華北電力大學 卜文濤  鄭國忠  王雅靜 趙崢崢

    【摘  要】室內空間是人們停留時間最長的環境場所，因此室內空氣質量對人體健康有直接影響。顆粒物是影響室內空氣質量的重要因素之一，尤其粒徑小于2.5μm的顆粒物對人體健康的危害更大。論文以辦公室為研究對象，研究室外污染源作用下室內顆粒物的污染特征及動態變化。室外污染源實驗以PM10為研究參數，室外PM10質量濃度濃度分別處于200-300、300-400、400-500、500-600、600-700μɡ/m3五種工況。首先分析五種工況下室內顆粒物質量濃度和粒子數濃度的變化特征；其次，分析了每種工況下室內不同粒徑間顆粒物質量濃度的最大增幅及最大增長率,比較了室外不同顆粒物濃度時各個粒徑間顆粒物的穿透因子；最后，選取夏季136組數據和冬季75組數據，研究了室內外顆粒物的相關性。研究結果表明，室外滲透作用對室內PM1的質量濃度影響最為顯著，粒徑在0.3-0.5μm粒子的穿透因子均大于0.6，其滲透作用最為明顯。室外顆粒物的污染源各種各樣，顆粒物上富集了多種重金屬和細菌等，對人體健康的危害極大，因此建筑門窗的密閉性要引起足夠的重視，甚至在一些污染嚴重的地區要做雙層門窗。

    【關鍵詞】空氣顆粒物，質量濃度，粒子數濃度，室內空氣質量

Abstract: People spend most of their time in indoor environment. The indoor air quality has a direct impact on human health. Particulate matter is one of the important factors affecting the indoor air quality, especially particulate matter whose diameter is less than 2.5μm are more harmful to human health. The paper selects an office as the study object and studies the pollution characteristics and dynamic changes of indoor particulate matter in different outdoor pollution levels. The outdoor PM10 concentration levels are set in the range of 200-300, 300-400, 400-500, 500-600, 600-700μɡ/m3, individually. Firstly, the change characteristics of the mass concentration and the number concentration of the particulate matter in the five operating conditions were analyzed. Secondly, the maximum increase rate and the maximum growth rate of different particle sizes in the five conditions were analyzed. Then the penetration factors of particulates in different sizes were compared among the five conditions. Finally, 136 groups of data in summer and 75 groups of data in winter were selected to study the correlation between indoor particulate matter and outdoor particulate matter. The study results show that the effect of outdoor infiltration has a great influence on the indoor PM1 mass concentration, and the penetrating factor of particulate matter with its size between o.3μm and 0.5μm is higher than 0.6, and their permeability is the most obvious. The pollution sources of the outdoor particulates are various, and the particulate matter contains heavy metals, bacteria and etc. Therefore, air tightness of door and window should be paid attention, especially double window is suggested in some areas with serious air pollution.
Keywords: Air particulate matter, Mass concentration, Particle number concentration, Indoor air quality

1 緒論

    隨著我國社會經濟的高速發展和人們生活水平的不斷提高，人們對室內環境的要求已經不僅僅限于室內熱舒適性，同時也更加關注室內顆粒物的污染，即室內空氣質量（Indoor Air Quality）。據相關數據表明，絕大多數人70%~90%的時間是在室內度過的^[1] ，對于老弱病殘人士在室內停留的時間則更久。因此，室內空氣質量直接關系到人體的健康。目前，室內空氣質量已成為建筑學、醫學衛生、暖通空調工程、建筑環境學、房地產等日益關注的話題，也是現代建筑科學的前沿研究課題。顆粒污染物是當前室內污染的首要污染物，特別是細顆粒物PM2.5，其上富集多種有害物質，并且是微生物存活的載體，能夠進入人體機理更深處，因此對人體健康危害更大。顆粒物是室內空氣中重要的污染物，嚴重影響室內空氣的品質，是考察室內空氣質量的一個重要指標。

    學者對室內外顆粒物濃度關系的研究表明，進入室內環境的顆粒物質量濃度與室外大氣顆粒物質量濃度處于同一數量級^[2-4] ，且由室外通過圍護結構進入室內的顆粒物對人體的危害更為嚴重^[5] 。由此可見，室外污染源會造成室內空氣污染，如果要提高室內空氣質量，必須考慮室外污染源對室內顆粒物的影響。室外顆粒物通過門窗縫隙的滲透、自然通風的新風以及人員進出帶入室內，從而影響室內顆粒物的濃度及污染特征。室內顆粒物的狀態是個動態變化過程，其變化受到各種因素的影響，而多數的文獻在進行研究時都以穩態問題對待，如果從動態的角度來分析室內顆粒物的狀態，則更有益于我們不斷認識和理解室內顆粒物的污染特征，有利于控制室內顆粒物污染，并提出改善室內空氣質量的針對性措施。本論文以辦公室為研究對象，在室內進行室外滲透實驗，測試各種工況下室內顆粒物的質量濃度和粒子數濃度的變化，研究室外不同顆粒物濃度作用下室內顆粒物的污染特征及動態變化。

2 實驗過程與方法

    2.1 實驗條件

    本課題選取華北電力大學某辦公樓三層的一間辦公室為實驗場所，該辦公室遠離交通要道。該辦公室面積約為38.8m²（7.6m×5.1m），門的面積為1.8m²（0.9m×2.0m），所開窗的面積為4.2m²（1.2m×0.87m×4），地面是普通的水泥砂漿地面。實驗中采樣點根據對角線原則設置在房間的中心位置，距地面高度0.8m^[6] ，智能粉塵檢測儀和激光粒子計數器分別放于采樣點兩側。實驗儀器如表1所示。

    2.2 實驗過程

    室外污染源即室外滲透作用，本實驗室外污染源實驗以PM10為研究參數，分別在室外PM10質量濃度處于200-300、300-400、400-500、500-600、600-700μɡ/m³五種工況下研究室外滲透作用對室內顆粒物的影響。

    以上各種工況均連續測量2小時室內顆粒物的動態變化。實驗中由于智能粉塵檢測儀需要實驗人員手動變換1.0μm、2.5μm、10μm的切割頭，占據一定的時間，所以實驗擬定每五分鐘測量一次室內PM1、PM2.5、PM10的質量濃度，激光粒子計數器每五分鐘記錄一次室內0.3-0.5μm、0.5-1.0μm、1.0-2.5μm、2.5-5.0μm、5.0-10.0μm和大于10.0μm的粒子數濃度。

3 室外污染源作用下顆粒物污染特征及動態變化研究

    3.1 不同實驗工況下室內顆粒物的變化特性

    圖1是室外PM10的質量濃度處于200-300μɡ/m³時，室內顆粒物質量濃度隨時間變化曲線。PM1的質量濃度一直平緩上升，實驗結束時其值到達最大值172μɡ/m³，比初始值高80μɡ/m³。PM1-2.5和PM2.5-10的質量濃度都隨時間在小范圍內波動，PM1-2.5的質量濃度在實驗結束時比初始值高9μɡ/m³，PM2.5-10的質量濃度沒有明顯的增幅。

    圖2是室外PM10的質量濃度處于200-300μɡ/m³時，室內顆粒物粒子數濃度隨時間變化曲線。0.3-0.5μm的粒子數濃度一直處于平緩上升的趨勢，實驗結束時其值從初始值1.5×10⁸個/m³上升到2.6×10⁸個/m³，升高了1.1×108個/m³。進一步分析實驗數據，0.5-1.0μm、1.0-2.5μm、2.5-5.0μm的粒子數濃度隨時間變化有較小增幅，實驗結束時其值分別比初始值高1.2×10⁷、1.5×10⁵、8.5×10³個/m³。5.0-10.0μm和大于10.0μm的顆粒物粒子數濃度稍有下降，實驗結束時其值分別比初始值低6.0×10³、3.2×103個/m³，這可能是其他粒徑間顆粒物粒子數濃度升高擠占了大顆粒物的粒子空間。由此可見，室外滲透作用對室內0.3-0.5μm粒子數濃度的影響最為顯著。

    圖3是室外PM10的質量濃度處于600-700μɡ/m³時，室內顆粒物質量濃度隨時間變化曲線。PM1的質量濃度一直平緩上升，實驗結束時其值從初始值202μɡ/m³升高到337μɡ/m³，增高135μɡ/m³，由于實驗后期室外顆粒物濃度較初始水平降低，所以實驗后期其增幅不是特別顯著。PM1-2.5的質量濃度在實驗中緩慢增加，實驗結束時其值從初始值17μɡ/m³增加到34μɡ/m³。PM2.5-10的質量濃度在小范圍內波動，沒有明顯的增幅。

    圖4是室外PM10的質量濃度處于600-700μɡ/m³時，室內顆粒物粒子數濃度隨時間變化曲線。0.3-0.5μm的粒子數濃度緩慢上升，實驗結束時其值從初始值3.0×10⁸個/m3上升到4.4×10⁸個/m3，升高了1.4×10⁸個/m³。實驗結束時0.5-1.0μm的粒子數濃度從初始值2.5×10⁷個/m³上升到3.5×10⁷個/m³，升高了1.0×10⁷個/m³。1.0-2.5μm、2.5-5.0μm、5.0-10.0μm和大于10.0μm的粒子數濃度隨時間沒有明顯變化。

    3.2 不同顆粒物濃度滲透對室內顆粒物的影響

    為進一步比較室外不同顆粒物濃度滲透對室內顆粒物的影響程度及每種工況下室內不同粒徑顆粒物的變化情況，分析了每種工況下室內不同粒徑間顆粒物質量濃度的最大增幅及最大增長率，結果如表2所示。

    由表2可看出，在沒有室內污染源時室外顆粒物的滲透作用對室內顆粒物濃度影響顯著，且室外顆粒物濃度越大室內顆粒物PM1的增幅越大，但不同室外濃度對室內顆粒物PM1-2.5和PM2.5-10的影響沒有顯著規律。由表可看出室內不同粒徑的顆粒物的質量濃度隨室外濃度的增加沒有呈規律性的增長，這是因為室外顆粒物濃度隨時間不斷變化，且由于天氣因素，其變化速度較快，室外顆粒物濃度不能穩定在某一范圍內，導致室內顆粒物濃度增幅隨室外顆粒物濃度的變化而變化。

    表3比較了室外不同顆粒物濃度時各個粒徑間顆粒物的穿透因子。從表中可看出各個粒徑間顆粒物的穿透因子并沒有隨室外顆粒物濃度的升高而呈逐漸上升的趨勢，這主要是因為不同室外濃度下顆粒物的物理特性不相同及室內外壓差條件不同等。從表中看出，即使在門窗緊閉的情況下，0.3-1.0μm顆粒物的穿透因子均大于0.5。

    3.3 室外滲透作用下室內外顆粒物的相關性

    為進一步研究室外滲透對室內顆粒物的影響，選取夏季136組數據和冬季75組數據，研究了室內外顆粒物的相關性。

    圖5是夏季和冬季室內PM1的質量濃度與室外PM1質量濃度的關系圖，根據圖中夏季和冬季室內外數據，利用Origin8.5分別擬合出夏季和冬季室內外PM1質量濃度的關系式：

    夏季

    C_in=21.44+0.56796C_out(r=0.71)              (1)

    冬季

    C_in=26.67+0.65842C_out(r=0.66)              (2)

    式中  C_in——室內顆粒物濃度（μɡ/m³）；
            C_out——室外顆粒物濃度（μɡ/m³）。

    圖6是夏季和冬季室內PM2.5質量濃度與室外PM2.5質量濃度的關系圖，擬合出夏季和冬季室內外PM2.5質量濃度的關系式為：

    夏季

    C_in=21.16+0.54072C_out(r=0.74)        (3)

    冬季

    C_in=26.73+0.72884C_out(r=0.72)        (4)

    圖7是夏季和冬季室內PM10質量濃度與室外PM10質量濃度的關系圖，擬合出夏季和冬季室內外PM10質量濃度的關系式為：

    夏季

    C_in=25.24+0.51969C_out(r=0.73)          (5)

    冬季

    C_in=22.90+0.75315C_out(r=0.74)          (6)

    從式（1）到式（6）可看出，夏季室內PM1的質量濃度受室外顆粒物濃度的影響更大，冬季PM10的質量濃度受室外顆粒物濃度的影響更大，而且冬季室內顆粒物受室外顆粒物的影響更大。

    綜上所述，室外滲透作用對室內PM1的質量濃度影響最為顯著，粒徑在0.3-0.5μm粒子的穿透因子均大于0.6，其滲透作用最為明顯。室外顆粒物的污染源各種各樣，顆粒物上富集了多種重金屬和細菌等，對人體健康的危害極大，因此建筑門窗的密閉性要引起足夠的重視，尤其在新建的建筑中門窗一定要按規范設計安裝，甚至在一些污染嚴重的地區要做雙層門窗。

4 結論

    本論文以辦公室為研究對象，在室內進行了室外滲透實驗，首先分析五種工況下室內顆粒物質量濃度和粒子數濃度的變化特征；其次，分析了每種工況下室內不同粒徑間顆粒物質量濃度的最大增幅及最大增長率，比較了室外不同顆粒物濃度時各個粒徑間顆粒物的穿透因子；最后，選取夏季136組數據和冬季75組數據，研究了室內外顆粒物的相關性。本文可為改善室內空氣質量、提出改善室內空氣質量的針對性措施提供依據。具體來說，通過上述研究得到以下結論：

    （1）室外滲透作用對室內顆粒物濃度影響顯著，且室外顆粒物濃度越大對室內顆粒物的影響越大，室外滲透作用對室內PM1的質量濃度影響最為顯著，PM1-2.5和PM2.5-10的質量濃度都隨時間在小范圍內波動，沒有明顯的增幅。
    （2）由于不同室外濃度下顆粒物的物理特性不相同及室內外壓差條件不同等因素的影響，各個粒徑間顆粒物的穿透因子并沒有隨室外顆粒物濃度的升高而呈逐漸上升的趨勢。在每一種實驗室外工況下，0.3-1.0μm粒子的穿透因子p均大于0.5，其滲透作用最為明顯。
    （3）夏季室內PM1的質量濃度受室外顆粒物濃度的影響更大，冬季PM10的質量濃度受室外顆粒物濃度的影響更大，而且冬季室內顆粒物受室外顆粒物的影響更大。
    （4）室外顆粒物的污染源各種各樣，顆粒物上富集了多種重金屬和細菌等，對人體健康的危害極大，因此建筑門窗的密閉性要引起足夠的重視，尤其在新建的建筑中門窗一定要按規范設計安裝，甚至在一些污染嚴重的地區要做雙層門窗。

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    備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2018年10月刊總第15期（第21屆暖通空調制冷學術年會文集）。
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