辦公建筑室內PM2.5濃度分析與控制策略研究

趙 枚 丁澤群 楊翠英

（國核電力規劃設計研究院有限公司 北京 100095）

辦公建筑室內PM2.5濃度分析與控制策略研究

趙 枚 丁澤群 楊翠英

（國核電力規劃設計研究院有限公司 北京 100095）

為了進一步的研究PM2.5濃度變化對室內環境的影響規律，項目對北京某辦公樓進行PM2.5濃度及“IO比”變化規律進行了監測，并且在利用實驗的方法定量的計算了辦公建筑室內主要污染源香煙的PM2.5散發量，同時利用實驗的方法驗證了基于室內質量平衡的室內PM2.5濃度的控制理論，從而為進一步研究PM2.5和控制室內PM2.5濃度提供了一定的科學依據和理論指導。

辦公建筑 ；室內PM2.5濃度；“IO比”；質量平衡

引言

2013年，“霧霾”成為年度關鍵詞。2013年的1月期間，有4次霧霾過程并且籠罩30個省（區、市），而在北京，僅有5天不是霧霾天。根據報告顯示，在我國最大的500個城市當中，僅有不到1%的城市能夠達到世界衛生組織所推薦的空氣質量標準。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。持續蔓延的霧霾天氣導致的空氣污染問題，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方式的思考。

近些年以來，大量的醫學研究結果表明人類的發病率及死亡率和大氣中的懸浮顆粒物（PM）的質量濃度存在著明顯的正相關性[1]，即使這一濃度值低于相應的國家控制標準值，這個相關性仍然存在且較為明顯。

現有的多項研究數據結果表明我國城市室內環境中的PM2.5污染程度較為嚴重，因此對于室內PM2.5形成的機理、來源以及其室內濃度的分布特征的研究已經成為了現在公共健康和室內空氣品質等研究領域所共同關注的問題，室內PM2.5的防治已經到了已刻不容緩的地步。

1 室內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某園區內的辦公樓，于2015年5月26日至2015年6月12進行連續測試。

1.2 測試及實驗裝置和設備

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

表1 TSI8532手持式氣溶膠檢測儀主要技術參數

1.3 測試方法

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

1.4 對于測試數據的處理和分析

前期PM2.5測試數據的整理，本次整理的檢測數據從2015年5月26至6月12日，分析了大辦公區1，大辦公區2以及小辦公區的室內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濃度測試數據

從圖1中可以看出，大辦公區1、2以及小辦公區的室內PM2.5濃度的變化與同時間室外PM2.5濃度趨于一致，規律較為明顯。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1、2次之，小辦公區最小。當室內除人員散發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1因為靠近走廊受外界區域的干擾較大，使得其濃度僅次于室外的PM2.5濃度值，而大辦公區2和小辦公區因為處于內區，且外窗緊閉，受外界干擾少，室內的PM2.5散發量較為穩定。

2 室內PM2.5濃度的控制理論分析

室內PM2.5濃度的控制理論是基于室內質量平衡理論。室內環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的速率和顆粒物在室內環境中被消除、發生轉變以及重新懸浮速率以及顆粒物在室內產生的速率。如果不計顆粒物的室內產生源，容積為V的房間內顆粒物濃度在時間t內變化可表示如下：

假設空氣各向同性，并且空氣與室內物體表面沒有溫差，室內顆粒物濃度均勻，且污染源是穩定的，則室內PM2.5質量平衡控制方程表示：

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

3 實驗結果及其分析

3.1 香煙煙霧的PM2.5散發量及自然衰減實驗

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

對于辦公建筑而言，室內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，其室內濃度峰值在香煙燃盡后達到，為517μg/m3，根據房間的體積進行計算，測得3支香煙共計散發27.401mg/m3,每支香煙的PM2.5散發非常均勻，也就是說每支香煙的PM2.5散發濃度9.134mg/支。上述實驗測得的香煙PM2.5散發量為扣除自然衰減后的，所以為了準確的得到香煙PM2.5散發量進行自然衰減實驗。

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

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，t時間單位為min。對上述公式兩邊取對數，其所得式子（3-2）如下：

對室內PM2.5濃度值取對數做線性回歸，其斜率值即為香煙煙霧的PM2.5自然衰減常數，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》國家標準（GB/T 18801-2008）以及美國家用電器制造商協會（AHAM）的便攜式家用電動室內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準測試方法長很多，取點較多，所以其結果基本可信，線性關系良好。所得的香煙煙霧PM2.5自然衰減常數為0.009698min-1。

而根據文獻可知，室內污染物源濃度散發量的計算公式如下：

其中 Cin為室內 PM2.5 濃度（μg/m3），Cout為室外PM2.5濃度（μg/m3），P為穿透效率，α為室內換氣次數，Qs為室內污染源產生速率，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 凈化器風量測試實驗

為了更準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量測試，參考《通風與空調工程施工質量驗收規范》（GB50243-2002）的風量測試方法，分別對凈化器的送風口和回風口進行風量測試，使用熱線風速儀對兩個風口分別取點測試風速，然后根據風口面積與風口平均風速計算風量，其中回風口取9個測試點，送風口取6個測試點。

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

3.3 香煙煙霧的PM 2.5凈化實驗

在凈化實驗中實驗環境良好，室內外PM2.5濃度穩定在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PM2.5濃度穩定在 124μg/m3，即房間初始濃度為124μg/m3，然后點燃香煙，使室內香煙持續燃燒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，設置其每30秒記錄一次數據，其記錄結果如圖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，但當香煙燃燒幾分鐘后其凈化器進出口濃度值較為穩定，其中出口濃度基本穩定在100μg/m3左右，而進口濃度基本穩定在220μg/m3左右，房間內PM2.5濃度值基本穩定。根據上述數據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%。根據計算的結果雖然凈化效率遠低于其標榜的數值，但凈化效果還是較為明顯，可以通過在有持續室內污染源時凈化與未凈化的室內PM2.5濃度值變化圖（圖6）。

圖6 有持續室內污染源時凈化與未凈化的室內PM2.5濃度值變化圖

從圖6中可以看出，當室內有凈化和無凈化時的區別還是非常明顯，當室內有持續的香煙煙霧污染時其PM2.5上升速率極快。根據本文第三章中的質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 凈化實驗中室內濃度實際值與預測對比變化圖

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PM2.5的濃度增長速度在逐漸減小，實驗實際測試的數據與利用平衡理論所預測的數據吻合度也相當高，說明了理論的可靠性。

結語

對于辦公建筑而言，室內PM2.5的污染來源主要還是來源于室外，根據檢測數據發現對于夏季的辦公建筑而言其“IO比”主要集中在0.5左右。根據實驗可知室內的主要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為0.009698min-1，散發量為11.79mg/支，散發速率為1.179mg/min。

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

[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，趙偉榮．室內空氣污染及凈化技術[M]．北京；化學工業出版社，2005：37．8-387．

[3]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.GB/T 18801-2008空氣凈化器 [S]．北京：中國標準出版社,2009．

[4]美國家用電器制造商協會（AHAM）。《便攜式家用電動室內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，主要從事供暖通風空調設計研究。