教室室內顆粒物濃度變化規律分析研究

劉鵬 吳倩倩

1 江西財經職業學院財稅金融學院

2 馬鞍山學院建筑工程學院

近年來，在秋冬季節，我國大部分地區霧霾天氣頻發。室外顆粒物即使在門窗全關的情況下，依然可以通過圍護結構縫隙等開口滲透進入室內，造成室內環境嚴重污染，進而誘發人體呼吸道疾病的爆發。Sijan Z 等人研究發現，人體暴露在顆粒物污染的空氣中可導致呼吸系統中產生過量的活性，從而造成局部細胞損傷并引發全身炎癥反應[1]。Solaimani P 研究結果表明：人體暴露于顆粒物環境可能引起神經發育和神經退行性疾病的發生[2]。教室作為師生學習、工作的主要場所，由于人員密集、人員流動性大的特點，其室內環境對師生的身心健康影響巨大，因此對教室室內顆粒物濃度的監測研究至關重要。李旻雯對上海市某中學教室室內顆粒濃度進行監測，實驗結果表明：即使在教室門窗全關的情況下，全年上課時間中有26%～42%的天數室內顆粒物濃度超標[3]。國內外對顆粒物濃度影響因素研究[3-6]結果顯示：室內顆粒物濃度污染水平不僅受到室外顆粒物濃度的影響，而且與室內污染源、通風方式、環境因素等有明顯的關聯性。王清琴等人研究表明：室內顆粒物污染濃度水平受到室外顆粒物濃度、燃燒過程、吸煙、打印機、人員活動、烹飪、圍護結構等多個因素綜合影響[7]。然而現有針對高校教室室內顆粒物污染的研究起步較晚，研究數據較少。此外，已有的研究主要是依靠實驗監測或CFD 模擬等單一方式進行研究分析，不能全面反映教室室內顆粒物污染情況。為此本文挑選南京市和馬鞍山市兩所高校22 間具有代表性的教室，采用門窗統計調查，問卷調查、實驗監測、CFD 模擬等手段經過長達4 年的研究，綜合分析環境參數、門窗啟閉狀況、室內污染源等對室內顆粒物濃度的影響程度、顆粒物濃度變化規律及分布，以期為建筑設計和環境污染防控提供了參考依據。

1 研究過程

1.1 研究對象

實驗期間，進行大范圍的門窗統計調查和問卷調查，分析門窗啟閉狀態和人員通風習慣，為實驗監測和CFD 模擬提供數據支撐。通過對高校教學樓進行現場調研，分析高校教學樓常見建筑結構模式，挑選出具有代表性的教室作為實驗監測和模擬對象。被挑選的教室模型如圖1 所示。教室主要通過門窗開啟進行自然通風，未布置空調和機械通風設備。

圖1 教室模型

1.2 測試儀器

實驗監測過程中使用的儀器主要有：粉塵儀（TSI8532）、光學粒徑譜儀（TSI3330）、空氣質量分析儀（EA80）、空氣品質檢測儀（TSI7575）氣象站1 臺（vantage pro2）。

1.3 實驗方法

根據GB/T1883-2002《室內空氣質量標準》的要求，在不同時段，對22 個教室內的顆粒物濃度、風速、溫濕度等參數進行監測進行長期監測。

室內檢測點布置高度1.2～1.5 m 的位置，室外測點布置在同一高度處。空氣質量分析儀和氣象站的數據記錄時間間隔60 s，光學粒徑譜儀和空氣品質檢測儀根據實驗需要設置時間記錄時間間隔為60 s 和1 s。

1.4 調查和模擬

對兩所高校門窗啟閉狀態、通風時段等參數進行統計，共統計數量1456 間次。對高校學生通風行為進行問卷調查，共回收有效問卷500 份。在前期統計調查和實驗的基礎上，考慮到新冠肺炎疫情可能對學生座位距離的影響，在CFD 模擬時，采用人體分散坐開模型進行研究。

2 結果分析與探討

2.1 調查分析

門窗統計調查結果如圖2 所示：在冬季，隨著氣溫的降低，門窗全關的概率逐月增加，而門窗全開和僅開外窗的概率逐月下降。三個月中僅開內門、廊窗的方式占比達到45%以上，明顯高于其他三種門窗開啟方式。圖3 問卷調查結果顯示：在秋冬季節，學生主觀傾向于僅開啟內門、廊窗（占比48.8%），用來改善室內空氣質量，門窗全關和全開的訴求較低。在開窗時段選擇上，56.2%的人傾向于6:00～10:00 開外窗。24.2%的人傾向于10:00～14:00 時間段。13.6%的人傾向于14:00～18:00 時間段。6.0%的人則傾向于18:00～22:00 時間段。

圖2 門窗統計調查

圖3 問卷調查

2.2 室內顆粒物濃度影響因素

對各教室室內顆粒物濃度與溫度、相對濕度、風速等影響因子進行相關性研究，求解得到相關性系數平均值與標準差。從表1 中可以看出室外溫度與室內顆粒物濃度呈現一定的正相關性，表明室外溫度越高，室內污染也越嚴重。室內顆粒物濃度和室外濕度呈現一定的負相關性。這可能的原因是室外濕度較大時，有利于細小顆粒凝結合并成大顆粒物，最終沉降到地面，從而降低了室內顆粒物的濃度。室外風速、室內濕度和室內顆粒物濃度相關性系數較小，標準差也較大，相關性并不明確，需要進一步的實驗數據分析。室內溫度和室內顆粒濃度呈現極小的負相關性，相關系數標準差為0.91，表明室內溫度和室外顆粒濃度的相關性也不明確。這可能是因為室內溫度的變化受到室外環境、室內設備、人員等諸多因素的影響，因此室內溫濕度和室內顆粒濃度之間的相關性較為復雜，標準差較大。

表1 各因素與室內顆粒物濃度相關性

2.3 室內外顆粒物濃度關系

窗啟閉統計調查顯示：在秋冬季節，教室內人員傾向于在8:00～20:00 時間段開啟內門、內廊窗進行通風，其他時間段門窗全關。這種門窗啟閉方式，頻率最高，占到統計調查頻率的85.16%。選取一個具有代表性的教室，在僅開啟內門內廊窗的方式下，對室內外PM2.5 濃度進行監測。為了排除人體發塵的干擾，監測期間，教室內不留存任何人員。從圖4 的監測結果可以看出，室內PM2.5 濃度明顯低于室外濃度，室內外PM2.5 濃度變化規律呈現明顯的一致性，但是室內PM2.5 濃度峰值出現時間滯后于室外濃度峰值約1 h。

圖4 室內外PM2.5 濃度關系

I/O 值變化范圍為0.51～0.94。表明在室內無明顯污染源情況下，室外顆粒物是室內顆粒物污染的最大來源，同時門窗有一定的防護作用，濃度變化規律況明顯滯后于室外。

2.4 擦黑板對環境的影響

為了排除室外濃度干擾，在教室室內外顆粒物濃度較為穩定的時段，對擦黑板這種行為進行實驗研究。實驗結果顯示：持續檫黑板10 s 后（模仿正常檫黑板行為），實驗結果顯示PM2.5 濃度大小幾乎沒有發生變化。為了進一步的研究檫黑板對室內顆粒物濃度的貢獻，進行第二次實驗，增加了檫黑板的持續時間為180 s。從圖5 中可以看出，擦黑板前室內外PM2.5 濃度較為穩定，平均濃度為118 μg/m3，擦黑板后濃度瞬間增加到129 μg/m3，增長了12.2%，并且在此后較長時間內維持這個濃度范圍。對擦黑板前后，各粒徑范圍的顆粒物計數濃度分析發現0.5～10 μm 的顆粒物有輕微的上升，而其他粒徑范圍沒有明顯變化。綜上所述，擦黑板這種行為對室內PM2.5 質量濃度影響不大，其中0.5-10 μm 粒徑顆粒物對室內顆粒物濃度貢獻較大。

圖5 擦黑板對室內顆粒物濃度影響

2.5 掃地對環境的影響

在研究掃地這種行為對教室顆粒物濃度影響時，教室內僅有2～3 名實驗人員，在室內外濃度較為穩定時段進行實驗。實驗過程中，在室內外濃度較為穩定階段，掃地2 次，持續時間各600 s。從圖6 中可以看出，第一次掃地后室內PM2.5 濃度從平均濃度為108.1 μg/m3暴增到最高180 μg/m3，瞬間增長66.5%。第二次掃地，從從平均濃度為121.3 μg/m3暴增到最高192.3 μg/m3，瞬間增長58.5%。兩次掃地期間PM2.5濃度短時間內出現多次波峰波谷，這可能與掃地過程一直在移動位置有關。掃地后，顆粒物濃度維持在125.1 μg/m3這樣一個較高的濃度范圍。對粒徑進行分析發現，小于0.5 μm 粒徑的顆粒物計數濃度數量級雖然較大（104個/cm3），但是掃地前后，計數濃度波動很小。2 次掃地前后0.7～5.0 μm 粒徑顆粒物計數濃度有較大變化，5.0～10 μm 粒徑有小幅變化，其他粒徑范圍沒有明顯變化。綜上所述，掃地這種行為，能在短時間內增大室內PM2.5 濃度，并且在較長時間段內維持較高的污染水平。掃地這種行為對0.7～5.0 μm 粒徑顆粒物污染貢獻較大。

圖6 掃地對室內顆粒物PM2.5 濃度影響

2.6 開窗方式對PM2.5 濃度的影響

根據前期門窗調查結果，研究門窗全關、僅開廊窗、僅開內門、門窗全開四種通風方式對室內顆粒物濃度的影響。實驗期間教室內不留存任何人員。從圖7中可以看出，雖然室外濃度變化波動范圍較大（甚至室外有短時間的移動污染源干擾），在教室室內門窗處于門窗全關、僅開啟廊窗、僅開啟內門這三種方式時，教室室內濃度明顯低于室外濃度，并且維持在較為穩定的階段，波動范圍不大。當教室門窗全開后，室內濃度瞬間增大，并且此后在較短時間內室內外PM2.5 濃度變化規律趨于一致，由此可見建筑圍護結構對室內顆粒物有一定的防護作用，內門、內廊窗由于與室外有一定的隔絕，對室內顆粒物濃度影響不大，而外窗作為顆粒物進入室內的重要通道，其啟閉狀態對室內顆粒物影響巨大。

圖7 門窗開啟方式對室內PM2.5 濃度影響

2.7 模擬顆粒物濃度分布

根據門窗統計調查和實驗分析結果，采用CFD 軟件，選擇教室門窗啟閉頻率最高的方式（僅開內門和廊窗），在室外顆粒物污染嚴重的時段（室外風速0.5 m/s，PM2.5 濃度125.3 μg/m3），模擬顆粒物通過外窗縫隙滲透進入室內的分布情形。圖8 模擬結果顯示，室內顆粒物濃度分布差異較大，從外窗到內門、廊窗處，濃度呈明顯的階梯衰減，離外窗1.2 m 范圍內PM2.5 濃度最高（平均濃度103.1 mg）。在高度方向PM2.5 濃度分布差異較小，各高度處PM2.5 平均濃度I/O 值在0.83～0.45 范圍波動。內門附近PM2.5 的濃度最低。人體呼吸高度處（1.3 m）靠近走廊側的空氣相對清潔。

圖8 PM2.5 室內濃度分布

3 結論

本文采用調查、實驗監測、CFD 模擬等方式對教室室內外的顆粒物濃度及分布進行研究。研究的結果表明：

1）室內顆粒物濃度與室外溫度呈現一定的正相關性，與室外濕度呈現一定的負相關性。

2）在門窗全關狀態下，室內無明顯污染源時，室內外PM2.5 濃度變化規律具有明顯的一致性。

3）擦黑板和掃地這兩種行為產生的主要顆粒物粒徑不同，掃地能在短時間內加劇顆粒物濃度濃度，并在此后較長時間內維持較高的污染水平，而擦黑板對顆粒物濃度貢獻較為輕微。

4）PM2.5 濃度在室內分布有較大差異，呈現階梯性衰減，各高度處PM2.5 平均濃度I/O 值在0.83～0.45范圍波動。