郭春梅，趙珊珊，由玉文，王 宇，李艷菊

（天津城建大學(xué)能源與安全工程學(xué)院，天津300384）

霧霾天氣的主要污染物為PM2.5，是指環(huán)境空氣中空氣動力學(xué)當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物，也稱細顆粒物。眾多流行病學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，顆粒物會危害人體呼吸系統(tǒng)和心腦血管系統(tǒng)，嚴重時會引起肺癌和缺鐵性心臟病等疾病[1-4]，PM2.5質(zhì)量濃度每增大10 μg/m3，呼吸系統(tǒng)死亡率和心血管疾病死亡率分別增加13.5%和9.3%[5]。即使PM2.5質(zhì)量濃度不高，長期暴露于PM2.5環(huán)境中也會增加因糖尿病等引起的死亡率[6-7]。

我國近幾年霧霾天氣頻發(fā)，為防治霧霾，各省市建立了大氣空氣質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，地級以上的城市共布置大氣監(jiān)測網(wǎng)點近1 500個[8]，但是對于室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的監(jiān)測和研究卻相對較少[4]，人們每天大約有70%～80%的時間是在室內(nèi)度過的，其中老人及一些行動不便的人士在室內(nèi)的時間能達到90%左右[9]，因此研究室內(nèi)空氣質(zhì)量影響因素，對保證人體健康有較大的現(xiàn)實意義。Grinshpun等[10]研究發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)沒有明顯的污染源的情況下，室外大氣對室內(nèi)顆粒物濃度影響明顯，表明室內(nèi)外顆粒物濃度具有很強的相關(guān)性；Olson等[11]評估了不同的烹飪方式所產(chǎn)生顆粒物的散發(fā)速率，并提出中式烹飪要比大部分的西式烹飪產(chǎn)生更多的氣溶膠顆粒；蘇雅璇等[9]、程鴻等[12]和張金萍等[13]先后采用實驗監(jiān)測的方法得出室內(nèi)顆粒物濃度的影響因素不僅包括室外大氣和烹飪行為，還包括室內(nèi)人員活動、吸煙以及采暖方式等；謝偉等[14]分析了室內(nèi)無塵源時自然通風房間室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度比（I/O），發(fā)現(xiàn)每小時換氣次數(shù)由1增加至6時，I/O變化顯著，繼續(xù)增加換氣次數(shù)，則I/O趨于平緩。張秋玲[15]采用計算流體力學(xué)方法模擬了室內(nèi)PM2.5的質(zhì)量濃度場與速度場，發(fā)現(xiàn)室外PM2.5質(zhì)量濃度不超標時，自然通風是凈化室內(nèi)空氣的最佳選擇，當室外PM2.5質(zhì)量濃度超過185 μg/m3時，則要避免自然通風。馬惠穎等[16]模擬了霧霾天氣下，住宅全時開窗及短時開窗2種開窗方式與空氣凈化器聯(lián)合使用時對室內(nèi)PM2.5濃度的控制情況，結(jié)果表明：當室外霧霾在中度污染（室外PM2.5質(zhì)量濃度小于200 μg/m3），可以采取全時開窗與空氣凈化器聯(lián)合策略控制室內(nèi)污染物的質(zhì)量濃度；當室外霧霾污染嚴重（室外PM2.5質(zhì)量濃度大于300 μg/m3）時，可采取短時開窗與空氣凈化器聯(lián)合策略控制室內(nèi)污染物的質(zhì)量濃度。

本文中選取了天津市不同區(qū)域的4個家庭進行室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度監(jiān)測，對不同家庭和同一家庭不同測試階段，在室外源影響和室內(nèi)因素影響下室內(nèi)PM2.5的質(zhì)量濃度差異，并重點分析室內(nèi)因素的具體影響。

1 實驗

1.1 儀器

采用LB～KC（A）型粉塵質(zhì)量濃度檢測儀測試室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度，同時采用溫濕度記錄儀測試室內(nèi)溫濕度值，儀器基本信息見表1。

表1 室內(nèi)測試實驗儀器參數(shù)Tab.1 Parameters of indoor test instruments

室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度檢測儀與溫濕度記錄儀均有自記功能，可在采樣時間內(nèi)連續(xù)存儲，不需要人工記錄，避免了實驗人員頻繁靠近實驗儀器帶來的誤差。采樣時，采樣口避開通風口，與墻壁距離大于0.5 m，與人的呼吸高度相一致，相對高度0.5～1.5 m之間[17]。溫濕度記錄儀與PM2.5檢測儀放置在同一采樣點，位置示意圖見圖1。

1.2 方法

為使實驗數(shù)據(jù)更有代表性，選取了天津市不同區(qū)域的4個家庭進行測試，可確保所測數(shù)據(jù)具有代表性。4個家庭均安裝同一種空氣凈化器產(chǎn)品，此凈化器采用3級HEPA高效過濾器，可以凈化PM2.5等顆粒物，采樣日期為1—2月份，屬天津地區(qū)霧霾高發(fā)期。本文中假定PM2.5對人體健康的影響是其質(zhì)量濃度的函數(shù)，且只與質(zhì)量濃度有關(guān)，而與其組分無關(guān)，所以采樣時間內(nèi)PM2.5檢測儀會連續(xù)無間斷監(jiān)測室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度，具體信息見表2。

圖1 儀器位置示意圖Fig.1 Illustration of instrument position

表2 天津市實驗住宅家庭基本信息Tab.2 Information of residences in experiment

2 結(jié)果

測試期間室外空氣各參數(shù)值如表3所示。一般情況下，為了衡量室內(nèi)外空氣質(zhì)量濃度差異，通常會引入I/O，可用來表示由多因素引起的變化，如室外質(zhì)量濃度、空間變化、人員活動和建筑類型等[18]。表4匯總了4個家庭的室內(nèi)測試結(jié)果數(shù)據(jù)。

表3 室外空氣參數(shù)Tab.3 Outdoor air parameters

表4 測試家庭數(shù)據(jù)匯總Tab.4 Summary data of residences in experiment

圖2 測試家庭1月PM2.5的24 h質(zhì)量濃度對比Fig.2 Comparison of 24-hour concentration of PM2.5 at January in four residences

我國標準規(guī)定[19]，居住區(qū)24 h PM2.5平均質(zhì)量濃度限值為75 μg/m3。由表4可知，測試時間內(nèi)4個家庭室內(nèi)PM2.5平均質(zhì)量濃度均低于標準限值，室內(nèi)空氣質(zhì)量可以接受。室內(nèi)相對濕度（RH）受家庭人員和生活方式等影響較大，4個家庭（尤其是家庭1和家庭3），RH測試結(jié)果差距較大，家庭3室內(nèi)RH是家庭1的2.4倍。研究[20]發(fā)現(xiàn)，不同RH下顆粒物會發(fā)生不同程度的凝并，凝并顆粒的最小粒徑約為0.1 μm，RH為35%時，無凝并現(xiàn)象的發(fā)生；RH為50%時，發(fā)生凝并現(xiàn)象，但程度較弱；RH為56%時，發(fā)生較顯著凝并現(xiàn)象，但凝并生成的顆粒結(jié)構(gòu)松散不緊密；RH為80%時，發(fā)生了非常顯著的凝并現(xiàn)象，且生成的顆粒結(jié)構(gòu)緊密。由表4可知4個家庭室內(nèi)相對濕度均低于56%?？梢姳敬螠y試中室內(nèi)相對濕度并不是室內(nèi)PM2.5平均質(zhì)量濃度產(chǎn)生差異（家庭1＞家庭4＞家庭3＞家庭2）的影響因素。

對4個家庭室內(nèi)PM2.5的24 h平均質(zhì)量濃度進行分析。圖2為測試家庭PM2.5的24 h質(zhì)量濃度對比。

由圖2可見，除家庭1外，其他家庭室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度與室外PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)相同的變化趨勢，可見室外PM2.5質(zhì)量濃度對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度影響較大，是室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度變化的主要影響因素。當室外PM2.5質(zhì)量濃度較高時，室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度也處于較高的質(zhì)量濃度水平；當室外PM2.5質(zhì)量濃度較低時，出現(xiàn)室內(nèi)質(zhì)量濃度高于室外質(zhì)量濃度的現(xiàn)象。

圖3為測試家庭I/O，對4個家庭I/O和室外PM2.5質(zhì)量濃度進行對比，清晰地體現(xiàn)了I/O與室外PM2.5質(zhì)量濃度呈現(xiàn)相反的變化趨勢。在沒有長期明顯室內(nèi)污染源或者室內(nèi)外通風良好的情況下，室內(nèi)外顆粒物質(zhì)量濃度相當[21]。當室外PM2.5質(zhì)量濃度高時，I/O處于較小值，即室外質(zhì)量濃度明顯高于室內(nèi)質(zhì)量濃度；當室外PM2.5質(zhì)量濃度低時，I/O處于較大值，甚至大于1，即室內(nèi)質(zhì)量濃度接近或者高于室外質(zhì)量濃度。結(jié)合圖2和圖3可以發(fā)現(xiàn)，當室外質(zhì)量濃度較高時，室外因素影響作用大于室內(nèi)因素；而室外質(zhì)量濃度較低時，室內(nèi)因素的影響作用更明顯。

圖2中家庭1在1月16—19日出現(xiàn)相反變化趨勢的原因是，1月16日有1次烹飪活動，使得室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度升高，而17、18、19日均無烹飪活動，所以16日室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度高于17、18日的，在無烹飪源的影響下，受室外PM2.5質(zhì)量濃度的影響，18、19日室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度又有所回升。可見，烹飪對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的變化有重要影響。

家庭2在此測試時間只有1人，且?guī)缀鯚o人員活動，所以室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度一直保持在較低的水平，而其他家庭由于人員數(shù)量多或者存在烹飪行為等，使得室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度高于家庭2?？梢娛覂?nèi)人員活動也是室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的重要影響因素。

圖3 測試家庭1月11—21日I/OFig.3 I/O ratio of test residences at January

圖4 家庭2第一階段室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度Fig.4 First stage indoor PM2.5 mass concentration of residence 2

圖5 家庭2第二階段室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度Fig.5 Second stage indoor PM2.5 mass concentration of residence 2

圖6 1月份家庭2、3、4室內(nèi)質(zhì)量濃度對比Fig.6 Indoor concentration contrast of residence 2，3 and 4

3 室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響因素分析

3.1 人員活動對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響

人員活動產(chǎn)生顆粒物的數(shù)量取決于室內(nèi)人員數(shù)量、活動類型以及活動強度等，人員活動引起的氣流流動會使得原本沉積在室內(nèi)物體表面的顆粒物再次懸浮到空中，進而增加室內(nèi)懸浮顆粒物含量，這個過程稱為二次懸浮。趙彬等[22]發(fā)現(xiàn)，人在靜止時0.3 μm以上的PM2.5顆粒發(fā)生率為105/min-1，完成起立、坐下等動作時為2.5×106/min-1，人行走時顆粒物的再懸浮現(xiàn)象會更加嚴重。因為影響因素的不確定性，所以二次懸浮對室內(nèi)顆粒物濃度的影響無法定性計算，目前多通過實驗方式來研究[23]。

本文中家庭2在階段一（1月12—20日）時間段內(nèi)，只有1位家庭成員，且?guī)缀鯚o人員活動；而在階段二（2月18—26日）家庭人員數(shù)量增加為3人（包括1位兒童），一般情況下兒童會有頻繁的起立和行走等行為，使得家庭整體人員活動量較大。圖4、5分別為2個階段室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度對比，發(fā)現(xiàn)階段二室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度是階段一的4.83倍?？梢娛覂?nèi)人員活動與室內(nèi)PM2.5的產(chǎn)生和傳播關(guān)系密切。

圖6對家庭2、3和4室內(nèi)PM2.5濃度進行對比。本文中家庭3人員數(shù)為5（包括1位兒童），家庭4人員數(shù)為6（包括2位兒童），與階段一的家庭2進行對比，得出室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度：家庭4＞家庭3＞家庭2。

家庭3比家庭2多4人，PM2.5質(zhì)量濃度是家庭2的2.06倍，家庭4只比家庭3多1位兒童，但是家庭4濃度均值是家庭3的1.58倍，可見家庭人員越多，室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度越高，同時兒童活動強度較大對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響相比成年人來說要大得多。

3.2 烹飪行為對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響

中國烹飪方式與其他國家不同，多以煎、炒、蒸、炸為主[24]，烹飪過程中會產(chǎn)生大量顆粒物，使得室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度瞬間升高，相比于其他人員活動，烹飪對PM2.5質(zhì)量濃度的貢獻率要大得多。為了確定烹飪對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的具體影響，本文中對家庭2、3、4烹飪時室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度進行分析，根據(jù)前文室外質(zhì)量濃度較低時室內(nèi)因素的影響作用較大這一結(jié)論，分別選擇了3個家庭室外質(zhì)量濃度最低的3 d（家庭2室外的質(zhì)量濃度為0.016 mg/m3，家庭3室外的質(zhì)量濃度為0.018 mg/m3，家庭4室外的質(zhì)量濃度為0.019 mg/m3）進行分析，結(jié)果見圖7。

由圖可見，烹飪時間段內(nèi)，室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度迅速升高，并且達到峰值。家庭2室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度峰值（0.104 mg/m3）為全天平均質(zhì)量濃度（0.037 mg/m3）的2.81倍；家庭3室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度峰值（0.043 mg/m3）為全天平均質(zhì)量濃度（0.013 mg/m3）的3.31倍；家庭4室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度峰值（0.069 mg/m3）為全天平均質(zhì)量濃度（0.023 mg/m3）的3倍，可見烹飪對室內(nèi)PM2.5的貢獻非常大。

根據(jù)圖7可以發(fā)現(xiàn)，烹飪時間段內(nèi)室內(nèi)相對濕度隨室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度升高而升高，而且烹飪時驟增的PM2.5質(zhì)量濃度并不會隨烹飪結(jié)束立即降低，需要4～5 h才能降低到烹飪前的質(zhì)量濃度。而圖7中，烹飪時間段內(nèi)室內(nèi)相對濕度隨著室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度升高而降低，同時烹飪時驟增的PM2.5質(zhì)量濃度隨烹飪結(jié)束降低較快，僅需1 h就可以降低到烹飪前的。產(chǎn)生這種差異的原因是，家庭3烹飪時開啟外窗進行通風，烹飪產(chǎn)生的顆粒物和水蒸氣隨通風氣流置換到室外?？梢娕腼儠r開啟外窗是降低室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的有力措施。

3.3 空氣凈化器對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響

研究發(fā)現(xiàn)[18]，室內(nèi)未采用空氣凈化措施時室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)約為0.78，而采用凈化裝置時室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度相關(guān)性較差，相關(guān)系數(shù)減小為0.39，表明安裝凈化裝置對室內(nèi)PM2.5凈化效果明顯。

本文中家庭3與家庭4雖然具有相似的人員活動和烹飪次數(shù)，但是室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度并不相近，原因是家庭3在室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度較高時開啟空氣凈化器，而家庭4未開啟。

由圖5可知，在家庭3開啟空氣凈化器的情況下，室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度（0.031 mg/m3）水平較低，是家庭4平均質(zhì)量濃度（0.049 mg/m3）的63%，使用空氣凈化器使得室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度降低了58%左右?？梢?，在霧霾天氣時，開啟空氣凈化器是非常有效的凈化方式。2017年3月23—28日舉行的第13屆清華大學(xué)建筑節(jié)能學(xué)術(shù)周，參會專家劉俊杰教授表示，PM2.5質(zhì)量濃度超過150 μg/m3情況下，空氣凈化器的凈化作用非常顯著，并且自然通風加空氣凈化器的能耗只是機械通風能耗的1/2左右，清華大學(xué)趙彬教授提出只要注意空氣凈化器的啟停策略，PM2.5上升是可接受的，并表示在室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度大于25 μg/m3時開啟凈化器是最合適。

4 結(jié)論

1）室外大氣中PM2.5質(zhì)量濃度對室內(nèi)的有顯著影響，當室外PM2.5質(zhì)量濃度較高時，室外因素對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度影響較大，而室外PM2.5質(zhì)量濃度較低時，室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度受室內(nèi)因素的影響更大，所以霧霾天氣時盡量不要開窗通風，維護結(jié)構(gòu)可以有效阻擋室外顆粒物進入室內(nèi)；當室外空氣質(zhì)量較好時，則要多開窗通風，降低室內(nèi)污染源的影響。

2）人員活動與室內(nèi)PM2.5的產(chǎn)生和傳播有密切的關(guān)系，家庭人員越多，室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度越高，相比成年人來說活動強度較大的兒童對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響要大得多。

3）烹飪是室內(nèi)PM2.5的主要貢獻者，烹飪時間內(nèi)室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度值大約是烹飪前的3倍，烹飪時時開啟廚房外窗會使得烹飪后的PM2.5質(zhì)量濃度快速降低。

4）使用空氣凈化器的家庭室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度降低了58%左右，可見開啟空氣凈化器可以有效地凈化室內(nèi)PM2.5。

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