建筑室內顆粒物防控方法及工程實踐

空氣污染能夠顯著影響人群死亡率和發病率。根據 2017 年全球疾病負擔研究（Global Burden of Disease Study，GBD），2017 年我國大氣 PM2.5污染造成的總死亡例數為 85 萬例[1]。大量研究表明，PM2.5與心血管疾病、高血壓、冠心病、卒中、呼吸系統疾病和慢性阻塞性肺病等具有暴露-反應關系[2-4]。

我國成年人平均室內活動時間占全天時間的 81%[5]。因此，通過防控技術的應用，有效降低室內人員健康風險暴露，對保障民眾健康，提升高品質綠色建筑具有重要意義。國內學者李景廣等[6]提出了 PM2.5防控計算模型公式以及關鍵邊界參數范圍。王清勤等[7]提出了不同 PM2.5污染地區的住宅室內空氣凈化器選型表。趙力等[8]提出了建筑室內 PM2.5污染控制技術和解決方案，開展了室內外 PM2.5污染實測分析。曹國慶等[9]提出了空氣過濾器過濾效率簡化選型計算公式，結合工程實測，給出了集中空調系統空氣過濾器等級組合建議。李旻雯等[10]針對某中學教室開展了 PM2.5污染防護技術應用。此外，還有一些文獻研究了不同通風凈化措施、空氣凈化技術在工程中的應用效果[11-12]。然而上述研究或聚焦于設計計算，或立足于某一技術在某一工程中的應用，仍缺乏基于建筑建設全生命期的從設計到施工到驗收檢測的 PM2.5防控技術體系及其應用效果驗證，也缺乏全國不同地區不同建筑類型的設計計算與工程實測間的對比分析。

綜上，本文的目的是制定建筑設計、采購、施工、驗收的全過程防控策略，并通過實際多項工程驗證其有效性。

1 建筑室內顆粒物防控方法

1.1 方法流程

本文結合建筑工程全生命期，提出了建筑室內顆粒物防控方法。控制方法流程如圖1 所示。在設計階段，開展顆粒物防控設計，根據室外顆粒物計算日濃度、室內污染源強、滲透風換氣次數、穿透系數等邊界條件，選擇適宜的通風凈化系統形式并進行設備選型，計算室內顆粒物濃度滿足相關標準要求。在施工圖說明及招采技術文件中明確凈化設備性能要求。在采購階段，對擬采購設備的性能進行檢測，若滿足要求則進行采購，若不滿足要求須更換供應商、選擇滿足性能要求的產品，或修改凈化方案（如增加室內空氣凈化器等）。在施工階段，編制施工作業指南，開展進場設備抽檢、現場施工質量巡檢及問題整改，確保設備、系統及建筑性能滿足設計要求。施工完成后，根據本文提出的測試方法，對室內顆粒物濃度進行驗收測試，評價通風凈化系統運行效果。

圖1 建筑室內顆粒物防控流程圖

1.2 計算模型

室內 PM2.5濃度計算采用質量守恒方程，并假設室內污染物混合均勻，且不考慮濃度不均勻性，見式（1）。

式中：G—室內污染物源強，μg/h；

V—房間容積，m3；

C—室內設計日濃度，μg/m3；

Co—室外計算日濃度，μg/m3；

αl—滲透風換氣次數，次/h；

Pl—穿透系數；

αo—新風換氣次數，次/h；

Peo—新風凈化設備當量穿透系數；

αr—回風換氣次數，次/h；

Per—回風凈化設備當量穿透系數；

αir—空氣凈化器循環風換氣次數，次/h；

Pir—空氣凈化器穿透系數；

τ— 時間。

2 研究對象及研究方法

為驗證本研究提出的顆粒物防控方法的有效性及計算模型的準確性，本研究在 11 項工程中開展了項目應用與驗證。工程建成后，實地測試獲得室內新風量、滲透風量、室外 PM2.5濃度、新風口 PM2.5濃度等計算邊界條件，再通過計算模型計算室內 PM2.5濃度水平，對比計算值與實測值之間的誤差并分析誤差來源，驗證方法的可靠性和準確性。

2.1 研究對象

本研究在全國不同區域的 11 個城市，開展了 11 項工程的 PM2.5防控工程實踐及測試，建筑類型包括住宅與學校。具體工程信息情況見表1。

表1 工程信息表

2.2 測試方法

本研究測試分析了 PM2.5濃度參數，測試方法分為直接法與間接法。當室外 PM2.5濃度水平高于計算日濃度時，用直接法，即直接測試室內外 PM2.5濃度。當室外 PM2.5濃度水平低于計算日濃度時，采用間接法：在新風口發塵模擬室外霧霾工況，使新風口 PM2.5濃度高于計算日濃度，測試此時的室內、室外及新風口 PM2.5濃度水平。本研究工程 E、G、K 采用直接法，其他工程采用間接法。測試儀器采用光散射顆粒物測試儀，每 0.5 min 記錄一次，室內、室外、風口濃度同時測量，測試時間為 10 min。

3 研究結果

3.1 工程實測結果

本研究根據前面提出的建筑室內顆粒物防控方法，在 11 項工程中開展了工程實踐。工程建成后，按測試方法測試了 11 項工程的房間的 PM2.5濃度，如圖2 所示。測試期間，室外 PM2.5濃度在 19～249 μg/m3之間。對比工程所在地的室外計算日濃度，工程 E、G、K 測試當天的實測室外 PM2.5濃度高于室外計算日濃度，因此采用直接法，其他工程采用間接法進行測試分析。采用間接法時，在新風吸風口處持續釋放 PM2.5，濃度在 160～696 μg/m3之間，均高于室外計算日濃度。被測房間內的 PM2.5濃度在 7～26 μg/m3之間，均可滿足 35 μg/m3的設計要求。綜上可知，應用本研究提出的建筑室內 PM2.5防控方法，當室外 PM2.5濃度高于計算日濃度時，室內 PM2.5濃度均可滿足要求。

圖2 PM2.5 濃度測試值

3.2 計算模型預測準確性分析

為驗證本研究提出的設計計算模型的準確性，本研究將測試獲得的邊界條件（新風換氣次數、滲透風換氣次數、回風換氣次數、室外 PM2.5濃度、新風系統吸風口 PM2.5濃度、凈化系統出風口 PM2.5濃度等），通過式（2）計算模型計算室內 PM2.5濃度水平，并將計算值與實測值進行對比分析。其中，穿透系數按 0.8 估算，房間內無室內人員、設備產塵，因此室內污染物源強按 0 計算。

通過對比分析， 11 項工程的實測室內 PM2.5濃度在 6～29 μg/m3，計算 PM2.5濃度在 7～26 μg/m3，如圖3 所示。計算值與實測值之間的絕對誤差在 1～9 μg/m3。由此可知，本研究提出的顆粒物防控方法及計算模型可滿足工程實踐應用需求。

圖3 室內 PM2.5 的計算值與實測值對比

進一步分析，引起 PM2.5計算濃度與實測濃度差異可能有以下原因：①由于通風系統開啟與不開啟時的室內外壓差不同，導致滲透風換氣次數不同。但是，實測過程中獲取通風系統開啟狀態下的滲透風換氣次數存在困難，因此本研究測試的滲透風換氣次數為關閉通風系統時的值。②室外 PM2.5濃度梯度分布不均勻。發塵過程中存在被測房間周圍 PM2.5梯度分布不均，而實際測試中僅測了某一點處的 PM2.5濃度。③由于預測方法簡化了計算模型，未考慮室內 PM2.5的濃度分布不均勻性及沉降等因素，因此存在計算偏差，但誤差仍在工程可接受范圍內。

4 結 語

為降低室內人員顆粒物暴露水平，保障民眾健康，本研究提出了適用于工程的建筑室內顆粒物防控方法，制定了建筑設計、采購、施工、驗收的全過程防控策略。

本研究在全國不同城市開展了 11 項工程的 PM2.5防控工程實踐及測試。根據現場測試，當室外 PM2.5濃度高于計算日濃度時，室內 PM2.5濃度均可滿足 35 μg/m3的設計要求。根據對比分析，測試值與計算值的絕對誤差在 1～9 μg/m3。因此，針對全國不同地區的不同功能建筑，在不同室外污染工況下，本研究提出的防控方法均可有效保障室內 PM2.5濃度水平，且計算模型精度滿足工程實踐應用需求。