天津市住宅室內PM2.5質量濃度及影響因素

郭春梅，趙珊珊，由玉文，王 宇，李艷菊

（天津城建大學能源與安全工程學院，天津300384）

霧霾天氣的主要污染物為PM2.5，是指環境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5 μm的顆粒物，也稱細顆粒物。眾多流行病學研究發現，顆粒物會危害人體呼吸系統和心腦血管系統，嚴重時會引起肺癌和缺鐵性心臟病等疾病[1-4]，PM2.5質量濃度每增大10 μg/m3，呼吸系統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質量濃度不高，長期暴露于PM2.5環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，為防治霧霾，各省市建立了大氣空氣質量監測網絡，地級以上的城市共布置大氣監測網點近1 500個[8]，但是對于室內PM2.5質量濃度的監測和研究卻相對較少[4]，人們每天大約有70%～80%的時間是在室內度過的，其中老人及一些行動不便的人士在室內的時間能達到90%左右[9]，因此研究室內空氣質量影響因素，對保證人體健康有較大的現實意義。Grinshpun等[10]研究發現，在室內沒有明顯的污染源的情況下，室外大氣對室內顆粒物濃度影響明顯，表明室內外顆粒物濃度具有很強的相關性；Olson等[11]評估了不同的烹飪方式所產生顆粒物的散發速率，并提出中式烹飪要比大部分的西式烹飪產生更多的氣溶膠顆粒；蘇雅璇等[9]、程鴻等[12]和張金萍等[13]先后采用實驗監測的方法得出室內顆粒物濃度的影響因素不僅包括室外大氣和烹飪行為，還包括室內人員活動、吸煙以及采暖方式等；謝偉等[14]分析了室內無塵源時自然通風房間室內外PM2.5質量濃度比（I/O），發現每小時換氣次數由1增加至6時，I/O變化顯著，繼續增加換氣次數，則I/O趨于平緩。張秋玲[15]采用計算流體力學方法模擬了室內PM2.5的質量濃度場與速度場，發現室外PM2.5質量濃度不超標時，自然通風是凈化室內空氣的最佳選擇，當室外PM2.5質量濃度超過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合使用時對室內PM2.5濃度的控制情況，結果表明：當室外霧霾在中度污染（室外PM2.5質量濃度小于200 μg/m3），可以采取全時開窗與空氣凈化器聯合策略控制室內污染物的質量濃度；當室外霧霾污染嚴重（室外PM2.5質量濃度大于300 μg/m3）時，可采取短時開窗與空氣凈化器聯合策略控制室內污染物的質量濃度。

本文中選取了天津市不同區域的4個家庭進行室內PM2.5質量濃度監測，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因素影響下室內PM2.5的質量濃度差異，并重點分析室內因素的具體影響。

1 實驗

1.1 儀器

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

表1 室內測試實驗儀器參數Tab.1 Parameters of indoor test instruments

室內PM2.5質量濃度檢測儀與溫濕度記錄儀均有自記功能，可在采樣時間內連續存儲，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

為使實驗數據更有代表性，選取了天津市不同區域的4個家庭進行測試，可確保所測數據具有代表性。4個家庭均安裝同一種空氣凈化器產品，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，屬天津地區霧霾高發期。本文中假定PM2.5對人體健康的影響是其質量濃度的函數，且只與質量濃度有關，而與其組分無關，所以采樣時間內PM2.5檢測儀會連續無間斷監測室內PM2.5質量濃度，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 結果

測試期間室外空氣各參數值如表3所示。一般情況下，為了衡量室內外空氣質量濃度差異，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個家庭的室內測試結果數據。

表3 室外空氣參數Tab.3 Outdoor air parameters

表4 測試家庭數據匯總Tab.4 Summary data of residences in experiment

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

我國標準規定[19]，居住區24 h PM2.5平均質量濃度限值為75 μg/m3。由表4可知，測試時間內4個家庭室內PM2.5平均質量濃度均低于標準限值，室內空氣質量可以接受。室內相對濕度（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測試結果差距較大，家庭3室內RH是家庭1的2.4倍。研究[20]發現，不同RH下顆粒物會發生不同程度的凝并，凝并顆粒的最小粒徑約為0.1 μm，RH為35%時，無凝并現象的發生；RH為50%時，發生凝并現象，但程度較弱；RH為56%時，發生較顯著凝并現象，但凝并生成的顆粒結構松散不緊密；RH為80%時，發生了非常顯著的凝并現象，且生成的顆粒結構緊密。由表4可知4個家庭室內相對濕度均低于56%。可見本次測試中室內相對濕度并不是室內PM2.5平均質量濃度產生差異（家庭1＞家庭4＞家庭3＞家庭2）的影響因素。

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

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

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

圖2中家庭1在1月16—19日出現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PM2.5質量濃度升高，而17、18、19日均無烹飪活動，所以16日室內PM2.5質量濃度高于17、18日的，在無烹飪源的影響下，受室外PM2.5質量濃度的影響，18、19日室內PM2.5質量濃度又有所回升。可見，烹飪對室內PM2.5質量濃度的變化有重要影響。

家庭2在此測試時間只有1人，且幾乎無人員活動，所以室內PM2.5質量濃度一直保持在較低的水平，而其他家庭由于人員數量多或者存在烹飪行為等，使得室內PM2.5質量濃度高于家庭2。可見室內人員活動也是室內PM2.5質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PM2.5質量濃度Fig.4 First stage indoor PM2.5 mass concentration of residence 2

圖5 家庭2第二階段室內PM2.5質量濃度Fig.5 Second stage indoor PM2.5 mass concentration of residence 2

圖6 1月份家庭2、3、4室內質量濃度對比Fig.6 Indoor concentration contrast of residence 2，3 and 4

3 室內PM2.5質量濃度的影響因素分析

3.1 人員活動對室內PM2.5質量濃度的影響

人員活動產生顆粒物的數量取決于室內人員數量、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物體表面的顆粒物再次懸浮到空中，進而增加室內懸浮顆粒物含量，這個過程稱為二次懸浮。趙彬等[22]發現，人在靜止時0.3 μm以上的PM2.5顆粒發生率為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，只有1位家庭成員，且幾乎無人員活動；而在階段二（2月18—26日）家庭人員數量增加為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PM2.5質量濃度對比，發現階段二室內PM2.5質量濃度是階段一的4.83倍。可見室內人員活動與室內PM2.5的產生和傳播關系密切。

圖6對家庭2、3和4室內PM2.5濃度進行對比。本文中家庭3人員數為5（包括1位兒童），家庭4人員數為6（包括2位兒童），與階段一的家庭2進行對比，得出室內PM2.5質量濃度：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PM2.5質量濃度越高，同時兒童活動強度較大對室內PM2.5質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PM2.5質量濃度的影響

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

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

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

3.3 空氣凈化器對室內PM2.5質量濃度的影響

研究發現[18]，室內未采用空氣凈化措施時室內外PM2.5質量濃度呈正相關，相關系數約為0.78，而采用凈化裝置時室內外PM2.5質量濃度相關性較差，相關系數減小為0.39，表明安裝凈化裝置對室內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，但是室內PM2.5質量濃度并不相近，原因是家庭3在室內PM2.5質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PM2.5質量濃度（0.031 mg/m3）水平較低，是家庭4平均質量濃度（0.049 mg/m3）的63%，使用空氣凈化器使得室內PM2.5質量濃度降低了58%左右。可見，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屆清華大學建筑節能學術周，參會專家劉俊杰教授表示，PM2.5質量濃度超過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PM2.5質量濃度大于25 μg/m3時開啟凈化器是最合適。

4 結論

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

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

3）烹飪是室內PM2.5的主要貢獻者，烹飪時間內室內PM2.5質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質量濃度快速降低。

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

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