蘭州市某辦公建筑室內外 PPMM22..55 濃度變化特征及相關性分析

楊全兵，王公勝，康益賓（甘肅省建筑科學研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730070）

室內顆粒物濃度是評價室內空氣質量的重要指標之一[1]。室內可吸入顆粒物（PM10）中細顆粒物（PM2.5）占主要部分，其對重金屬、氣態污染物有明顯吸附作用，同時也是病毒和細菌的載體，對人體健康危害嚴重[2]。現代居民在室內活動的時間可達 90%，因此，研究室內外 PM2.5的變化特征對改善建筑室內空氣質量尤為重要。

針對 PM2.5濃度的變化特征，樊越勝等[3]對陜西省西安市某辦公建筑的室內外 PM10和 PM2.5的質量濃度進行了實時監測和線性擬合。趙力等[4]對北京市某辦公建筑室內外PM2.5及 I/O 比值（室內外顆粒濃度比值）變化規律進行實時監測。張金萍等[5]探究了不同住所室內 PM2.5的濃度水平隨室外顆粒物及室內污染源的變化規律。以上研究結果表明，室內外細顆粒濃度之間存在顯著相關，室外顆粒物是室內污染的主要來源之一。

目前，我國室外環境監測系統及平臺較為完善，但搭建室內環境監測系統的建筑較少，尤其是辦公建筑。甘肅省蘭州市城區地處黃河河谷，南北兩山夾持，是典型的河谷型城市，不利于空氣污染物擴散[6]。為進一步探究蘭州市辦公建筑室內空氣品質，提出合理的通風策略，本研究基于蘭州市某辦公建筑，選取春、夏、冬 3 個季節為研究時段，分析對比在無機械通風條件下，建筑室內外 PM2.5質量濃度變化特征和 I/O 比值變化規律，以及其他氣象參數與 PM2.5質量濃度的相關性。

1 試驗方法

1.1 采樣地點

選取位于甘肅省蘭州市安寧區的某辦公建筑為研究對象。建筑毗鄰黃河，南側為市政綠化帶，周圍無明顯污染源，室外空氣主要受交通排放源影響。室內空氣質量監測點分別布設在 2 F 辦公室、9 F 西側電梯廳以及 12 F 公共會議室，自動監測裝置安裝在房間頂部。室外監測點布設在辦公建筑樓頂，距離屋頂面高 2 m。其中 2 F 辦公室建筑面積為40 m2，監測期間無辦公人員；9 F 西側電梯廳為主要辦公用梯，人員流動性較大；12 F 公共會議室僅在舉行大型會議時使用。

1.2 采樣時間與方法

自動監測裝置自 2019 年 9 月起開始采集數據，每天連續 24 h 對室內外 PM2.5質量濃度、干球溫度、相對濕度，室外風速、風向等參數同時進行監測。監測按 1 次/30 s 取數據，取算術平均值作為該監測點的日均細顆粒濃度。根據數據采集情況，最終選擇 2019 年 12 月、2020 年 4 月、2020年 6 月的監測數據作為分析對象。

PM2.5污染程度劃分方法參照 GB 3095—2012《環境空氣質量標準》及中國環境監測總站，劃分為 6 級。具體PM2.5日均濃度值對應的空氣質量等級如表 1 所示。

表1 PM2.5 日均濃度對應的空氣質量等級

2 監測結果分析與討論

2.1 不同季節室內外 PM2.5 濃度變化特征

2.1.1 不同季節室內外 PM2.5 污染水平

春季、夏季、冬季辦公建筑室內外 PM2.5質量濃度的日均變化結果如圖 1 所示。由圖 1 可知，在不同季節，室內外PM2.5質量濃度變化趨勢一致，其中 9 F 電梯廳由于人員活動頻繁等原因，PM2.5質量濃度日小時均值普遍高于室外。辦公樓室外 PM2.5日均質量濃度最大值為 86.09 μg/m3，出現在冬季；最小值為 3.57 μg/m3，出現在春季。室內 PM2.5日均質量濃度最大值為 93.69 μg/m3，出現在冬季；最小值為1.99 μg/m3，出現在夏季。按照 GB 3095—2012，I/O 比值可以直接反映室內外顆粒物的濃度關系[7]。分析發現，日均I/O 比值最大為 3.05，出現在春季（9 F 電梯廳）；最小為0.14，出現在夏季（2 F 辦公室）。總體上，春季、冬季 I/O比值不同程度地高于夏季。原因可能是室外 PM2.5質量濃度較高時，可通過圍護結構進入室內，成為室內細顆粒物污染的主導因素，此時 I/O 比值較小。當室內人員活動產生較大細顆粒物時，I/O 比值升高。

圖1 不同季節室內外 PM2.5 質量濃度及 I/O 值

監測數據與 GB 3095—2012 二級標準 75 μg/m3相比，該辦公建筑春季和夏季室內外空氣質量較好，無超標。相比之下，冬季室內外空氣質量較差，12 F 會議室、9 F 電梯廳、室外分別約有 50%、87%、73% 的時間 PM2.5質量濃度超過 35 μg/m3。其原因可能有以下幾個方面。① 冬季氣溫較低，易出現逆溫層，導致細顆粒物難以擴散。② 受采暖期影響，燃煤量顯著升高。③ 夏季室外空氣相對濕度較高，濱河路綠化環境良好，植被吸收和阻滯 PM2.5能力較強。

2.1.2 不同季節室內 PM2.5 日變化特征

辦公建筑春季、夏季、冬季監測期間室內外 PM2.5質量濃度日間小時均值實測結果如圖 2、圖 3 所示。由圖 2、圖3 可知，春、夏季室內外 PM2.5質量濃度變化趨勢類同，白天時段峰值均集中在 9:00～11:00，夜間時段峰值均出現在4:00～5:00。低谷值集中在 16:00～22:00，其中春季室外PM2.5質量濃度最小值出現在 19:00，室內會議室、9 F 電梯廳、2 F 辦公室的最小值分別出現在 20:00、21:00、22:00；夏季室外 PM2.5質量濃度最小值出現在 16:00，室內 3 個監測點的最小值分別出現在 16:00、19:00、21:00。冬季室內外 PM2.5質量濃度日小時均值變化如圖 4 所示。由圖 4 可知，冬季室外內 PM2.5質量濃度日間小時均值總體呈現夜間高于白天的趨勢。除 9 F 外，其他監測點的峰值均出現在00:00，低谷值集中在 22:00～23:00。夜間 PM2.5濃度較高可能是由于在夜間形成了溫差效應進一步形成熱島環流[7]。

圖2 春季室內外 PM2.5 質量濃度日小時均值變化

圖3 夏季室內外 PM2.5 質量濃度日小時均值變化

圖4 冬季室內外 PM2.5 質量濃度日小時均值變化

2.2 室內外 PM2.5 質量濃度相關性分析

利用“統計產品與服務解決方案”軟件 SPSS（Statistical Product and Service Solutions） 對建筑室內外 PM2.5質量濃度進行相關性分析。經過 Pearson 相關系數（Pearson Correlation Coefficient） 檢驗，得到的結果如表 2 所示。由表 2 可知，在不同季節，室內外 PM2.5質量濃度之間均相關性顯著，且為正相關（R＞ 0）。

表2 室內外 PM2.5 質量濃度相關性

室內外 PM2.5質量濃度線性回歸如圖 5 所示。由圖 5 可知，監測期間，平均約有 49% 的室外 PM2.5通過建筑圍護結構進入室內；當室外 PM2.5質量濃度＞40 μg/m3時，線性離散度變大。

圖5 室內外 PM2.5 質量濃度線性回歸

2.3 室外氣象參數對室內外 PM2.5 濃度影響

2.3.1 氣溫及相對濕度影響

利用 SPSS 軟件分析室內外 PM2.5質量濃度與溫濕度之間的關系，結果如表 3 所示。由表 3 分析可知，不同季節室內外 PM2.5質量濃度與所處環境相對濕度變化規律類似，存在正相關性，即室內外 PM2.5質量濃度隨室外空氣相對濕度的升高而升高。相關研究顯示，空氣相對濕度有利于促進生成硝酸鹽和硫酸鹽等二次顆粒物，導致細顆粒物濃度升高[8]。不同季節不同室內空間 I/O 比值均與室內外相對濕度存在負相關性。

表3 不同季節室內外 PM2.5 質量濃度與溫濕度關系

室內外空氣溫度與不同季節室內外 PM2.5質量濃度相關性較弱。春、夏季節，室內外 PM2.5質量呈現隨氣溫的升高而減小的特征；冬季變化規律則相反。I/O 比值變化特征如下所示，春、冬季節，室內 I/O 比值與室內外空氣溫度存在負相關性；夏季室內 I/O 比值與室外空氣存在正相關性，但這種相關性不顯著。

2.3.2 室外風速影響

室外風速決定了室外空氣懸浮顆粒物的衰減程度及其擴散范圍。一般情況下，風速越大顆粒物擴散的范圍越大，衰減程度越厲害，空氣中的顆粒物濃度也越多，即風速與顆粒物濃度成反比[9]。不同季節室內外 PM2.5與室外風速關系如表 4 所示。由表 4 可知，無論什么季節，室外風速與室內外PM2.5質量濃度均存在較為顯著的負相關性，而與室內不同空間 I/O 比值存在正相關性。

表4 不同季節室內外 PM2.5 與室外風速關系

3 結 語

本文研究了辦公建筑不同季節（春季、夏季、冬季）室內外 PM2.5質量濃度的變化特征，分析了空氣溫度、相對濕度、室外風速對室內 PM2.5質量濃度的影響，得到了如下結論。

（1）監測期間，辦公樓室外 PM2.5日均質量濃度最大值為 86.09 μg/m3，最小值為 3.57 μg/m3；室內 PM2.5日均質量濃度最大值為 93.69 μg/m3，最小值為 1.99 μg/m3。室內外 PM2.5質量濃度最高值均出現在冬季，最低值分別出現在春季和夏季。日均 I/O 值最大為 3.05，最小為 0.14，夏季I/O 比值明顯低于冬季。

（2）監測期間，冬季室內外 PM2.5質量濃度水平高于春、夏季。冬季室內 12 F、9 F分別有 50%、87% 的時間PM2.5質量濃度為良，室外約有 73% 的時間 PM2.5質量濃度為良。

（3）春、夏季室內外日小時均值變化為白天（9:00～11:00）和凌晨（4:00～5:00）較高，低谷值集中在 16:00～22:00。冬季室內外日小時均值變化趨勢為夜間高于白天，峰值在 00:00 左右，低谷值在 22:00～23:00。

（4）在不同季節，室外風速與室內 PM2.5質量濃度均存在較為顯著的負相關性，與 I/O 比值存在正相關性。室內外空氣相對濕度與室內外 PM2.5質量濃度呈正相關，與 I/O比值存在負相關性。室內外空氣溫度與 PM2.5質量濃度水平及其 I/O 比值的相關性整體上不顯著，無統一變化特征。

本研究通過連續監測，進一步證實了室內 PM2.5質量濃度及 I/O 比值受室外空氣污染源的顯著影響，同時也驗證了室外氣象參數對室內 PM2.5質量濃度的影響特征。這為今后研究被測辦公建筑通風方案，改善室內空氣質量奠定了基礎。