開窗行為規(guī)律及其對室內(nèi)PM2.5濃度的影響研究

周巖譚洪衛(wèi)，2，3* 趙雨

1同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院

2同濟(jì)大學(xué)綠色建筑與新能源研究中心

3同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展學(xué)院

0 引言

2016年，上海細(xì)顆粒物年平均質(zhì)量濃度為45 μg/m3，雖相對去年降低了16.7%，但是仍然超出了世界衛(wèi)生組織規(guī)定的空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[1]。細(xì)顆粒物也稱為PM2.5，因其對重金屬以及氣態(tài)污染物有明顯的富集作用，同時還可成為病毒和細(xì)菌的載體，對人體健康會產(chǎn)生極大危害[2]。以往的研究表明，室內(nèi)環(huán)境空氣品質(zhì)受到大氣PM2.5污染的直接影響。對于自然通風(fēng)的住宅，人們會視季節(jié)不同通過開窗來改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，尤其是春秋兩季。而國內(nèi)對于居民開窗行為規(guī)律的研究極其匱乏[3]，因此建立住戶開窗行為規(guī)律及其與開窗對室內(nèi)顆粒物濃度的影響研究是十分有必要的。

目前，我國建立了較為完善的室外大氣環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，但缺乏對室內(nèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的監(jiān)測，尤其是對住宅室內(nèi)外顆粒物環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測的研究較少[4]。本文以上海地區(qū)一典型住戶為例，長期監(jiān)測住戶室內(nèi)PM2.5濃度及溫濕度，同時監(jiān)測住戶的開關(guān)窗行為。調(diào)查居住建筑室內(nèi)在自然通風(fēng)狀態(tài)下PM2.5質(zhì)量濃度水平，分析開關(guān)窗對PM2.5質(zhì)量濃度的影響。

1 數(shù)據(jù)及方法

1.1 采樣地點及時間

實測住宅位于上海市虹口區(qū)，其附近的監(jiān)測站為上海-虹口站。三口之家，夫婦二人工作日上班，工作日的白天老人來家中看管小孩。

實測時間為2016年12月24日-2017年11月31日，SDM云測儀安裝在主臥室，門窗傳感器貼在主臥室朝南的窗戶上，進(jìn)行連續(xù)24小時監(jiān)測。實測住宅的戶型圖如圖1所示，其中圓圈內(nèi)表示的窗戶和臥室即為監(jiān)測窗戶和房間。

圖1 實測住宅戶型圖

1.2 采樣方法及儀器

SDM805云測儀集成了PM2.5濃度傳感器和溫濕度傳感器，儀器基本參數(shù)詳見表1。為了確保激光PM2.5傳感器的準(zhǔn)確度，在測試進(jìn)行之前，將傳感器放到國控站的楊浦四漂監(jiān)測點做固定校核工作，根據(jù)校核結(jié)果對傳感器的測試結(jié)果進(jìn)行修正。圖2為持續(xù)24 h的監(jiān)測對比結(jié)果，測量結(jié)果與當(dāng)日四漂監(jiān)測站的數(shù)據(jù)對比。由對比結(jié)果可知車載傳感器與國控站的數(shù)據(jù)基本吻合，二者做線性擬合，相關(guān)系數(shù)為0.8273，儀器精度可以保證。開窗行為的監(jiān)測采用小米傳感器，該傳感器能夠?qū)崟r感知門窗開關(guān)狀態(tài)，同樣能和智能設(shè)備連接，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)無線傳輸功能。

表1 傳感器測試參數(shù)情況

圖2 固定監(jiān)測對比測試結(jié)果

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 開窗行為規(guī)律

2.2.1 開關(guān)窗時刻統(tǒng)計

圖3為不同季節(jié)的開窗情況統(tǒng)計。實測住宅冬季（12月、1～2月）的開窗時間與關(guān)窗時間集中在8:00左右，偶爾出現(xiàn)在17:00左右時開關(guān)窗，但是大部分開窗時長均低于1 h。冬季室外氣溫較低，導(dǎo)致住戶僅開窗換氣，并未長期保持開窗狀態(tài)。春季（3～5月）開窗時間仍然集中在8:00左右，而關(guān)窗時間慢慢由8:00-10:00轉(zhuǎn)變?yōu)?2:00左右，春季住戶開窗的時長增加，多次出現(xiàn)開窗時長大于2 h的情況。夏季（6～8月）和秋季（9～11月）開窗時間均集中在8:00和16:00兩個時刻，關(guān)窗時間也集中在12:00和18:00，開窗時長大部分超出 1 h，介于1～4 h之間。

圖3 不同季節(jié)的開窗情況統(tǒng)計

2.2.2 開窗時長

圖4展示了實測住戶在冬、春、夏、秋四個季節(jié)的開窗時長，可知四個季節(jié)每次開窗戶時長的平均值分別為0.7，2.3，2.7和2.5 h。其中冬季開窗時長最低，而夏季開窗時長最高，春、秋兩季略低于夏季。

圖3中春季開窗時長有所增加，而圖5展示了開窗時長與室外溫度的關(guān)系，可知，當(dāng)室外溫度高于11℃且不再降低的時候，開窗時長開始多次出現(xiàn)大于2 h的狀況。

圖4 開窗時長情況統(tǒng)計

圖5 開窗時長與溫度的關(guān)系

2.2 室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度

2.2.1 不同季節(jié)室外PM2.5污染水平

2016年，上海細(xì)顆粒物年平均質(zhì)量濃度為45 μg/m3，相對去年降低了16.7%。可見室外大氣中的細(xì)顆粒物的污染水平相對降低。表2為冬、春、夏、秋四季室外虹口監(jiān)測站所監(jiān)測的不同空氣質(zhì)量狀況所占的天數(shù)比例。由表2可知，2016年12月24日-2017年11月31日期間虹口區(qū)均未出現(xiàn)重度污染的天氣狀況，只有冬季出現(xiàn)中度污染天氣狀況。其中夏、秋兩季季優(yōu)良天氣高達(dá)96.3%和97.7%，極少出現(xiàn)污染情況。而冬季出現(xiàn)污染的天氣占比為14.5%，可見冬季污染現(xiàn)象較為嚴(yán)重。

表2 不同空氣質(zhì)量狀況的天數(shù)比例

PM2.5的日變化呈現(xiàn)雙峰型特征，通常兩個高峰值分別出現(xiàn)在早晚上下班車流量高峰時間段。由于早晚上下班高峰時段道路交通車流量較大，人員活動密集，造成PM2.5等顆粒污染物排放量大，PM2.5監(jiān)測值容易在此時段出現(xiàn)峰值[5]。但不同季節(jié)不同區(qū)域日變化特征中出現(xiàn)峰值的時間段可能有所不同[6]。楊維等人采集了北京城區(qū)2008年至2012年P(guān)M2.5質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)PM2.5在夜間至凌晨這段時間濃度最高[7]。而趙金鐲等人在上海市PM2.5調(diào)查報告中發(fā)現(xiàn)，上海地區(qū)PM2.5容易出現(xiàn)峰值的時間段為早晨[8]。

圖6展示了冬春兩季室內(nèi)和室外PM2.5質(zhì)量濃度的時刻平均值及IO比的平均值。觀察逐時變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，虹口監(jiān)測站附近的PM2.5質(zhì)量濃度，冬季在9:00左右出現(xiàn)峰值，而春季未出現(xiàn)明顯峰值。對于室內(nèi)PM2.5濃度的日變化規(guī)律，無論冬季還是春季均出現(xiàn)雙峰特性，認(rèn)為是由于室內(nèi)做飯產(chǎn)生的油煙對室內(nèi)PM2.5濃度的影響所造成。另外IO比的峰值特征顯示，冬季在傍晚17:00左右出現(xiàn)峰值，而春季在12:00和18:00左右出現(xiàn)兩次峰值，因此可以建議住戶在對應(yīng)時間段內(nèi)開窗，能更有效地散發(fā)室內(nèi)污染源。

圖6 室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度及IO比變化規(guī)律（夏季缺失偶數(shù)時刻的室外數(shù)據(jù)）

2.3 開窗對室內(nèi)PM2.5濃度的影響

由于冬季出現(xiàn)污染天氣較多，因此以冬季數(shù)據(jù)為例，選取典型狀況分析開窗對室內(nèi)PM2.5濃度的影響。圖7即為開關(guān)窗前后室內(nèi)外PM2.5濃度的曲線圖。由圖7可知：開窗之前，室內(nèi)PM2.5濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室外濃度時，開窗將使室內(nèi)PM2.5濃度升高，并逐漸接近室外濃度。開窗之前，室內(nèi)PM2.5濃度保持升高/下降的趨勢或是室內(nèi)外濃度相差不大的情況下，開關(guān)窗戶對室內(nèi)PM2.5濃度幾乎無影響。

圖7 開窗對室內(nèi)PM2.5濃度的影響

3 結(jié)論

本文以上海市一典型住戶為例，通過長期監(jiān)測該住戶的室內(nèi)PM2.5濃度及溫濕度以及住戶開關(guān)窗行為，調(diào)查了居住建筑室內(nèi)在自然通風(fēng)狀態(tài)下PM2.5質(zhì)量濃度水平，并分析了開關(guān)窗對PM2.5質(zhì)量濃度的影響。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)以下幾點結(jié)論。

1）住戶在冬季及春季前期開窗時間集中在8:00左右，且開窗時長低于1 h，當(dāng)室外溫度持續(xù)高于11℃左右時，住戶一天內(nèi)開窗次數(shù)增多，開窗時間集中在8:00和16:00左右，而開窗時長也相應(yīng)增加為1～4 h。

2）做飯的影響導(dǎo)致住戶室內(nèi)PM2.5日變化規(guī)律呈現(xiàn)雙/三峰特性，而對于室外逐時變化規(guī)律，冬季呈現(xiàn)單峰，出現(xiàn)在9:00左右，春季峰值不明顯。

3）開窗之前，室內(nèi)PM2.5濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于室外濃度時，開窗將使室內(nèi)PM2.5濃度升高，并逐漸接近室外濃度。開窗之前，室內(nèi)PM2.5濃度保持升高/下降的趨勢或是室內(nèi)外濃度相差不大的情況下，開關(guān)窗戶對室內(nèi)PM2.5濃度幾乎無影響。

由于開窗對室內(nèi)PM2.5質(zhì)量濃度的影響因素眾多，包括建筑所處的位置，樓層高度，室外氣象條件等，本文僅單純分析了開關(guān)窗引起的室內(nèi)PM2.5濃度的變化。關(guān)于不同開窗效果及開窗習(xí)慣所帶來的不同室內(nèi)空氣質(zhì)量水平還有待后續(xù)做進(jìn)一步研究。

[1]WHO.WHO air quality guidelines for particulate matter,Ozone,Nitrogen dioxide and sulfur dioxide:summary of risk assessment[S].World Health Organization,2005

[2]林治卿,襲著革,楊丹鳳,等.PM2.5的污染特征及其生物效應(yīng)研究進(jìn)展[J].解放軍預(yù)防醫(yī)學(xué)志,2005,23(2):150-152

[3]魏復(fù)盛,Chapman R S.空氣污染對呼吸健康影響研究[M].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2001

[4]Andersen B.Relationship between indoor and outdoor air pollution(technical note)[J].Atmosphere Environment,1972,6(4):275-278

[5]陳丹青,師建中,肖亮洪,等.粵東3市PM2.5和PM10質(zhì)量濃度分布特征[J].上海環(huán)境科學(xué),2013,32(2):72-78.

[6]孫南.常州市區(qū)空氣PM2.5污染分布和氣象因素影響初探[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2013,10,38(10):166-169.

[7]楊維.北京城區(qū)PM2.5濃度空間變化及對呼吸健康影響[D].北京:首都師范大學(xué),2013

[8]趙金鐲,李麗,錢春燕,等.上海市居民區(qū)大氣顆粒物污染水平及時空分布特征研究[J].衛(wèi)生研究,2012,41(1):35-39.