劉鵬 吳倩倩

1 江西財(cái)經(jīng)職業(yè)學(xué)院財(cái)稅金融學(xué)院

2 馬鞍山學(xué)院建筑工程學(xué)院

近年來，在秋冬季節(jié)，我國大部分地區(qū)霧霾天氣頻發(fā)。室外顆粒物即使在門窗全關(guān)的情況下，依然可以通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)縫隙等開口滲透進(jìn)入室內(nèi)，造成室內(nèi)環(huán)境嚴(yán)重污染，進(jìn)而誘發(fā)人體呼吸道疾病的爆發(fā)。Sijan Z 等人研究發(fā)現(xiàn)，人體暴露在顆粒物污染的空氣中可導(dǎo)致呼吸系統(tǒng)中產(chǎn)生過量的活性，從而造成局部細(xì)胞損傷并引發(fā)全身炎癥反應(yīng)[1]。Solaimani P 研究結(jié)果表明：人體暴露于顆粒物環(huán)境可能引起神經(jīng)發(fā)育和神經(jīng)退行性疾病的發(fā)生[2]。教室作為師生學(xué)習(xí)、工作的主要場所，由于人員密集、人員流動(dòng)性大的特點(diǎn)，其室內(nèi)環(huán)境對師生的身心健康影響巨大，因此對教室室內(nèi)顆粒物濃度的監(jiān)測研究至關(guān)重要。李旻雯對上海市某中學(xué)教室室內(nèi)顆粒濃度進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：即使在教室門窗全關(guān)的情況下，全年上課時(shí)間中有26%～42%的天數(shù)室內(nèi)顆粒物濃度超標(biāo)[3]。國內(nèi)外對顆粒物濃度影響因素研究[3-6]結(jié)果顯示：室內(nèi)顆粒物濃度污染水平不僅受到室外顆粒物濃度的影響，而且與室內(nèi)污染源、通風(fēng)方式、環(huán)境因素等有明顯的關(guān)聯(lián)性。王清琴等人研究表明：室內(nèi)顆粒物污染濃度水平受到室外顆粒物濃度、燃燒過程、吸煙、打印機(jī)、人員活動(dòng)、烹飪、圍護(hù)結(jié)構(gòu)等多個(gè)因素綜合影響[7]。然而現(xiàn)有針對高校教室室內(nèi)顆粒物污染的研究起步較晚，研究數(shù)據(jù)較少。此外，已有的研究主要是依靠實(shí)驗(yàn)監(jiān)測或CFD 模擬等單一方式進(jìn)行研究分析，不能全面反映教室室內(nèi)顆粒物污染情況。為此本文挑選南京市和馬鞍山市兩所高校22 間具有代表性的教室，采用門窗統(tǒng)計(jì)調(diào)查，問卷調(diào)查、實(shí)驗(yàn)監(jiān)測、CFD 模擬等手段經(jīng)過長達(dá)4 年的研究，綜合分析環(huán)境參數(shù)、門窗啟閉狀況、室內(nèi)污染源等對室內(nèi)顆粒物濃度的影響程度、顆粒物濃度變化規(guī)律及分布，以期為建筑設(shè)計(jì)和環(huán)境污染防控提供了參考依據(jù)。

1 研究過程

1.1 研究對象

實(shí)驗(yàn)期間，進(jìn)行大范圍的門窗統(tǒng)計(jì)調(diào)查和問卷調(diào)查，分析門窗啟閉狀態(tài)和人員通風(fēng)習(xí)慣，為實(shí)驗(yàn)監(jiān)測和CFD 模擬提供數(shù)據(jù)支撐。通過對高校教學(xué)樓進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)研，分析高校教學(xué)樓常見建筑結(jié)構(gòu)模式，挑選出具有代表性的教室作為實(shí)驗(yàn)監(jiān)測和模擬對象。被挑選的教室模型如圖1 所示。教室主要通過門窗開啟進(jìn)行自然通風(fēng)，未布置空調(diào)和機(jī)械通風(fēng)設(shè)備。

圖1 教室模型

1.2 測試儀器

實(shí)驗(yàn)監(jiān)測過程中使用的儀器主要有：粉塵儀（TSI8532）、光學(xué)粒徑譜儀（TSI3330）、空氣質(zhì)量分析儀（EA80）、空氣品質(zhì)檢測儀（TSI7575）氣象站1 臺(tái)（vantage pro2）。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T1883-2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》的要求，在不同時(shí)段，對22 個(gè)教室內(nèi)的顆粒物濃度、風(fēng)速、溫濕度等參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測進(jìn)行長期監(jiān)測。

室內(nèi)檢測點(diǎn)布置高度1.2～1.5 m 的位置，室外測點(diǎn)布置在同一高度處?？諝赓|(zhì)量分析儀和氣象站的數(shù)據(jù)記錄時(shí)間間隔60 s，光學(xué)粒徑譜儀和空氣品質(zhì)檢測儀根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置時(shí)間記錄時(shí)間間隔為60 s 和1 s。

1.4 調(diào)查和模擬

對兩所高校門窗啟閉狀態(tài)、通風(fēng)時(shí)段等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，共統(tǒng)計(jì)數(shù)量1456 間次。對高校學(xué)生通風(fēng)行為進(jìn)行問卷調(diào)查，共回收有效問卷500 份。在前期統(tǒng)計(jì)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，考慮到新冠肺炎疫情可能對學(xué)生座位距離的影響，在CFD 模擬時(shí)，采用人體分散坐開模型進(jìn)行研究。

2 結(jié)果分析與探討

2.1 調(diào)查分析

門窗統(tǒng)計(jì)調(diào)查結(jié)果如圖2 所示：在冬季，隨著氣溫的降低，門窗全關(guān)的概率逐月增加，而門窗全開和僅開外窗的概率逐月下降。三個(gè)月中僅開內(nèi)門、廊窗的方式占比達(dá)到45%以上，明顯高于其他三種門窗開啟方式。圖3 問卷調(diào)查結(jié)果顯示：在秋冬季節(jié)，學(xué)生主觀傾向于僅開啟內(nèi)門、廊窗（占比48.8%），用來改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，門窗全關(guān)和全開的訴求較低。在開窗時(shí)段選擇上，56.2%的人傾向于6:00～10:00 開外窗。24.2%的人傾向于10:00～14:00 時(shí)間段。13.6%的人傾向于14:00～18:00 時(shí)間段。6.0%的人則傾向于18:00～22:00 時(shí)間段。

圖2 門窗統(tǒng)計(jì)調(diào)查

圖3 問卷調(diào)查

2.2 室內(nèi)顆粒物濃度影響因素

對各教室室內(nèi)顆粒物濃度與溫度、相對濕度、風(fēng)速等影響因子進(jìn)行相關(guān)性研究，求解得到相關(guān)性系數(shù)平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。從表1 中可以看出室外溫度與室內(nèi)顆粒物濃度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，表明室外溫度越高，室內(nèi)污染也越嚴(yán)重。室內(nèi)顆粒物濃度和室外濕度呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性。這可能的原因是室外濕度較大時(shí)，有利于細(xì)小顆粒凝結(jié)合并成大顆粒物，最終沉降到地面，從而降低了室內(nèi)顆粒物的濃度。室外風(fēng)速、室內(nèi)濕度和室內(nèi)顆粒物濃度相關(guān)性系數(shù)較小，標(biāo)準(zhǔn)差也較大，相關(guān)性并不明確，需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。室內(nèi)溫度和室內(nèi)顆粒濃度呈現(xiàn)極小的負(fù)相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差為0.91，表明室內(nèi)溫度和室外顆粒濃度的相關(guān)性也不明確。這可能是因?yàn)槭覂?nèi)溫度的變化受到室外環(huán)境、室內(nèi)設(shè)備、人員等諸多因素的影響，因此室內(nèi)溫濕度和室內(nèi)顆粒濃度之間的相關(guān)性較為復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)差較大。

表1 各因素與室內(nèi)顆粒物濃度相關(guān)性

2.3 室內(nèi)外顆粒物濃度關(guān)系

窗啟閉統(tǒng)計(jì)調(diào)查顯示：在秋冬季節(jié)，教室內(nèi)人員傾向于在8:00～20:00 時(shí)間段開啟內(nèi)門、內(nèi)廊窗進(jìn)行通風(fēng)，其他時(shí)間段門窗全關(guān)。這種門窗啟閉方式，頻率最高，占到統(tǒng)計(jì)調(diào)查頻率的85.16%。選取一個(gè)具有代表性的教室，在僅開啟內(nèi)門內(nèi)廊窗的方式下，對室內(nèi)外PM2.5 濃度進(jìn)行監(jiān)測。為了排除人體發(fā)塵的干擾，監(jiān)測期間，教室內(nèi)不留存任何人員。從圖4 的監(jiān)測結(jié)果可以看出，室內(nèi)PM2.5 濃度明顯低于室外濃度，室內(nèi)外PM2.5 濃度變化規(guī)律呈現(xiàn)明顯的一致性，但是室內(nèi)PM2.5 濃度峰值出現(xiàn)時(shí)間滯后于室外濃度峰值約1 h。

圖4 室內(nèi)外PM2.5 濃度關(guān)系

I/O 值變化范圍為0.51～0.94。表明在室內(nèi)無明顯污染源情況下，室外顆粒物是室內(nèi)顆粒物污染的最大來源，同時(shí)門窗有一定的防護(hù)作用，濃度變化規(guī)律況明顯滯后于室外。

2.4 擦黑板對環(huán)境的影響

為了排除室外濃度干擾，在教室室內(nèi)外顆粒物濃度較為穩(wěn)定的時(shí)段，對擦黑板這種行為進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：持續(xù)檫黑板10 s 后（模仿正常檫黑板行為），實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示PM2.5 濃度大小幾乎沒有發(fā)生變化。為了進(jìn)一步的研究檫黑板對室內(nèi)顆粒物濃度的貢獻(xiàn)，進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)，增加了檫黑板的持續(xù)時(shí)間為180 s。從圖5 中可以看出，擦黑板前室內(nèi)外PM2.5 濃度較為穩(wěn)定，平均濃度為118 μg/m3，擦黑板后濃度瞬間增加到129 μg/m3，增長了12.2%，并且在此后較長時(shí)間內(nèi)維持這個(gè)濃度范圍。對擦黑板前后，各粒徑范圍的顆粒物計(jì)數(shù)濃度分析發(fā)現(xiàn)0.5～10 μm 的顆粒物有輕微的上升，而其他粒徑范圍沒有明顯變化。綜上所述，擦黑板這種行為對室內(nèi)PM2.5 質(zhì)量濃度影響不大，其中0.5-10 μm 粒徑顆粒物對室內(nèi)顆粒物濃度貢獻(xiàn)較大。

圖5 擦黑板對室內(nèi)顆粒物濃度影響

2.5 掃地對環(huán)境的影響

在研究掃地這種行為對教室顆粒物濃度影響時(shí)，教室內(nèi)僅有2～3 名實(shí)驗(yàn)人員，在室內(nèi)外濃度較為穩(wěn)定時(shí)段進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)過程中，在室內(nèi)外濃度較為穩(wěn)定階段，掃地2 次，持續(xù)時(shí)間各600 s。從圖6 中可以看出，第一次掃地后室內(nèi)PM2.5 濃度從平均濃度為108.1 μg/m3暴增到最高180 μg/m3，瞬間增長66.5%。第二次掃地，從從平均濃度為121.3 μg/m3暴增到最高192.3 μg/m3，瞬間增長58.5%。兩次掃地期間PM2.5濃度短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多次波峰波谷，這可能與掃地過程一直在移動(dòng)位置有關(guān)。掃地后，顆粒物濃度維持在125.1 μg/m3這樣一個(gè)較高的濃度范圍。對粒徑進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，小于0.5 μm 粒徑的顆粒物計(jì)數(shù)濃度數(shù)量級雖然較大（104個(gè)/cm3），但是掃地前后，計(jì)數(shù)濃度波動(dòng)很小。2 次掃地前后0.7～5.0 μm 粒徑顆粒物計(jì)數(shù)濃度有較大變化，5.0～10 μm 粒徑有小幅變化，其他粒徑范圍沒有明顯變化。綜上所述，掃地這種行為，能在短時(shí)間內(nèi)增大室內(nèi)PM2.5 濃度，并且在較長時(shí)間段內(nèi)維持較高的污染水平。掃地這種行為對0.7～5.0 μm 粒徑顆粒物污染貢獻(xiàn)較大。

圖6 掃地對室內(nèi)顆粒物PM2.5 濃度影響

2.6 開窗方式對PM2.5 濃度的影響

根據(jù)前期門窗調(diào)查結(jié)果，研究門窗全關(guān)、僅開廊窗、僅開內(nèi)門、門窗全開四種通風(fēng)方式對室內(nèi)顆粒物濃度的影響。實(shí)驗(yàn)期間教室內(nèi)不留存任何人員。從圖7中可以看出，雖然室外濃度變化波動(dòng)范圍較大（甚至室外有短時(shí)間的移動(dòng)污染源干擾），在教室室內(nèi)門窗處于門窗全關(guān)、僅開啟廊窗、僅開啟內(nèi)門這三種方式時(shí)，教室室內(nèi)濃度明顯低于室外濃度，并且維持在較為穩(wěn)定的階段，波動(dòng)范圍不大。當(dāng)教室門窗全開后，室內(nèi)濃度瞬間增大，并且此后在較短時(shí)間內(nèi)室內(nèi)外PM2.5 濃度變化規(guī)律趨于一致，由此可見建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)對室內(nèi)顆粒物有一定的防護(hù)作用，內(nèi)門、內(nèi)廊窗由于與室外有一定的隔絕，對室內(nèi)顆粒物濃度影響不大，而外窗作為顆粒物進(jìn)入室內(nèi)的重要通道，其啟閉狀態(tài)對室內(nèi)顆粒物影響巨大。

圖7 門窗開啟方式對室內(nèi)PM2.5 濃度影響

2.7 模擬顆粒物濃度分布

根據(jù)門窗統(tǒng)計(jì)調(diào)查和實(shí)驗(yàn)分析結(jié)果，采用CFD 軟件，選擇教室門窗啟閉頻率最高的方式（僅開內(nèi)門和廊窗），在室外顆粒物污染嚴(yán)重的時(shí)段（室外風(fēng)速0.5 m/s，PM2.5 濃度125.3 μg/m3），模擬顆粒物通過外窗縫隙滲透進(jìn)入室內(nèi)的分布情形。圖8 模擬結(jié)果顯示，室內(nèi)顆粒物濃度分布差異較大，從外窗到內(nèi)門、廊窗處，濃度呈明顯的階梯衰減，離外窗1.2 m 范圍內(nèi)PM2.5 濃度最高（平均濃度103.1 mg）。在高度方向PM2.5 濃度分布差異較小，各高度處PM2.5 平均濃度I/O 值在0.83～0.45 范圍波動(dòng)。內(nèi)門附近PM2.5 的濃度最低。人體呼吸高度處（1.3 m）靠近走廊側(cè)的空氣相對清潔。

圖8 PM2.5 室內(nèi)濃度分布

3 結(jié)論

本文采用調(diào)查、實(shí)驗(yàn)監(jiān)測、CFD 模擬等方式對教室室內(nèi)外的顆粒物濃度及分布進(jìn)行研究。研究的結(jié)果表明：

1）室內(nèi)顆粒物濃度與室外溫度呈現(xiàn)一定的正相關(guān)性，與室外濕度呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)性。

2）在門窗全關(guān)狀態(tài)下，室內(nèi)無明顯污染源時(shí)，室內(nèi)外PM2.5 濃度變化規(guī)律具有明顯的一致性。

3）擦黑板和掃地這兩種行為產(chǎn)生的主要顆粒物粒徑不同，掃地能在短時(shí)間內(nèi)加劇顆粒物濃度濃度，并在此后較長時(shí)間內(nèi)維持較高的污染水平，而擦黑板對顆粒物濃度貢獻(xiàn)較為輕微。

4）PM2.5 濃度在室內(nèi)分布有較大差異，呈現(xiàn)階梯性衰減，各高度處PM2.5 平均濃度I/O 值在0.83～0.45范圍波動(dòng)。