某5A級辦公建筑室內外PM2.5濃度分布規律研究

譚學彪

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 引言

室內空氣污染源主要有從室外大氣中進入室內的PM2.5、PM10 污染物和室內VOC 污染物。 目前新風PM2.5 污染物處理設備主要在住宅和個別超高端項目中設置，在絕大多數公共建筑中尚未普及。 大部分現有5A 級寫字樓、商場、公共設施和酒店等室內空間，仍然僅設有普通新風系統[1-3]。 普通新風系統配置的中低效過濾器雖對于PM10 污染物過濾效果較好，但無法有效過濾處理對人健康危害最大的PM2.5 污染物[4]。 因此，需要對建筑物室內外PM2.5 污染物分布情況進行監測，找出其分布規律。 進而根據PM2.5 污染物的變化規律，有針對性地進行室內空氣品質的提升。

2 工程概況

進行室內外PM2.5 污染物濃度監測的工程為北京市某21 層5A 級辦公建筑。 該建筑為某建筑企業自用兼外租辦公樓，曾獲國家優質工程獎，裝修高雅，各種設備設施齊全，被評定為5A 級辦公樓，但未在辦公空間、會議室和報告廳配置新風PM2.5 污染物處理設備。

3 監測儀器和方法

監測對象為單位體積空氣內PM2.5 污染顆粒的質量，采用儀器的分辨率達到1 μg/m3。 設定為每隔5 min 自動記錄一次數據，并通過無線傳輸方式將數據上傳到云數據平臺[5-8]。 高精度激光粒子監測儀布置在該大廈6 層一個空置房間內，距離處于關閉狀態的可開啟外窗0.5 m，距離地面高度在人員活動高度。 每小時按等分時間間隔平均測取10 ～12 組數據。 為避免人員進出所導致的污染物遷移干擾監測，該辦公室在監測時段基本處于封閉狀態。 如偶爾有人員進出導致數據波動，則從監測數據中剔除相應波動數據。

4 污染物日變化情況

圖1 是北京一典型日室外PM2.5 濃度日均變化規律，圖2 是北京一典型日室內PM2.5 濃度日均變化規律。 從圖1 可看出，除了春季以外，其他三個季節的PM2.5 污染物濃度在一天當中均呈現晝低夜高分布。 峰值出現在24 點左右。 其中，冬季夜間的污染物濃度峰值最高，為240 μg/m3。 春季污染物濃度峰值出現在上午10 點左右。 污染物濃度的低谷值四季各有不同，分布為夏季早上8 點，秋季的下午16 點，冬季下午1 點，春季下午17 點。 除了100 m 以上的超高層建筑外，大部分建筑處于大氣近地面層(0 ～100 m)。 所以，監測到室外PM2.5 濃度實際上主要為大氣近地面層的PM2.5 濃度。 太陽輻射可提高大氣近地面層內的氣體溫度以及地面物體表面溫度，改善“逆溫現象”，加劇大氣污染物垂直遷移。 太陽輻射越強烈，地面溫度越高，越利于大氣污染物垂直遷移、擴散。 結合圖1 和圖2可見，各個季節中，PM2.5 污染物濃度的低谷值均出現在地表受到太陽照射升溫、污染物開始向大氣近地面層外豎向遷移的時段。

此外，將圖1 與圖2 結合可見，室內PM2.5 污染物濃度與室外PM2.5 污染物濃度呈現正相關，與室外PM2.5 污染物濃度變化規律保持一致。 可見，室內PM2.5 污染物的升高，導致高于健康標準濃度，主要是由室外大氣中污染物通過建筑物外窗等縫隙遷移滲透所致。

圖1 室外PM2.5 濃度日均變化規律

圖2 室內PM2.5 濃度日均變化規律

5 污染物月變化情況

由于建筑物空調系統、新風系統運行與季節關系非常密切[9]，因此監測PM2.5 污染物濃度月變化情況，掌握污染物濃度全年分布對指導建筑物新風系統的運行具有較大意義。 為了更直觀表現室內外PM2.5 污染物濃度相關性，引入I/O 比值參數。 I /O 比值即為室內PM2.5 污染物濃度與室外PM2.5 污染物濃度的比值。 I/O 比值越大，說明從室外進入室內PM2.5 污染物越多，室內外PM2.5 污染物濃度差異越小。 可見，I/O 比值可反映出建筑圍護結構和建筑設備系統阻隔室外污染物的能力。 如圖3 所示，研究中以月為單位進行了室外和室內PM2.5 濃度值及所對應I/O 比值的1 年期連續監測。 由圖3 可見，北京冬季(11 月至次年2 月)的室外和室內的PM2.5 濃度值以及所對應I/O 比值在全年當中均處于高位。而夏季(5 月中旬到8 月底)的室外和室內PM2.5濃度值處于全年低位。 究其原因，夏季太陽輻射強烈，大氣近地面層受太陽直射、散射和地面反射影響，不存在“逆溫現象”，大氣垂直對流距離，大氣污染物垂直遷移活動旺盛。 大氣近地面層污染物在近地面層空氣受熱后，隨空氣升騰到高空，之后再隨著大氣遷移被帶走，避免城市中汽車尾氣、熱電廠廢氣等產生的污染物在大氣近地面層積累聚集。而北京冬季太陽輻射強度相對較弱，大氣近地面層容易產生“逆溫現象”導致污染物在大氣近地面層積聚。 并且，北京及北京周邊地區冬季供熱需求大，冬季污染物排放量在全年也處于高位。 綜合冬季污染物增多且擴散條件差兩方面不利因素，導致了北京冬季室外和室內的PM2.5 濃度值較高。 但是，在城市居民一般常識中，會認為設有新風系統的5A 級大廈室內空氣品質會遠好于室外或家庭環境。但根據圖3 可見，實測結果表明，全年室內外PM2.5質量濃度I/O 值分布在0.45 ～0.70 之間，全年均值為0.51。 換言之，使用普通新風系統的5A 級大廈，即使開啟新風系統，進入室內的PM2.5 細顆粒污染物仍然較多，其濃度達到室外濃度的50%，距離健康建筑標準(10 μg/m3)仍有較大差距。

圖3 各月室內外PM2.5 濃度分布及I/O 比值

6 新型新風凈化系統

世界衛生組織(WHO)給出的空氣污染物濃度報告顯示，PM2.5 推薦值為小于10 μg/m3。 資料顯示，年均濃度超過35 μg/m3，人罹患嚴重疾病幾率將大大增加。 而基于以上PM2.5 質量濃度監測數據，可見在5A 級寫字樓普通新風系統作用下，室內PM2.5 污染物濃度約為室外一半，但仍遠遠超過10 μg/m3健康標準。 所以，需提出適用于5A級寫字樓等民用建筑、運行成本較低的新風凈化處理方案。

基于相關研究課題，開發出一種新型新風凈化系統[10-12]。 該系統綜合采用了濕膜加濕除塵粗效過濾器、升溫中效過濾器、高壓噴霧加濕和高效過濾器等多種新型過濾器，可互為補充，可發揮各種過濾器的特點，實現更高送風氣流凈化效率。 為降低風機用電量、延長過濾器的使用壽命，針對每種過濾器還設有旁通管和旁通閥。

空氣凈化系統還設有壓差傳感器等多種傳感器和變頻送風機箱。 過濾器的初阻力和終阻力差別較大，一般風機選型按照過濾器終阻力進行，易于導致風量過大、電量浪費。 該系統變頻送風機箱可根據各個過濾器兩端的壓差傳感器參數控制其送風壓頭，實現風機節能。 同時，系統可基于室內CO2傳感器、VOC 傳感器、PM2.5 傳感器的參數對旁通閥進行控制，根據室內空氣污染物情況對新風進行按需供給。 當CO2傳感器、VOC 傳感器、PM2.5傳感器的測量值在《室內空氣質量標準》(GB/T 18883)允許范圍內時，變頻送風機箱低頻低速、以較低的送風量運行；當各傳感器獲得的參數超過設定范圍時，送風機高速運行，增加送風量。

具體運行模式如下：當室外空氣AQI ＜50 時(AQI 為天氣預報公布的空氣質量指數，可表征PM2.5 質量濃度水平)，旁通升溫中效過濾器和高效過濾器，使用粗效過濾器處理室外新風，此時中效和高效過濾器處于閑置狀態，延長了使用壽命且降低了風機能耗；當室外空氣AQI ＜150 時，旁通高效過濾器，使用粗效和升溫中效過濾器處理室外新風，此時成本最高的高效過濾器仍處于閑置狀態；當室外空氣AQI≥150 時，使用粗效、中效和高效三級過濾器處理室外新風。 當室外空氣AQI 降低時，根據其降低程度逐步旁通高效過濾器、中效過濾器。 通過電動風閥切換使用不同的過濾器進行新風處理，優化了空氣處理流程，在空氣質量較好時避免使用更換成本高、阻力大的中高效過濾器，實現了新風按需凈化處理。

7 結論

為營造健康舒適的室內環境，掌握建筑物室外和室內的PM2.5 濃度值分布規律，根據北京市某5A 級辦公建筑室外和室內的PM2.5 濃度值監測結果和以上分析可得出以下結論：

(1)單位體積室外大氣內的PM2.5 質量與太陽輻射強度呈現正相關性。 在太陽輻射強度高時段，室外PM2.5 濃度值較低，太陽輻射強度低時段，室外PM2.5 濃度值較高。

(2)即使是設有新風系統的5A 級辦公建筑，在新風系統開啟的情況下，進入室內的PM2.5 細顆粒污染物濃度仍達到室外濃度的50%，無法滿足健康建筑的標準(10 μg/m3)。

(3)目前5A 級辦公建筑缺乏有效應對PM2.5污染物手段的原因主要是因為相應空氣處理系統運行成本和能耗較高。 提出的新型新風凈化系統，可根據室內空氣污染物情況對新風進行按需供給，有效去除PM2.5 污染物的同時減少風機能耗和高效過濾器損耗。