基于空氣負離子濃度的城市環境空氣清潔度評價

王薇 ，余莊，冀鳳全

1. 安徽建筑工業學院建筑與規劃學院，安徽 合肥230022；2. 華中科技大學建筑與規劃學院，湖北 武漢430074

空氣負離子具有殺菌、降塵、清潔空氣、提高免疫力、調節機能平衡的功效，因而被譽為“空氣維生素和生長素”[1]。它是德國科學家Elster和Geital于1889年首次發現的。1902年Aschkinass和Caspari等肯定了空氣負離子存在的生物學意義，1931年一位德國醫生發現了空氣負離子對人體的影響，1932年美國CRA公司的漢姆遜發明了世界上第一臺醫用空氣負離子發生器，此后空氣負離子的科研在一些發達國家普及。我國對空氣負離子的研究起步較晚，1978年由伊朗沙哈瓦特博士引進的一臺電子儀器——生物濾器(biological filter)，即是我國負離子發生器的前身，開啟了我國對空氣負離子的研究工作；歷經20世紀80年代初和90年代初2個負離子的研究發展高潮[2]，取得了許多研究成果。在這些科研工作中，空氣負離子濃度的研究主要集中林業工作者和醫學工作者之列，他們關注人為干擾和自然環境中空氣負離子水平以及空氣負離子在醫療保健中的作用及其機理、空氣負離子資源的開發利用等[3]方面。

隨著以煤炭為主的能源消耗的大幅攀升和機動車保有量的急劇增加，現行的《環境空氣質量標準》已不能完全適應空氣質量管理要求。面對逐漸惡化的環境狀況，人們在世界范圍內掀起了一股空氣負離子研究的熱潮，開始了空氣負離子與環境關系的研究。目前，國內外關于空氣負離子的研究內容主要包括不同城市綠地結構、不同植被類型、不同樹種、不同生態結構、城市森林結構等不同生態環境對空氣負離子濃度的影響，以及森林旅游資源評價中空氣負離子研究等[4]。研究發現，空氣負離子濃度越高，空氣越清潔，感覺就越舒服；空氣負離子含量少，且正、負離子濃度比例大，空氣就越差[5]。因而在環境評價中，空氣負離子濃度被列為衡量空氣質量好壞的一個重要參數[6]，又稱為空氣清新程度的指南針。

空氣負離子的含量水平已作為公園建立森林浴場、森林別墅區、度假療養區、負離子吸收區的重要依據[5]。但是城市和建筑環境中的空氣負離子研究屬于應用基礎研究，在我國尚無系統的研究，處于初步探索階段。根據國內外學者的研究并結合學科特點，本文課題組開展空氣負離子與城市室內外空氣質量的研究，通過觀測分析自然環境和城市環境的空氣負離子濃度、熱環境主要影響因子以及周邊環境因子等數據，利用單極系數和安倍空氣質量評價指數進行分析，旨在找出街區城市適宜的規劃布局、建筑空間形態、建筑外部形體和材料以及下墊面類型等，從而在城市的規劃層面，進行符合氣候和生態資源運行狀態的設計，不僅可以形成較好的城市空氣質量，同時對于優化城市生態環境和城鄉規劃建設的水平有著重要的意義。

1 研究概況及方法

1.1 研究對象概況

根據2011年10—11月對城市居住區環境和辦公樓室內環境進行空氣負離子濃度的測定。

1.1.1 城市居住區環境

安徽省合肥市屬亞熱帶濕潤季風氣候，全年氣溫夏熱冬冷，春秋溫和，年平均氣溫15.7 ℃。測試區域選取高層小區、多層小區、低層高密度小區等3種具有代表性的不同居住模式小區。觀測期間氣象穩定，晴天，平均氣溫在21 ℃左右。

1.1.2 辦公樓室內環境

廣東省深圳市龍崗區某辦公樓地處亞熱帶季風氣候，雨熱同期，降水充沛，夏季高溫多雨，冬季寒冷少雨。最熱月平均溫一般不超過30 ℃，最冷月平均溫一般不低于10 ℃。

該辦公樓總裁辦公室位于頂層走道盡端，采用可再生能源技術制冷，可再生能源是一種清潔且可持續利用的能源，在環境日益惡化的情況下，促進可再生能源應用是節約能源、減少排放的最佳途徑。即將采集的地下冷熱源（室內地板散熱器的循環水與地下冷熱源集水管中的水進行循環）來調節進入室內的新風溫度，并通過與新風冷熱交換系統進行熱交換；然后，收集建筑內部已經使用后的廢風，與新鮮空氣交換熱量后，排出室內[7]。

普通辦公室則采用空調制冷，無新風進入。底層門廳無空調設備，為自然通風狀態。

1.2 研究方法

主要觀測項目有空氣正、負離子濃度、風速、空氣溫度、相對濕度、室內空氣等。空氣正、負離子濃度（個/cm3）用日本原產的KEC-990負氧離子測試儀，距地面1.5 m處，與成人呼吸高度基本一致。用KEC-R2型高智能記錄儀使之與PC相連，實時顯示空氣正、負離子濃度與溫度并記錄。每天9:00—15:00進行觀測，每次采氣10 min，其中5 min負離子和5 min正離子，間隔1 s讀數1次，每次取前50個極值計算平均值；溫度和風速每次采氣10 min，間隔1 s讀數1次，取平均值；空氣相對濕度每次采氣5 min，取平均值。

1.3 評價方法

目前國內外對空氣負離子的評價還沒有統一的標準，常規采用單極系數和安培空氣質量評價系數這2個應用最廣的評價指標，課題組根據測定的空氣負離子濃度數據，對單極系數和安倍空氣離子評價指數進行了分析。

1.3.1 單極系數（q）

在正常大氣中，空氣正、負離子濃度一般不相等，這種特征被稱為大氣的單極性[6]。單極性用單極系數來表示，即空氣中正離子與負離子的比值，即q=n+/n-。單極系數越小，表示空氣中負離子濃度比正離子濃度高得越多，對人體越有利。日本學者研究表明，當n-大于1000個/cm3，且q值小于1時，空氣清潔舒適，對人體健康最為有益[6]。

1.3.2 安倍空氣質量評價系數（CI）

日本學者安倍通過對城市居民生活區空氣離子的研究，建立了安倍空氣離子評價指數[8]。安培空氣質量評價系數反映了空氣中離子濃度接近自然界空氣離子化水平的程度，即CI=（n-/1000）×（1/q）[9]。

CI——空氣質量評價指數；n-——空氣負離子濃度（個/cm3）；q——單極系數；1000——滿足人體生物學效應最低需求的空氣負離子濃度（個/cm3）。

空氣質量評價指數把空氣負離子作為指標，同時又考慮了正、負離子的構成比，較為全面和客觀，因此，在國外的城市空氣離子評價中已經得到了廣泛的應用[10]，其評價標準見表1，按空氣清潔度指數可以將空氣質量分成5個等級。

表1 空氣清潔度與空氣質量評價指數（CI） Table 1 Air cleanliness and air quality assessment index (CI)

2 實測分析

2.1 實驗結果

2.1.1 自然生態環境

2011年9月22—28日期間，課題組對不同自然生態環境場所的空氣負離子濃度進行觀測研究，觀測結果見表2。由表2可以看出，地面上的空氣負離子濃度隨著地理環境因素（瀑布、海邊、峽谷等）不同差別很大，但不因地域變異，即只要具有相似的地理環境因素都呈現出規律性的分布[11]：瀑布比海邊高，山林比平地高，郊外比縣城高，有水的地方比無水的地方高，有植物的地方比無植物的地方高，其中瀑布口的空氣負離子含量最高，從高到低的排序為：瀑布＞海邊＞峽谷＞溪流＞縣城。

表2 自然生態環境的空氣離子濃度與風速、濕度、氣溫觀測記錄 Table 2 Measurement record of air ion concentration and wind speed, relative humidity, air temperature in natural environment

2.1.2 城市居住區環境

觀測結果見表3。低層高密度、多層和高層代表目前城市居住區中比較典型的3種居住模式，空氣負離子濃度隨著不同居住模式而呈現不同變化。其中低層高密度居住區的空氣負離子含量最高，達到289 個/cm3，從高到低的排序為：低層高密度居住區＞多層居住區＞高層居住區。

2.1.3 辦公樓室內環境

觀測結果見表4。普通辦公室在自然通風狀況下空氣負離子濃度最高，平均值為806 個/cm3，機械通風（普通空調制冷）狀況下則最低，平均值為147 個/cm3。在室內溫濕度較舒適的情況下，總裁辦公室的空氣負離子濃度最大，平均值769 個/cm3，比普通空調制冷房間的高出5倍多。

由此可見，自然通風狀態下的空氣負離子比機械通風狀態下的要高，可再生能源技術制冷的室內空氣負離子比普通空調制冷的要高，而放置空氣負離子發生器對室內空氣負離子濃度有明顯增大作用。據有關研究表明，空氣負離子濃度達到700 個/cm3以上時有益于人體健康。因此，總裁辦公室和自然通風狀態下的辦公室內空氣負離子濃度對人體健康有益。

2.2 結果分析

2.2.1 城市室外環境評價

表3 城市不同模式居住區空氣離子濃度與風速、濕度、氣溫觀測記錄 Table 3 Measurement record of air ion concentration and wind speed, relative humidity, air temperature in different settlement patterns of urban residential areas

表4 辦公樓室內各觀測點空氣離子濃度與風速、濕度、氣溫觀測記錄 Table 4 Measurement record of air ion concentration and wind speed, relative humidity, air temperature in different office interior environments

空氣負離子濃度的大小是空氣清新程度的指南針?？諝庳撾x子的含量水平已作為公園建立森林浴場、森林別墅區、度假療養區、負離子吸收區的重要依據，對游客有很大的吸引力[5]。根據課題組前期對自然生態環境的測試可以看出，自然生態環境明顯高于城市居住區環境，在有水和綠化環境豐富的地方，空氣負離子濃度很高，尤其瀑布的空氣負離子濃度最高，平均值達到26500 個/cm3，空氣質量最清潔，超過最高等級標準值370倍以上。這是由于瀑布口的Lenard效應強烈，產生的空氣負離子影響距離最遠[12]，水速流動的越快，空氣負離子濃度越高，空氣就越清潔。而城市作為人口聚集區，塵埃、廢氣、各種微粒組成的氣溶膠等污染物含量較高，這些物質與空氣負離子結合，影響了空氣負離子的存活時間；同時城市中的樹木和綠地明顯少于縣城和自然環境，市區內的路面多以水泥和瀝青路面為主，阻隔了來自土壤的電離源[13]，從而空氣質量大大下降。

城市居住區環境的安倍空氣質量評價情況如表5所示，低層高密度居住區空氣質量最好，達到最清潔等級，不僅具有高負離子含量，同時也具有適宜的溫濕度，對人體健康有利，適宜居住。而高層居住區的空氣質量最差，為重污染級別。這是由于高層居住區容積率高，建筑群在空間布局較為緊湊，景觀格局不如低層或者多層住區理想，而人口密度又相對較大，樹木綠化率低于低層高密度居住區，因而空氣負離子損失消耗增多，空氣正離子濃度增大，空氣質量下降。研究發現，適宜的溫度、濕度以及風速能提高空氣負離子濃度，同時綠化好的地方負離子濃度也高，這主要是由于樹葉的尖端效應和樹木產生的萜烯類物質具有增加空氣中負離子的功能[5]。

2.2.2 城市室內環境評價

由表6可見，總裁辦公室的單極系數為1.62，空氣質量評價指數為0.47，空氣質量允許；普通空調制冷的辦公室的單極系數最高，達到2.69，空氣質量重污染；房間內放置負離子發生器后明顯降低，單極系數為最小值0.58，空氣質量達到中等清潔以上。由此可見，自然通風或者有新風進入的室內單極系數小，空氣清潔舒適，人們在室內有一定的舒適感；放置負離子發生器的室內空氣質量和空氣清潔度具有顯著改善。這是因為：一是當空氣負離子濃度增大時，空氣正離子濃度也會增大，隨著新風的不斷進入，空氣負離子濃度增大的幅度要比正離子濃度增大的幅度大很多[6]；二是普通空調制冷在送風前有冷卻或加熱、加濕、濾塵等處理，這種通風措施對于改善微小氣候有一定的效果，但在濾塵的同時也濾掉了空氣負離子[5]。

研究表明，長期在空調環境中工作，眼—腦—手反應相對遲鈍，會使人們的神經系統受到一定程度的損害，易發生“空調綜合癥”，不易于人體的健康[10]。2011年10月29日，在合肥市某高層居住區一門窗關閉的客廳內測得單極系數達到21.7，而同時在打開門窗的狀態下測得的單極系數有所減小。

表5 自然生態環境和城市居住區環境下空氣離子濃度與空氣質量評價指標 Table 5 Assessment of air ion concentration and air quality in natural environment and urban residential environment

表6 各測試房間的空氣負離子濃度和空氣質量評價指標 Table 6 Assessment of air ion concentration and air quality in different office interior

目前，越來越多的人們在封閉的空調環境下工作，室內環境由于空氣負離子濃度低，常常使長期在這一環境內工作的人員有頭痛、惡心、眩暈、昏睡的感覺。據有關報道，在南非一家銀行數據處理室工作的91名女職工每天處理大約2億英鎊的支票，2年的統計表明，她們的工作出錯率一直在2.5%左右，工作人員經常抱怨空氣“沉悶”，但安裝了空氣負離子發生器6周后，出錯率下降到0.5%，職員的情緒也有很大提高[5]。觀測中放置負離子發生器后辦公室內空氣質量大大改善，空氣負離子含量比普通空調辦公室增大2倍多，空氣質量最好。這是由于負離子發生器大多采用高壓放電方式產生負離子，這種產生負離子的方法雖然與自然環境中負離子發生的方式不同[14]，但是能大大增加空氣中負離子濃度，從而提高空氣質量，同時刺激人們的興奮點，提高工作積極性和工作效率。

3 結論與建議

3.1 結論

（1）空氣負離子濃度由城市中心—郊區—鄉村呈逐漸增大的趨勢，同時空氣負離子濃度增大的速度大于空氣正離子。

（2）有風時空氣負離子含量比無風時高，且風速與空氣中負離子濃度成正相關。

（3）水與空氣負離子的高低有密切的關系，尤其動態水能顯著增加周邊環境的空氣負離子濃度。

（4）植物零星分散配置容易降低植物群體的生態效益[15]。

（5）相對濕度與空氣負離子具有良好的相關性。適宜的溫度、濕度以及風速會使人感到舒服，從而有益于人體的健康。

3.2 建議

隨著全球氣候變化和城市辦公自動化的逐步更新，使得室內外的空氣負離子濃度逐漸降低?？諝庳撾x子濃度的大小直接影響室內外空氣清潔度和空氣質量，因此，通過提高室外內負離子濃度來創造舒適的空氣環境越來越引起人們的重視。

（1）空氣負離子濃度為居住區規劃設計提供科學依據。隨著城市經濟發展、人口增長以及城市建設，需要關注如何通過合理的城市布局和空間配置來緩解因城市化引起的城市生態環境問題，因而建議針對不同居住模式的小區，從規劃和設計的角度開展空氣負離子濃度與氣候變化因子、不同規劃布局和設計方法等之間的觀測研究，從而為綜合地評價城市居住區生態環境狀況提供科學依據和設計思路。

（2）空氣負離子濃度列為室內環境的監測和評價指標。空氣負離子在密閉式空調（或機械通風）場所，由于空氣經過濾后，負離子濃度大大衰減，所以對這樣的環境，應增加負離子濃度作為監測和評價指標，如果發現濃度過低時，應采取適當措施來增加舒適度[16]。

3.2.3 在城市中心和高密度居住區要擴大綠地或多開發綠地，在植物配置時盡可能地集中片狀配置[17]，并采用復層結構，即喬木、灌木、草類等組合。同時減少不必要的硬質廣場或鋪裝，適當增加噴泉和活動水面等，以減少空氣污染，提高空氣質量，構建理想的城市景觀格局，為居民提供良好的生活環境。

3.2.4 加強自然通風和主導風向的引導，使周邊負離子濃度增大，調節室內外生態和熱量循環，有效地改善室內外微氣候和舒適度，達到建筑節能和和諧自然室內外環境的共生要求[7]。尤其在封閉的場所設置有效的通風系統和人工離子化設備，采取加強通風換氣、改善室內綠化以及合理布置辦公設備等措施，送入負離子多的空氣，創造適宜的溫度、濕度以及風速，從而改善室內空氣清潔度和室內工作環境，提高工作人員的積極性和身心健康。

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