大氣有害顆粒物室內自然沉降實驗研究*

覃宗勝，孟忠偉，沈旭東

（1嘉興南洋職業技術學院，浙江嘉興 314031；2流體及動力機械教育部重點實驗室，汽車與交通學院（西華大學），四川成都 610039；3嘉興職業技術學院，浙江嘉興 314036）

大氣中的有害顆粒物(PM)，主要貢獻者是汽車尾氣[1]、烹飪油煙以及工業廢氣[2-3]。大氣有害顆粒物對人體有極大的危害，一些研究已經證實大氣有害顆粒物可以引起慢性肺病[4-5]以及心血管疾病，美國環保局（EPA）的試驗證明，吸附在微粒表面的可溶有機（SOF）具有誘變作用，其組份的90 %以上為致癌物質[6-9]，絕大多數微粒的粒徑在0.01μm～1.0μm 之間，能長時間懸浮在大氣中，很容易通過呼吸系統進入肺泡中并沉積下來，較小微粒甚至可以進入血液中，對人體健康的威脅很大。目前隨著經濟與社會發展，我國對大氣有害顆粒物污染進行了積極防治，通過控制有害氣體排放可有效控制污染，但大氣有害顆粒物污染形勢依舊嚴峻[4]。

目前，個人防霧霾的基本措施一般采取出行戴口罩，在家緊閉門窗，有條件的在室內安裝空氣凈化器，根據TalkingData 移動數據研究中心調查研究顯示，城市安裝空氣凈化器家庭占比低于11.39 %，空氣凈化器的日均使用率為32.78%，依靠緊閉門窗使顆粒物的自然沉降來實現潔凈空氣的方法較為普遍，目前對大氣有害顆粒物研究主要集中在污染來源以及特征、化學成分及組成，病理學研究等方面，而對民眾普遍采用的緊閉門窗顆粒物自然沉降來實現潔凈空氣的方法，缺乏相應的實驗驗證與測試評價。

因此，該研究采用激光離散式顆粒物傳感器與數據采集系統，針對居家辦公條件下，在室外大氣有害顆粒物不同污染濃度下，緊閉門窗后采用自然沉降對防治有害顆粒物污染效果進行分析，為有害顆粒物自然沉降特性提供實驗數據，為個人防治霧霾措施提供實驗與理論依據。

1 材料與方法

1.1 測試地點與時間

測試地點為浙江嘉興市某普通辦公區域辦公室，參數為6.6m×7.8m×3.9m，傳感器至于室內中心距離地面1.2m 處，與人體坐立辦公垂直距離地面距離保持一致。

1.2 儀器和分析方法

針對室內典型有害顆粒物PM1.0、PM2.5、PM10采用攀藤g5傳感器采集數據，分析其自然沉降與室內人員活動對其影響，同時采用sht20 傳感器采集室內甲醛在不同測試條件下的變化情況，評估分析緊閉門窗對室內有害顆粒物及有害氣體的防治效果。

攀藤g5 顆粒物傳感器采用激光散射原理實現精確采集并計算單位體積不同粒徑的懸浮顆粒物個數，進而換算為質量濃度，最小測試半徑0.3μm，傳感器具體參數見表1，sht20 甲醛濃度傳感器基于電化學原理，進行精確測試。

測 試 懸 浮 顆 粒 物 粒 徑 ≥3μm 至 1.0μm 記 為PM1.0； 粒 徑 ≥1.0μm 至 2.5μm 記 為 PM2.5； 粒 徑≥25μm 至 10μm 記為 PM10。

表1 傳感器具體參數Table 1 Specific parameters of sensor

2 實驗結果及分析

2.1 不同污染濃度有害顆粒物自然沉降分析

2.1.1 重度污染時PM 自然沉降分析

如圖1 所示為測試地點空氣污染重度污染時（粒徑 小 于 2.5μm 的 PM＞150μg/m3）， 室 內 空 氣 流 動靜止狀態下有害顆粒物自然沉降特性。初始時PM 粒徑 2.5μm～10μm 的 顆 粒 物 濃 度 為 166μg/m3， 粒徑 1.0μm～2.5μm 的顆粒物濃度為 133μg/m3，粒徑0.3μm～1.0μm 的顆粒物濃度為83μg/m3，三者占比為：43.4%、34.8%、21.7%；當測試結束時（700s），三者的濃度占比為：41.7%、36.0%、22.2%，三者自然沉降速率分別為：1.76μg（/m3·min）、0.67μg/（m3·min）和0.510μg/（m3·min），由此可見顆粒物粒徑越大大氣中所占百分比下降越快，沉降速率越快。由于緊閉門窗，室內釋放的甲醛在700s 時間內由原來0μg/m3 上升至13μg/m3。

圖1 重度污染時室內顆粒物自然沉降Fig. 1 Natural settlement of indoor particles under severe pollution

如圖2 所示為重度污染情況下室外有害顆粒物濃度變化趨勢，由圖可知室外有害顆粒物在測試期間幾乎無明顯變化，粒徑在 2.5μm～10μm、1.0μm～2.5μm、0.3μm～1.0μm 分別均值為 140μg/m3、165 和 90μg/m3，甲醛在700s 的時間內在11μg/m3～39μg/m3的范圍波動。

2.1.2 中度污染時PM 自然沉降分析

如圖3 所示為測試地點空氣污染中度污染時，室內空氣流動靜止狀態下有害顆粒物自然沉降特性。初始時PM 粒徑 2.5μm～10μm 的顆粒物濃度為 105μg/m3，粒徑 1.0μm～2.5μm 的顆粒物濃度為 92μg/m3，粒徑0.3～1.0μm 的顆粒物濃度為58μg/m3，三者濃度占比為105:92:58，截取700s 測試時間數據可見顆粒物下降趨勢不明顯，添加測試數據線性趨勢線三者的下降斜率分別為-0.0048、-0.0022、-0.0038，下降速率緩慢；甲醛在700s 的時間內由原來40μg/m3上升至47μg/m3。

圖3 中度污染室內顆粒物自然沉降Fig. 3 Natural settlement of indoor particles with moderate pollution

為進一步顯示下降趨勢，取測試時間為7000s，如圖4 所示，三者的下降斜率分別為-0.0028、-0.0022、-0.0012，下降速率緩慢；當測試結束時三者的濃度占比為：81:72:47，三者自然沉降速率分別為 0.25μg/（m3·min）、0.17μg/（m3·min）和 0.09μg/（m3·min）。

圖4 中度污染室內顆粒物自然沉降（7000s）Fig. 4 Natural settlement of indoor particles with moderate pollution (7000s)

如圖5 所示為中度污染情況下室外有害顆粒物濃度變化趨勢，由圖可知室外有害顆粒物在測試期間室外大氣有害顆粒物逐漸降低，其降低速率與圖4 對比，小于室內自然沉降速率，甲醛在7000s 的時間內在10μg/m3～29μg/m3的范圍波動。

圖5 中度污染室外顆粒物濃度變化（7000s）Fig. 5 Concentration change of indoor particles with moderate pollution (7000s)

2.1.3 輕度污染時PM 自然沉降分析

如圖6 所示為測試地點空氣污染輕度污染時，室內空氣流動靜止狀態下有害顆粒物自然沉降特性，初始時 PM 粒徑 2.5μm～10μm 的顆粒物濃度為 82μg/m3，粒徑 1.0μm～2.5μm 的顆粒物濃度為 68μg/m3，粒徑0.3μm～1.0μm 的顆粒物濃度為 42μg/m3，三者濃度占比為82:68:42，截取700s 測試時間數據可見顆粒物下降趨勢不明顯，添加測試數據線性趨勢線三者的下降斜率分別為-0.0026、-0.0025、-0.0018，下降速率緩慢；甲醛在700s 的時間內由原來10μg/m3上升至12μg/m3。

圖6 輕度污染室內顆粒物自然沉降Fig. 6 Natural settlement of indoor particles with slight pollution

為進一步顯示下降趨勢，取測試時間為2000s，如圖7 所示當測試結束時三者的濃度占比為：79:65:40，三者自然沉降速率分別為：0.09μg/m3·min、0.09μg/m3·min、0.06μg/m3·min，由此可見自沉降速率幾乎趨近于零，此段測試時間內室內甲醛含量逐步上升，由原來10μg/m3上升至13μg/m3。

圖7 輕度污染室內PM 自然沉降Fig. 7 Natural settlement of indoor particles with slight pollution

由以上實驗分析可見：在大氣有害顆粒物重度污染時，關閉窗門利用顆粒物的自沉降可以降低室內有害顆粒物濃度，顆粒物粒徑越大下降速率越快；當室外為中度或輕度污染時，緊閉門窗室內有害顆粒物自沉降效果差，同時室內有害氣體甲醛會逐步上升，不利于健康。

2.2 自然沉降條件下PM 的室內的波動幅度分析

為測試分析在自然沉降狀態下，室內有害顆粒物的自然沉降波動幅度，取測試點數值與趨勢線對應數值的絕對差值進行分析。

如圖8～圖10 所示，分別為有害顆粒物污染為重度、中度、輕度污染時，室內自沉降條件下，不同粒徑顆粒物的自然沉降與趨勢線對應值的波動差值絕對值。PM粒徑 2.5μm～10μm、1.0μm～2.5μm、0.3μm～1.0μm最大波動幅度分別為：重度污染時（12.69，9.78，4.94），中度污染時（8.22，3.73，2.86），輕度污染時（5.85，5.13，3.26）；同時不同污染濃度下，都呈現不同時間條件下顆粒物粒徑越大，其波動幅度越大的趨勢，由此可見，顆粒粒徑越大顆粒物測試濃度變化越大，其在空氣中分布越不均勻，顆粒物粒徑越小在空氣中懸浮分布越均勻。

圖8 重度污染室內PM 自然沉降波動Fig. 8 Fluctuation of indoor particle natural settlement in severe pollution

圖9 中度污染室內PM 自然沉降波動Fig. 9 Fluctuation of natural settlement of indoor particles with moderate pollution

圖10 輕度污染室內PM 自然沉降波動Fig.10 Fluctuation of natural settlement of indoor particles with slight pollution

2.3 空氣擾動和室內人員對室內PM 的影響

如圖11 所示為室內有兩人，測試時間段內緊閉窗戶，同時有人員進出（在前1000s 進出5 次，但對空氣擾動較小），室內的有害顆粒物濃度變化，由圖可知人員進出對室內有害顆粒物濃度的影響較小，室內有人時在低濃度下，有害顆粒物濃度加速下降。添加測試數據線性趨勢線三者的下降斜率分別為：-0.0037，-0.0033，-0.0025與圖6 所示的室內無人員時的下降趨勢線斜率-0.0026，-0.0025，-0.0018 比較有較明顯的下降速率提升；同時測試期間由于測試地點有新家具的進入和受室外太陽光直射，室內甲醛含量快速上升。

圖11 輕度污染有人員進入時室內PM 自然沉降波動（2700s）Fig. 11 Fluctuation of indoor PM natural settlement (2700s)in case of light pollution with personnel entering

由此可見當室內存在人員時，室內有害顆粒物濃度下降速率將較快增加，人體相當于有害顆粒過濾體，此時有害顆粒物將進入人體，危害人體健康，同時緊閉門窗室外陽光照射會加快室內甲醛釋放。

3 結論

（1）當大氣有害顆粒物重度污染時關閉窗門利用顆粒物的自沉降可以降低室內有害顆粒物濃度，顆粒物粒徑越大下降速率越快，如實驗所示，PM 粒徑2.5μm～10μm、1.0μm～2.5μm、0.3μm～1.0μm 自 然沉降速率分別到達：1.76、0.67 和 0.51μg/m3·min；當室外為中度或輕度污染時，緊閉門窗室內有害顆粒物自沉降效果差，同時室內有害氣體甲醛會逐步上升，不利于健康。

（2）有害顆粒粒徑越大顆粒物濃度變化越大，其在空氣中分布越不均勻，顆粒物粒徑越小在空氣中懸浮分布越均勻。

（3）緊閉門窗室內存在人員時，室內有害顆粒物濃度將快速下降，人體相當于有害顆粒過濾體，此時有害顆粒物將進入人體，危害人體健康，同時緊閉門窗室外陽光照射會加快室內設施甲醛釋放。