸分析來檢驗室內PM2.5濃度與各因素之間的相關性，所有分析均以P<0.05作為判斷差異有統計學意義的標準。

2 結 果

2.1 不同樓層室內外PM2.5濃度

不同樓層所監測的室內外PM2.5質量濃度變化曲線如圖1所示。長春采暖季建筑室內外均存在PM2.5污染，且室外PM2.5污染更為嚴重。5個樓層的室外PM2.5濃度整體高于室內濃度，并且室內PM2.5濃度隨室外的變化而變化。不同樓層室內外PM2.5濃度峰值、谷值波動變化曲線基本一致，但精細的變化曲線不完全相同。對各樓層監測數據進行相關性分析，5個樓層的室內外PM2.5濃度都具有顯著的相關性(P<0.05)。

監測期間室內外PM2.5平均質量濃度如表2所示。高層建筑室內外PM2.5濃度總體變化趨勢隨著樓層的升高而降低，這一結論與文獻[20]至文獻[22]的研究一致。然而在15～24層之間，PM2.5濃度隨著樓層升高呈遞增趨勢，24～33層又隨之下降，董俊剛等[23]曾得出隨著樓層增加，室外空氣中總懸浮顆粒物呈現先減少后增加又減少的結論。不同樓層的室內外PM2.5濃度無顯著性差異。經統計計算，1層室外PM2.5質量濃度相對較高((113.74±63.72) μg/m3)，33層質量濃度相對較低((112.25±63.80) μg/m3)。參照《環境空氣質量標準》(GB 3095—2012)，當質量濃度≥75 μg/m3時定義為污染濃度，5個樓層的室外PM2.5濃度大部分時間處于超標狀態，而室內PM2.5濃度也有部分時段存在超標。

表1 監測房間概況

注：01-09表示1月9日0:00，其余類推。圖1 不同樓層室內外PM2.5質量濃度變化曲線Fig.1 Variation curve of indoor and outdoor PM2.5 mass concentration in different floors

表2 不同樓層室內外PM2.5平均質量濃度及滲透因子

2.2 不同樓層室內外PM2.5濃度關系

各樓層室內外PM2.5質量濃度線性回歸曲線如圖2所示。對室內外PM2.5濃度進行t檢驗后發現，各樓層的室內與室外PM2.5濃度均存在顯著的相關性，這說明在沒有室內污染源的情況下，室內PM2.5主要來源于室外PM2.5的滲透，這與文獻[24]、[25]的研究結果一致。5個樓層的滲透因子分別為0.504、0.500、0.494、0.497、0.493，沒有顯著性差異(P>0.05)，說明所監測的高層建筑各樓層房間氣密性趨近于相同。

2.3 室內PM2.5濃度影響因素

關于樓層地面高度與顆粒物濃度的關系說法較多，部分研究認為樓層地面高度會對室內PM2.5濃度產生影響，其兩者之間存在一些關系[26]；部分研究認為兩者之間不存在直接關系，而是與天氣有關[27-28]。本研究對可能影響室內PM2.5濃度的變量進行逐步回歸分析，其中室外PM2.5濃度為自變量，樓層、房間面積、房間體積、樓層地面高度、房屋朝向為協變量，分析結果如表3所示。除室內外PM2.5濃度有顯著相關性外，與其他協變量均無顯著相關性。室內PM2.5濃度與樓層、樓層地面高度存在微弱的負相關性,與房間面積、體積存在微弱的正相關。

以統計結果作為參考進行分析。隨著樓層升高，室內外PM2.5濃度大致呈遞減趨勢的原因可能與近地面污染源較多，高層室外空氣動力學條件充足有關[29]。處于近地面的較低樓層更容易受到汽車尾氣、人員活動的影響，造成室外PM2.5濃度較高，進而影響室內空氣質量。徐曼等[30]研究發現，靜風天氣時近地面PM2.5的累積尤為明顯。當顆粒物與水氣結合時，其質量變大，同時更易與其他顆粒物相結合，高空的顆粒物會在重力作用下沉降到低空位置，造成較低樓層的PM2.5濃度高于較高樓層[31]。本次監測結果顯示，24層的室內外濃度高于15層與33層，這與PM2.5濃度與樓層呈負相關的結論產生矛盾。造成這一現象的原因可能是由于24層監測的房屋外窗朝向為南，其余4個樓層的房屋外窗朝向為北，而冬季風為東北風，朝南的房間處于背風處，不利于室外PM2.5濃度的擴散，進而造成室內濃度升高。

圖2 不同樓層室內外PM2.5質量濃度線性回歸曲線Fig.2 Linear regression curve of indoor and outdoor PM2.5 mass concentration in different floors

表3 影響室內PM2.5濃度的多因素分析結果

在供暖季，當霧霾天氣出現時，室內PM2.5濃度升高，室內空氣質量降低。房間面積、樓層、房屋朝向等因素無法改善室內空氣質量。同時自然通風會造成室外PM2.5大量進入室內，加劇室內PM2.5污染，建議安裝新風系統或使用空氣凈化器等方法，對室內PM2.5進行人為干預，來達到降低室內PM2.5濃度、提高室內空氣質量的目的。

3 結 論

(1) 供暖期間，長春地區高層建筑的室內外PM2.5濃度水平較高。高層建筑室內外PM2.5濃度具有顯著相關性，在沒有室內污染源的情況下，室內PM2.5主要來源于室外滲透，不同樓層的滲透因子沒有顯著差異。

(2) 高層建筑的室內外PM2.5濃度隨樓層增加大體呈現減小趨勢，但差異并不顯著；室內PM2.5濃度與房間面積、體積呈現不顯著的正相關。