厲 明 韋古強(qiáng) 樂辰前 遲洪均 朱基誠 劉 聰△ 李 婷

(1.中國綠發(fā)投資集團(tuán)有限公司,北京;2.東南大學(xué),南京;3.清華大學(xué),北京)

0 引言

現(xiàn)代人80%以上的時間在室內(nèi)度過[1],因此室內(nèi)空氣質(zhì)量對人們健康影響巨大。據(jù)疾病負(fù)擔(dān)研究報道,我國每年因空氣污染造成逾百萬人死亡,在所有致死因素中排名第四,造成的經(jīng)濟(jì)損失占GDP的3.45%[2]。

我國在2002年頒布了GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,對多種物理、化學(xué)和生物指標(biāo)作出了限值規(guī)定。其中CO2限值(體積分?jǐn)?shù)0.1%)對應(yīng)的是24 h平均值,而NO2等污染物對應(yīng)的是1 h平均值。在GB/T 18883—2022《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[3]中新增了PM2.5指標(biāo),其限值(50 μg/m3)對應(yīng)的也是24 h平均值。此外,世界衛(wèi)生組織和一些國外的標(biāo)準(zhǔn)中,PM2.5的濃度限值也是對應(yīng)的24 h平均值[4]。

*中國綠發(fā)投資集團(tuán)有限公司科技項(xiàng)目“恒溫恒濕恒氧技術(shù)體系研究與關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)”(編號：529000210009)

然而,辦公建筑作為人們的主要工作場所,其運(yùn)行存在明顯的作息規(guī)律,即主要是白天上班、晚上休息。日常工作時間大多集中在07：00—19：00。因此,人們更關(guān)注的是工作時間段內(nèi)的空氣質(zhì)量,而非全天24 h的平均空氣質(zhì)量。對于辦公建筑,室內(nèi)CO2和PM2.5濃度的24 h平均值是否能真實(shí)準(zhǔn)確地反映工作時間段內(nèi)的污染情況尚不明確。具體來說,如果24 h平均值達(dá)標(biāo),而工作時間段平均值不達(dá)標(biāo),則會出現(xiàn)漏判情況;如果24 h平均值不達(dá)標(biāo),而工作時間段平均值達(dá)標(biāo),則會出現(xiàn)錯罰情況。上述問題還不清楚,缺乏研究。

因此,為了分析辦公建筑中典型污染物24 h平均值和工作時間段平均值的關(guān)系,本文以北京某高檔辦公建筑為對象,利用為期1個月的室內(nèi)CO2和PM2.5濃度實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)開展相關(guān)研究,以此確定在有明確作息規(guī)律的建筑中,以污染物濃度24 h平均值作為評價指標(biāo)的合理性。

1 研究方法

1.1 數(shù)據(jù)來源與質(zhì)量控制

本文采用的數(shù)據(jù)來自北京某辦公建筑2020年7月的空氣污染物實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù),監(jiān)測時間間隔為15 min。該建筑位于北京市西城區(qū),于2018年改造后啟用,功能為商業(yè)寫字樓,無特殊用途。該建筑采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)的空調(diào)系統(tǒng),并裝有室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。為了保證測試數(shù)據(jù)能更好地反映全天濃度的規(guī)律性,選擇總測量時長大于7 d、單日測量時長大于等于20 h且在工作時間段內(nèi)(07：00—19：00)有測量數(shù)據(jù)的房間的監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析。因此,最終選取265個房間的CO2與PM2.5的濃度數(shù)據(jù)作為有效數(shù)據(jù),共有593 717組數(shù)據(jù)。利用Python與Pandas的數(shù)據(jù)分析進(jìn)行篩選。

1.2 分析指標(biāo)和方法

本研究使用Pandas對上述593 717組數(shù)據(jù)進(jìn)行了總體處理,得到了每個房間每天的CO2和PM2.5的日均濃度和工作時均濃度。根據(jù)它們的相關(guān)限值指標(biāo),通過Python分別識別出CO2和PM2.5的日均濃度超標(biāo)或工作時均濃度超標(biāo)的日期。污染物i在給定日均濃度限值下的漏判率(ηx,i)用下式計算：

(1)

式中N1,i為污染物i工作時均濃度超標(biāo)且日均濃度不超標(biāo)的時間,d;N2,i為污染物i工作時均濃度超標(biāo)的時間,d。

可見,漏判指的是采用日均濃度判定時未能準(zhǔn)確識別工作時均濃度超標(biāo)的情況。

污染物i在給定日均濃度限值下的錯罰率(ηy,i)用下式計算：

(2)

式中N3,i為污染物i日均濃度超標(biāo)且工作時均濃度不超標(biāo)的時間,d;N4,i為污染物i日均濃度超標(biāo)的時間,d。

可見,錯罰指的是采用日均濃度判定時將工作時均濃度不超標(biāo)錯判為超標(biāo)的情況。

上述參數(shù)存在以下關(guān)系：

N0,i=N2,i-N1,i=N4,i-N3,i

(3)

式中N0,i為污染物i工作時均濃度超標(biāo)且日均濃度也超標(biāo)的時間,d。

1.3 不同濃度限值的影響

不同國家和地區(qū)規(guī)定的CO2和PM2.5的濃度限值不同。本研究匯總了部分國家和地區(qū)的濃度限值情況,并分析了不同濃度限值對基于日均濃度的室內(nèi)CO2和PM2.5污染評價的漏判率和錯罰率的影響。其中,CO2采用的日均體積分?jǐn)?shù)限值分別為0.1%(中國標(biāo)準(zhǔn)限值)、0.09%(自定限值1)和0.08%(自定限值2),PM2.5采用的日均質(zhì)量濃度限值分別為50 μg/m3(中國標(biāo)準(zhǔn)限值)、35 μg/m3(美國標(biāo)準(zhǔn)限值)、25 μg/m3(WHO標(biāo)準(zhǔn)限值)。

2 結(jié)果分析

2.1 基本信息

經(jīng)過篩選的有效數(shù)據(jù)中,測量房間數(shù)量為265個,單個房間的測試時長為7～28 d不等,平均測量時長為24.8 d。圖1展示了不同測試時長的房間數(shù)量和小于某測試時長下的房間數(shù)量累積百分比分布?？梢钥闯?近70%的房間測試時長為26～28 d,而測試時長小于20 d的房間只占15%,其中,測試時長為28 d的房間占比最大,約占總測量房間的50%。因此,本文采用的數(shù)據(jù)中大多數(shù)房間具有較長的測量時間跨度,能夠充分保證數(shù)據(jù)來源的可靠性和后續(xù)分析結(jié)果的有效性。

圖1 不同測試時長的房間數(shù)量和累積百分比

2.2 不同時段CO2和PM2.5濃度分布和相對偏差特征

2.2.1CO2和PM2.5濃度分布特征

基于室內(nèi)CO2和PM2.5的24 h日均濃度、工作時均濃度和非工作時均濃度的測量結(jié)果繪制累積頻率分布圖,如圖2和圖3所示?？梢钥闯?不同時段均值的濃度分布存在較大偏差,表現(xiàn)為在某一濃度范圍內(nèi),工作時均值的累積頻率最小,日均值次之,非工作時均值最大。例如,CO2體積分?jǐn)?shù)為500×10-6時,對應(yīng)的工作時均值、日均值、非工作時均值的累積頻率分別為59%、74%、90%。而在某一累積頻率下,工作時均值的濃度區(qū)間最大,日均值次之,非工作時均值最小。例如,對PM2.5濃度而言,當(dāng)累積頻率為50%時,對應(yīng)的工作時均值、日均值和非工作時均值質(zhì)量濃度分別為26、23、20 μg/m3。

圖2 CO2體積分?jǐn)?shù)非工作時均值、工作時均值、日均值累積頻率分布

圖3 PM2.5質(zhì)量濃度非工作時均值、工作時均值、日均值累積頻率分布

2.2.2日均值與工作時均值的相對偏差

為進(jìn)一步評估日均值與工作時均值的偏差程度,本文通過計算日均值和工作時均值的絕對差值與工作時均值的比值來表征兩者之間的相對偏差(|日均值-工作時均值|÷工作時均值)。如圖4所示,CO2和PM2.5的濃度日均值與工作時均值之間均存在較大的相對偏差,且PM2.5濃度日均值與工作時均值的相對偏差大于CO2濃度的相對偏差。其中,PM2.5相對偏差的最大值為0.45,中位值為0.14;CO2相對偏差的最大值為0.34,中位值為0.04。對PM2.5而言,相對偏差大于0.20的累積頻率為27%;對CO2而言,相對偏差大于0.20的累積頻率為5%。由此可見,不同時段的污染物分布特征并不完全一致,基于單一日均值的評價標(biāo)準(zhǔn)可能不足以完全反映工作時段的污染物濃度水平,可能會造成工作時段污染水平的錯罰或漏判。

圖4 濃度日均值與工作時均值的相對偏差累積頻率分布

2.3 不同標(biāo)準(zhǔn)下的超標(biāo)率與錯罰率、漏判率

2.3.1CO2和PM2.5濃度的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)

室內(nèi)空氣質(zhì)量一直是公眾關(guān)注的熱點(diǎn)話題,為保障人員的身心健康,包括我國在內(nèi)的很多國家和組織都制定了嚴(yán)格的室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。表1匯總了不同國家和地區(qū)現(xiàn)行的室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[5]。由表1可知,不同標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的污染物平均測量時間不盡相同,這可能與不同國家和地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和國情特征有關(guān)。對PM2.5而言,現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)主要以24 h平均濃度為準(zhǔn),僅美國同時提出了測量時間8 h所對應(yīng)的PM2.5濃度值;對CO2而言,不同標(biāo)準(zhǔn)的測量時間差別較大,有24 h濃度均值,也有1 h、1 a濃度均值。盡管24 h日均值被不同國家和地區(qū)納入室內(nèi)空氣污染的評價指標(biāo),但其對工作時段污染水平評價的準(zhǔn)確性尚未可知。

充分考慮不同標(biāo)準(zhǔn)之間的差異性和適用性,本文選擇文獻(xiàn)中廣泛使用的中國、美國和WHO的24 h日均濃度標(biāo)準(zhǔn)作為參考,計算了基于這3個標(biāo)準(zhǔn)的CO2和PM2.5濃度的超標(biāo)率,并討論了以室內(nèi)PM2.5和CO2濃度的24 h日均值來評價工作時段污染水平可能導(dǎo)致的錯罰率和漏判率。

表1 不同國家、地區(qū)、組織關(guān)于CO2和PM2.5濃度的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)

2.3.2日均值與工作時均值的超標(biāo)率

表2展示了CO2和PM2.5濃度日均值和工作時均值的分布特征和對比不同標(biāo)準(zhǔn)的超標(biāo)率。其中,CO2濃度的超標(biāo)率分別以GB/T 18883—2022的規(guī)定限值(1 000×10-6)、自定限值1(900×10-6)、自定限值2(800×10-6)為基準(zhǔn)計算得到,PM2.5濃度的超標(biāo)率分別以GB/T 18883—2022的規(guī)定限值(50 μg/m3)、美國標(biāo)準(zhǔn)限值(35 μg/m3)、WHO標(biāo)準(zhǔn)限值(25 μg/m3)為基準(zhǔn)計算得到。

表2 室內(nèi)CO2與PM2.5濃度日均值與工作時均值的分布特征及超標(biāo)率

可以看出,CO2日均值與工作時均值的體積分?jǐn)?shù)中值差異不大,分別為458×10-6和473×10-6,但兩者的范圍存在較大差異。進(jìn)一步地,由濃度超標(biāo)率可以看出,盡管本文所調(diào)查的辦公室CO2濃度整體超標(biāo)率較低,但工作時均值的超標(biāo)率顯著高于日均值。例如,對于900×10-6的限值,CO2工作時均值的超標(biāo)率是日均值的20倍,二者分別為1.17%和0.06%;對于800×10-6的限值,CO2工作時均值的超標(biāo)率是日均值的7倍,二者分別為2.76%和0.43%。

相似地,PM2.5日均值與工作時均值的質(zhì)量濃度中位值也接近,分別為32 μg/m3和36 μg/m3,但兩者的范圍差異較大,表現(xiàn)為工作時均值的濃度超標(biāo)率遠(yuǎn)高于日均值超標(biāo)率。例如,對于中國(50 μg/m3)和美國(35 μg/m3)標(biāo)準(zhǔn),工作時均值的超標(biāo)率約為日均值的2倍,分別為2.47%、1.16%和19.34%、10.98%;對于WHO的標(biāo)準(zhǔn)(25 μg/m3),工作時均值的超標(biāo)率也顯著高于日均值,分別高達(dá)53.83%和41.44%。

2.3.3不同標(biāo)準(zhǔn)下CO2和PM2.5錯罰率和漏判率

由于工作時均值與日均值之間存在較大偏差,工作時均值的超標(biāo)率高于日均值,因此,僅僅依據(jù)日均值來評價工作時段室內(nèi)污染物水平可能產(chǎn)生錯罰、漏判的現(xiàn)象。本文考慮工作時均值對辦公人員健康的直接影響,將日均值超標(biāo)而工作時均值不超標(biāo)的情況視為錯罰,將工作時均值超標(biāo)而日均值不超標(biāo)的情況視為漏判,以此來評估不同標(biāo)準(zhǔn)下基于日均值判斷造成的工作時均值錯罰率和漏判率,結(jié)果見表3和表4。

表3 不同標(biāo)準(zhǔn)下基于日均值的CO2濃度錯罰率和漏判率

表4 不同標(biāo)準(zhǔn)下基于日均值的PM2.5濃度錯罰率和漏判率

如表3所示,對比GB/T 18883—2022規(guī)定的CO2體積分?jǐn)?shù)限值(1 000×10-6)、自定限值1(900×10-6)、自定限值2(800×10-6),基于CO2日均值的錯罰率均為0,漏判率分別高達(dá)100%、96.1%、85.1%。如表4所示,對比GB/T 18883—2022規(guī)定的PM2.5日均質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)值(50 μg/m3)、美國標(biāo)準(zhǔn)值(35 μg/m3)、WHO標(biāo)準(zhǔn)值(25 μg/m3),基于PM2.5日均值的錯罰率分別為19.7%、7.5%、6.0%,漏判率分別為62.3%、47.5%、27.6%。可以看出,基于24 h日均值的漏判率遠(yuǎn)高于錯罰率。同時,隨著濃度限值收緊,即濃度標(biāo)準(zhǔn)的提高,錯罰率和漏判率均下降。

3 結(jié)論

通過對比全天24 h、工作時間段(07：00—19：00)和非工作時間段的室內(nèi)CO2和PM2.5平均濃度,發(fā)現(xiàn)不同時段的濃度均值具有較大差別,其中,工作時段的濃度均值最高,日均值次之,非工作時段最低。日均值與工作時均值之間存在較大偏差,工作時均值與標(biāo)準(zhǔn)值(限值)相比的超標(biāo)率遠(yuǎn)高于日均值。以我國標(biāo)準(zhǔn)為例,本文所調(diào)查的北京地區(qū)辦公建筑室內(nèi)CO2和PM2.5濃度整體超標(biāo)率較低,CO2濃度日均值和工作時均值的超標(biāo)率分別為0和0.56%,PM2.5濃度日均值和工作時均值的超標(biāo)率分別為1.16%和2.47%。

進(jìn)一步地,本文討論了基于24 h日均值的評價方式對工作時段污染水平的錯罰和漏判的可能性。結(jié)果表明,以日均值為單一評價指標(biāo)難以準(zhǔn)確評價工作時段的室內(nèi)污染水平,其中基于日均值的漏判率高于錯罰率。例如,對照我國標(biāo)準(zhǔn),室內(nèi)CO2的漏判率為100%,錯罰率為0;室內(nèi)PM2.5的漏判率為62.3%,錯罰率為19.7%。對應(yīng)不同標(biāo)準(zhǔn)下,日均值和工作時均值評價的超標(biāo)率不同,基于日均值的錯罰率和漏判率也不同。隨著濃度標(biāo)準(zhǔn)的提高,即濃度限值收緊,錯罰率和漏判率均下降。這是由于隨著濃度限值的減小,日均值與工作時均值同時超標(biāo)的可能性變大。

總體而言,由于辦公建筑中人員作息特征的特殊性,其工作時間段的污染物平均濃度高于全天的污染物平均濃度,工作時間段污染物濃度均值的超標(biāo)率與24 h濃度日均值的超標(biāo)率之間存在較大偏差,以日均值來評價該地區(qū)工作時間段的室內(nèi)污染水平的超標(biāo)情況會造成錯罰或漏判,且錯罰率或漏判率與所采用的評價標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)。因此,針對實(shí)際辦公建筑環(huán)境的空氣質(zhì)量評價,不僅僅要關(guān)注24 h的日均濃度水平,還應(yīng)當(dāng)同時關(guān)注工作時間段的污染物濃度水平,并選擇合適的評價標(biāo)準(zhǔn)和濃度限值。本文的研究結(jié)果為更加準(zhǔn)確、有效地評價辦公建筑的空氣質(zhì)量提供了新思路。