趙 枚 丁澤群 楊翠英

（國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 北京 100095）

辦公建筑室內(nèi)PM2.5濃度分析與控制策略研究

趙 枚 丁澤群 楊翠英

（國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司 北京 100095）

為了進一步的研究PM2.5濃度變化對室內(nèi)環(huán)境的影響規(guī)律，項目對北京某辦公樓進行PM2.5濃度及“IO比”變化規(guī)律進行了監(jiān)測，并且在利用實驗的方法定量的計算了辦公建筑室內(nèi)主要污染源香煙的PM2.5散發(fā)量，同時利用實驗的方法驗證了基于室內(nèi)質(zhì)量平衡的室內(nèi)PM2.5濃度的控制理論，從而為進一步研究PM2.5和控制室內(nèi)PM2.5濃度提供了一定的科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

辦公建筑 ；室內(nèi)PM2.5濃度；“IO比”；質(zhì)量平衡

引言

2013年，“霧霾”成為年度關(guān)鍵詞。2013年的1月期間，有4次霧霾過程并且籠罩30個省（區(qū)、市），而在北京，僅有5天不是霧霾天。根據(jù)報告顯示，在我國最大的500個城市當(dāng)中，僅有不到1%的城市能夠達到世界衛(wèi)生組織所推薦的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。并且在這同時，全球污染最厲害的10個城市中有7個在中國。持續(xù)蔓延的霧霾天氣導(dǎo)致的空氣污染問題，不僅讓社會公眾對空氣污染和PM2.5有了新的認識，而且已逐漸引起我國政府部門對顆粒污染物PM2.5的重視及對已有的粗放生產(chǎn)方式的思考。

近些年以來，大量的醫(yī)學(xué)研究結(jié)果表明人類的發(fā)病率及死亡率和大氣中的懸浮顆粒物（PM）的質(zhì)量濃度存在著明顯的正相關(guān)性[1]，即使這一濃度值低于相應(yīng)的國家控制標(biāo)準(zhǔn)值，這個相關(guān)性仍然存在且較為明顯。

現(xiàn)有的多項研究數(shù)據(jù)結(jié)果表明我國城市室內(nèi)環(huán)境中的PM2.5污染程度較為嚴重，因此對于室內(nèi)PM2.5形成的機理、來源以及其室內(nèi)濃度的分布特征的研究已經(jīng)成為了現(xiàn)在公共健康和室內(nèi)空氣品質(zhì)等研究領(lǐng)域所共同關(guān)注的問題，室內(nèi)PM2.5的防治已經(jīng)到了已刻不容緩的地步。

1 室內(nèi)PM2.5濃度的測試及其分析

1.1測試時間、地點

本研究的測試地點位于北京市海淀區(qū)某園區(qū)內(nèi)的辦公樓，于2015年5月26日至2015年6月12進行連續(xù)測試。

1.2 測試及實驗裝置和設(shè)備

測試和實驗中所使用的PM2.5粉塵測試儀為美國TSI生產(chǎn)的8532手持式氣溶膠檢測儀，其主要參數(shù)如下表所示：

表1 TSI8532手持式氣溶膠檢測儀主要技術(shù)參數(shù)

1.3 測試方法

以該辦公樓的三個室內(nèi)辦公區(qū)域以及一個室外測點為測試點。測試所選取的三個區(qū)域為具有代表性質(zhì)的區(qū)域，分別為大區(qū)域的靠近走廊部分、大區(qū)域的內(nèi)區(qū)部分以及小辦公間的內(nèi)區(qū)部分。

1.4 對于測試數(shù)據(jù)的處理和分析

前期PM2.5測試數(shù)據(jù)的整理，本次整理的檢測數(shù)據(jù)從2015年5月26至6月12日，分析了大辦公區(qū)1，大辦公區(qū)2以及小辦公區(qū)的室內(nèi)PM2.5濃度隨室外PM2.5濃度變化的趨勢。此時PM2.5濃度變化分別如圖1所示。

圖1 PM2.5濃度測試數(shù)據(jù)

從圖1中可以看出，大辦公區(qū)1、2以及小辦公區(qū)的室內(nèi)PM2.5濃度的變化與同時間室外PM2.5濃度趨于一致，規(guī)律較為明顯。從圖1中可以看出，濃度最高的地方大部分都在室外，大辦公區(qū)1、2次之，小辦公區(qū)最小。當(dāng)室內(nèi)除人員散發(fā)外沒有其它較大的污染源時室外的PM2.5濃度會最高，而大辦公區(qū)1因為靠近走廊受外界區(qū)域的干擾較大，使得其濃度僅次于室外的PM2.5濃度值，而大辦公區(qū)2和小辦公區(qū)因為處于內(nèi)區(qū)，且外窗緊閉，受外界干擾少，室內(nèi)的PM2.5散發(fā)量較為穩(wěn)定。

2 室內(nèi)PM2.5濃度的控制理論分析

室內(nèi)PM2.5濃度的控制理論是基于室內(nèi)質(zhì)量平衡理論。室內(nèi)環(huán)境中大氣懸浮顆粒物濃度取決于室外顆粒物進入和離開室內(nèi)的速率和顆粒物在室內(nèi)環(huán)境中被消除、發(fā)生轉(zhuǎn)變以及重新懸浮速率以及顆粒物在室內(nèi)產(chǎn)生的速率。如果不計顆粒物的室內(nèi)產(chǎn)生源，容積為V的房間內(nèi)顆粒物濃度在時間t內(nèi)變化可表示如下：

假設(shè)空氣各向同性，并且空氣與室內(nèi)物體表面沒有溫差，室內(nèi)顆粒物濃度均勻，且污染源是穩(wěn)定的，則室內(nèi)PM2.5質(zhì)量平衡控制方程表示：

V 為房間體積（m3）；Qs為送風(fēng)風(fēng)量，m3/s；Qh為回風(fēng)風(fēng)量，m3/s；Qis為室內(nèi)滲透到室外的風(fēng)量，m3/s；Qos為室外滲透到室內(nèi)的 風(fēng)量，m3/s；Cs、Ci、Co分別為送風(fēng) 的PM2.5濃度、室內(nèi)外 PM2.5的濃度，mg/m3；S、R 分別為室內(nèi)PM2.5的生成和消失速率，mg/s。

3 實驗結(jié)果及其分析

3.1 香煙煙霧的PM2.5散發(fā)量及自然衰減實驗

人的一生中有70%～90%的時間在室內(nèi)度過，無疑室內(nèi)空氣品質(zhì)對人體健康的影響很大[2].所以，研究室內(nèi)的空氣品質(zhì)并預(yù)測室內(nèi)的微細顆粒物濃度水平已經(jīng)成為亟待解決的課題。

對于辦公建筑而言，室內(nèi)PM2.5污染主要來源于人類的活動，比如吸煙，掃地等，但是相對于其他的污染源，吸煙所造成的PM2.5污染最嚴重。實驗首先對香煙煙霧的PM2.5散發(fā)量進行了測試，在實驗室中接連點燃3根香煙，燃燒時間為30min，每根香煙燃燒10min左右，其室內(nèi)濃度峰值在香煙燃盡后達到，為517μg/m3，根據(jù)房間的體積進行計算，測得3支香煙共計散發(fā)27.401mg/m3,每支香煙的PM2.5散發(fā)非常均勻，也就是說每支香煙的PM2.5散發(fā)濃度9.134mg/支。上述實驗測得的香煙PM2.5散發(fā)量為扣除自然衰減后的，所以為了準(zhǔn)確的得到香煙PM2.5散發(fā)量進行自然衰減實驗。

根據(jù)《空氣凈化器》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18801-2008）[3]以及美國家用電器制造商協(xié)會（AHAM）的《便攜式家用電動室內(nèi)空氣凈化器性能測試方法》（ANSI/AHAM AC-1-2006）[4]中自然衰減常數(shù)的計算方法得公式：

其中，Cti為 t時刻的 PM2.5濃度（μg/m3），C0 為初始時刻的PM2.5濃度（μg/m3），k為自然衰減常數(shù)，t時間單位為min。對上述公式兩邊取對數(shù)，其所得式子（3-2）如下：

對室內(nèi)PM2.5濃度值取對數(shù)做線性回歸，其斜率值即為香煙煙霧的PM2.5自然衰減常數(shù)，其線性回歸圖如圖2所示。

圖2 香煙煙霧自然衰減線性圖

實驗中所得的自然衰減線形圖的R2=0.9413，雖然略低于《空氣凈化器》國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 18801-2008）以及美國家用電器制造商協(xié)會（AHAM）的便攜式家用電動室內(nèi)空氣凈化器性能測試方法（ANSI/AHAM AC-1-2006）中R2要大于0.98的要求，但是因為本實驗中測試時間相對于其標(biāo)準(zhǔn)測試方法長很多，取點較多，所以其結(jié)果基本可信，線性關(guān)系良好。所得的香煙煙霧PM2.5自然衰減常數(shù)為0.009698min-1。

而根據(jù)文獻可知，室內(nèi)污染物源濃度散發(fā)量的計算公式如下：

其中 Cin為室內(nèi) PM2.5 濃度（μg/m3），Cout為室外PM2.5濃度（μg/m3），P為穿透效率，α為室內(nèi)換氣次數(shù)，Qs為室內(nèi)污染源產(chǎn)生速率，k為自然衰減速率，V為實驗室體積（m3）。對公式（3-3）進行變形，可得下式：

3.2 凈化器風(fēng)量測試實驗

為了更準(zhǔn)確的對凈化實驗進行分析，對本文中所使用的凈化器進行風(fēng)量測試，參考《通風(fēng)與空調(diào)工程施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50243-2002）的風(fēng)量測試方法，分別對凈化器的送風(fēng)口和回風(fēng)口進行風(fēng)量測試，使用熱線風(fēng)速儀對兩個風(fēng)口分別取點測試風(fēng)速，然后根據(jù)風(fēng)口面積與風(fēng)口平均風(fēng)速計算風(fēng)量，其中回風(fēng)口取9個測試點，送風(fēng)口取6個測試點。

回風(fēng)口面積為0.315m×0.365m，送風(fēng)口面積為（0.2m×0.12m+0.1m×0.12m），因為送回風(fēng)口為格柵式，考慮遮擋系數(shù)計算得回風(fēng)口風(fēng)量401.03m3/h，送風(fēng)口風(fēng)速460.68m3/h，而凈化器廠家聲稱在低速運行下風(fēng)量為350m3/h，與廠家提供的數(shù)據(jù)有一定出入。

3.3 香煙煙霧的PM 2.5凈化實驗

在凈化實驗中實驗環(huán)境良好，室內(nèi)外PM2.5濃度穩(wěn)定在0μg/m3，因此可以認為無室外PM2.5滲透。為了更好地進行實驗對比，實驗前先點燃一支香煙使室內(nèi)PM2.5濃度穩(wěn)定在 124μg/m3，即房間初始濃度為124μg/m3，然后點燃香煙，使室內(nèi)香煙持續(xù)燃燒1小時同時開啟凈化器，將兩臺TSI8532手持式氣溶膠檢測儀分別置于凈化器的進出口處，設(shè)置其每30秒記錄一次數(shù)據(jù)，其記錄結(jié)果如圖4所示。

圖4 凈化實驗1中凈化器進出口濃度變化圖

從圖4中可以看出，雖然在實驗初始階段凈化器進出口濃度值較小，且波動較大，但當(dāng)香煙燃燒幾分鐘后其凈化器進出口濃度值較為穩(wěn)定，其中出口濃度基本穩(wěn)定在100μg/m3左右，而進口濃度基本穩(wěn)定在220μg/m3左右，房間內(nèi)PM2.5濃度值基本穩(wěn)定。根據(jù)上述數(shù)據(jù)計算凈化器的凈化效率。

圖5 凈化器凈化效率變化圖

從圖5可以看出，凈化器的凈化效率波動較大，效率在50%-68%之間波動，平均效率為60.93%。根據(jù)計算的結(jié)果雖然凈化效率遠低于其標(biāo)榜的數(shù)值，但凈化效果還是較為明顯，可以通過在有持續(xù)室內(nèi)污染源時凈化與未凈化的室內(nèi)PM2.5濃度值變化圖（圖6）。

圖6 有持續(xù)室內(nèi)污染源時凈化與未凈化的室內(nèi)PM2.5濃度值變化圖

從圖6中可以看出，當(dāng)室內(nèi)有凈化和無凈化時的區(qū)別還是非常明顯，當(dāng)室內(nèi)有持續(xù)的香煙煙霧污染時其PM2.5上升速率極快。根據(jù)本文第三章中的質(zhì)量平衡理論中的公式將凈化實驗中的條件帶入做出一條平衡曲線，如圖7所示。

圖7 凈化實驗中室內(nèi)濃度實際值與預(yù)測對比變化圖

從圖7中可以看出，在凈化實驗中的條件下，隨時間的變化室內(nèi)PM2.5的濃度增長速度在逐漸減小，實驗實際測試的數(shù)據(jù)與利用平衡理論所預(yù)測的數(shù)據(jù)吻合度也相當(dāng)高，說明了理論的可靠性。

結(jié)語

對于辦公建筑而言，室內(nèi)PM2.5的污染來源主要還是來源于室外，根據(jù)檢測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)對于夏季的辦公建筑而言其“IO比”主要集中在0.5左右。根據(jù)實驗可知室內(nèi)的主要PM2.5污染源香煙煙霧（對于普通的香煙而言）其PM2.5顆粒物的自然衰減常數(shù)為0.009698min-1，散發(fā)量為11.79mg/支，散發(fā)速率為1.179mg/min。

對于室內(nèi)家用凈化器而言，其效率并沒有其標(biāo)稱值那么高，且效率波動明顯。另外，基于室內(nèi)質(zhì)量平衡理論的室內(nèi)PM2.5濃度控制理論在一定條件下可以非常準(zhǔn)確的預(yù)測室內(nèi)PM2.5濃度的變化，從而為進一步研究PM2.5和控制室內(nèi)PM2.5濃度提供了一定的科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo)。

[1]Dockery D W,Pope CA,Xu X P,et al.An association between air pollution and morality in six United-States cities.New England Journal of Medicine,1993,329(24):753-759.

[2]吳忠標(biāo)，趙偉榮．室內(nèi)空氣污染及凈化技術(shù)[M]．北京；化學(xué)工業(yè)出版社，2005：37．8-387．

[3]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T 18801-2008空氣凈化器 [S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2009．

[4]美國家用電器制造商協(xié)會（AHAM）?！侗銛y式家用電動室內(nèi)空氣凈化器性能測試方法》（ANSI/AHAM AC-1-2006）。

[5]Congrong Hea,Lidia Morawska,Jane Hitchins,Dale Gilbert.Contribution from indoor sources to particle number and mass concentrations in residential houses[J].Atmospheric Environment 38(2004):3405╞3415.

[6]O.zkaynak,H.,Xue,J.,Spengler,J.,Wallace,L.,Pellizzari,E.,Jenkins,P..Personal exposure to airborne particles and metals—results from the particle team study in riverside,California.Journal of Exposure Analysis and Environmental Epidemiology,1996,6(1):57-78.

Indoor PM2.5 Concentration’s Monitoring and Control Research of Office Building

Mei Zhao Zequn Ding Cuiying Yang

(State Nuclear Electric Power Planning Design&Research Institute Co.LTD.，Beijing 100095，P.R.China)

In order to further study the law for the change of PM2.5 concentration in atmospheric environment impact on the indoor environment,projects monitored continuous concentrations of PM2.5 and IO ratio change rule of an office in Beijing for the real-time.And use the experimental method to quantitatively calculate the PM2.5 emission rate of cigarettes which is the main pollution sources of office building indoor.At the same time the method of experiment was used to verify the indoor PM2.5 control theory based on mass balance of indoor PM2.5 concentrations,and thus for the further study of PM2.5 and control of indoor PM2.5 concentrations provides certain scientific basis and theoretical guidance.

Office building；Indoor PM2.5 Concentration；IO ratio；Mass balance

趙枚（1984-），女，碩士研究生，工程師，主要從事供暖通風(fēng)空調(diào)設(shè)計研究。