室內(nèi)細顆粒物防控研究進展綜述

朱 春 [上海市建筑科學(xué)研究院(集團)有限公司 環(huán)境技術(shù)研究中心，上海 201108]

室內(nèi)細顆粒物防控研究進展綜述

Technology Transformation on Control Link of Imported Metro Shield

朱 春 [上海市建筑科學(xué)研究院(集團)有限公司 環(huán)境技術(shù)研究中心，上海 201108]

必須采取對室內(nèi)顆粒物的防控措施。綜述了近年來國內(nèi)外有關(guān)室內(nèi)細顆粒物污染方向研究文獻，重點討論了我國目前室內(nèi)顆粒物污染水平、室內(nèi)顆粒物污染特征以及室內(nèi)顆粒物防控技術(shù)及其效果。最后指出室內(nèi)細顆粒物污染防控在設(shè)計、施工、運營階段的必要性和實際意義。

室內(nèi)細顆粒物；污染特征；粒徑分布；防控；健康風(fēng)險

以細顆粒物 (PM2.5) 為代表的大氣灰霾污染是我國當(dāng)前環(huán)境空氣質(zhì)量和影響人民身體健康的最突出環(huán)境問題。根據(jù)國家環(huán)保部發(fā)布數(shù)據(jù)，2013 年我國 74 個重點城市與區(qū)域環(huán)境監(jiān)測，PM2.5 年均濃度為 72μg/m3，僅 3 個城市達標(biāo)，達標(biāo)城市比例為 4.1%，全監(jiān)測區(qū)域 PM2.5 年均濃度為我國 GB 3095—2012《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》PM2.5 年均濃度二級限值的 2.06 倍，可見在區(qū)域廣度和嚴(yán)重程度上，我國大氣灰霾污染形勢均非常嚴(yán)峻。近年來，我國東北、華北地區(qū)進入冬季灰霾污染現(xiàn)象尤為嚴(yán)重，2015 年 11 月哈爾濱市 PM2.5 小時峰值濃度接近 1 000 μg/m3，長春、沈陽等城市 PM2.5 小時峰值濃度甚至超過 1 000 μg/m3的極端峰值。京津冀及周邊地區(qū)連續(xù)發(fā)生 3 次大范圍重污染天氣，東北地區(qū)多個城市也出現(xiàn)了極端重污染天氣過程。最近的 2016、2017 跨年時段，北京空氣持續(xù)重污染天氣總時長超過 200 h，大范圍的嚴(yán)重灰霾污染由京津冀地區(qū)逐漸向南擴散蔓延至長三角及以南地區(qū)。環(huán)境空氣細顆粒物污染的頻數(shù)和強度都明顯加劇，表明大氣細顆粒物污染的霧霾現(xiàn)象在我國多數(shù)城市區(qū)域范圍內(nèi)難以在短期改觀。由于事關(guān)人民群眾根本利益，2013 年 9 月我國頒布了《大氣污染防治行動計劃》(國發(fā) [2013]37 號)，灰霾防控成為我國現(xiàn)階段及較長時間內(nèi)的一項重要戰(zhàn)略任務(wù)。

現(xiàn)代流行病學(xué)研究表明，細微顆粒物(特別是超細顆粒物)比氣體污染物對人體健康影響更顯著[1]。Nel 等[2]從毒理學(xué)角度發(fā)現(xiàn)細微顆粒物可進入肺部深層進行系統(tǒng)循環(huán)，并估計顆粒物致每年 50 萬人死亡。Dockery 等[3]通過對哈佛六城市的 PM2.5 和 PM10 測試和死亡率的統(tǒng)計，最早發(fā)現(xiàn) PM2.5 與死亡率呈正相關(guān)關(guān)系，而 PM10 卻沒有顯著相關(guān)性。該研究直接導(dǎo)致美國大氣環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)修訂加入 PM2.5 指標(biāo)。我國學(xué)者也發(fā)現(xiàn)了細顆粒物與居民健康的密切關(guān)聯(lián)性[4]。隨著對細顆粒物健康效應(yīng)研究的積累，世界衛(wèi)生組織 (WHO) 下屬的國際癌癥研究機構(gòu) (IARC) 已于2013 年宣布以 PM2.5 為典型的環(huán)境空氣污染為一類致癌物。這表明長期暴露于高濃度的細微顆粒物環(huán)境對人體健康有長期的侵害效應(yīng)。

居住建筑是人們?nèi)粘Ｆ鹁由畹谋匦鑸鏊?，人員在室內(nèi)停留時間長，特別對病、幼、弱人群在室內(nèi)停留時間則會更長。當(dāng)前，我國現(xiàn)行的 GB/T 18883—2002 《空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了可吸入顆粒物 PM10 的日均濃度限值 150μg/m3，至今沒有更新列入更具有危害性的細顆粒物 PM2.5 指標(biāo)和濃度限值。由于對室內(nèi)空氣質(zhì)量研究的滯后性，當(dāng)前我國絕大部分民用建筑，尤其是住宅建筑基本沒有顆粒物防控設(shè)計措施。室外灰霾進入室內(nèi)的細顆粒物長期暴露對人群有巨大的健康風(fēng)險，室內(nèi)空氣質(zhì)量對人體健康影響比室外空氣更重要[5]。長久以來，室內(nèi)空氣質(zhì)量方面學(xué)者主要致力于研究有效的通風(fēng)方式，直接引入室外空氣作為新風(fēng)來稀釋室內(nèi)空氣污染物[6-7]。然而在灰霾天氣下，將室外空氣直接視為“新風(fēng)”已不能成立，相反室外細顆粒物可通過建筑圍護結(jié)構(gòu)滲透、機械通風(fēng)系統(tǒng)、自然通風(fēng)以及人員進出等進入室內(nèi)，成為新的污染源。建筑細顆粒物防控，需要同時解決室外灰霾源、室內(nèi)發(fā)生源(包括吸煙煙霧、餐飲油煙等)的混合污染，其控制模式區(qū)別于傳統(tǒng)利用室外新風(fēng)稀釋建筑材料、裝飾材料散發(fā)化學(xué)性污染氣體模式，是我國室內(nèi)空氣質(zhì)量控制方面新的重要課題之一[8]。

1 室內(nèi)顆粒物污染水平

居住類建筑室內(nèi)顆粒物污染問題最早始于室內(nèi)發(fā)生源，主要包括煙草、炊事等燃燒型氣溶膠顆粒、粉塵飛灰類礦物型顆粒、花粉皮屑等生物型顆粒[9]，此外有病毒飛沫類氣溶膠顆粒[10]。隨著顆粒物測量儀器的發(fā)展進步，更多國內(nèi)學(xué)者在 2000 年以后開始測試建筑內(nèi) PM2.5 及更小尺度的細微/超細顆粒物。

對室內(nèi)顆粒物污染水平，徐東群等[11]2000 年測試了北京三城區(qū)冬季住宅室內(nèi)顆粒物，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)總平均濃度 PM10為 555 μg/m3，PM2.5 為 512 μg/m3，顆粒物在各區(qū)臥室和廚房中的濃度分布均超過國家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)倍。該測試結(jié)果有悖實際經(jīng)驗，可能是因為早先使用 TSI-Dustrak 儀器未設(shè)置校對系數(shù)所致。盡管如此，研究結(jié)論對室內(nèi)顆粒物污染已引起了廣泛關(guān)注，并且直接說明室內(nèi)顆粒物污染主要是粒徑更小的 PM2.5 污染。修光利等[12]1999 年應(yīng)用 Anderson分級采樣器測試了上海辦公建筑內(nèi) 0.44～11μm 的 9 個粒徑段的細微顆粒物濃度，測試發(fā)現(xiàn)粒徑 Dplt;7.0μm 的顆粒物質(zhì)量濃度占 95% 以上，Dplt;1.1μm 質(zhì)量濃度占50%～70%，同樣說明細顆粒物是主要顆粒物污染成因。該測試同時發(fā)現(xiàn)除吸煙以外，室外大氣顆粒物污染是引起室內(nèi)顆粒物污染的重要來源。

室內(nèi)源顆粒物中，炊事烹飪油煙污染與我國傳統(tǒng)烹飪方式中煎、炒、烤、炸較多有關(guān)，所產(chǎn)生的油霧、刺激性氣體主要來自于食用油和食品在高溫下通過熱氧化和熱裂解反應(yīng)等途徑產(chǎn)生的大量揮發(fā)性物質(zhì)和油煙顆粒。吳芳谷等[13]測試了不同尺度的油煙顆粒物，發(fā)現(xiàn)油煙粒子主要為細顆粒物，PM10 粒子占 TSP 的 90% 以上，PM2.5 粒子占 TSP 的70% 左右。油煙顆粒中主要為 6 個碳以上的有機物，其中以醛類為主，有大量有毒有害物質(zhì)。

夏季使用蚊香也是室內(nèi)顆粒物的重要排放源。Liu等[14]通過測試發(fā)現(xiàn)燃用蚊香可引起室內(nèi) PM2.5 顆粒物污染和PAH 類揮發(fā)性有機物污染。Lee等[15]在環(huán)境艙測試了蚊香的 PM2.5、PM10 和其他氣體污染物散發(fā)水平，數(shù)據(jù)顯示PM2.5 同樣是室內(nèi)主要顆粒物源。

室內(nèi)香煙 (ETS) 也會引起細顆粒物污染。有研究發(fā)現(xiàn)吸煙煙霧可使室內(nèi)細顆粒物濃度升高 25～45 μg/m3[16]。目前國內(nèi)上海、北京等地區(qū)已開始執(zhí)行室內(nèi)全面禁煙條例，無煙建筑是未來室內(nèi)環(huán)境要求趨勢。

對于室內(nèi)顆粒物來源和特點，張穎、劉敏等[17-18]綜述討論了室外顆粒源、室內(nèi)各類燃燒源、辦公打印設(shè)備、人員活動、花粉、微生物等顆粒物的主要粒徑范圍及影響。He 和Morawska 等[19]定量研究了室內(nèi)活動發(fā)生源的數(shù)濃度、質(zhì)量濃度水平，提出由于室內(nèi)顆粒源產(chǎn)生的顆粒物和室外大氣塵在粒徑分布、化學(xué)構(gòu)成等方面都存在著很大差異，所對應(yīng)的污染控制手段也各不相同，因此有必要研究這兩部分對室內(nèi)顆粒物濃度的相對影響。

以上研究可見，室內(nèi)顆粒物污染主要是 Dp≤2.5μm的細微/超細顆粒物，室內(nèi)細顆粒物主要來源于室外顆粒物污染，在灰霾等室外嚴(yán)重污染條件下更加明顯，但室內(nèi)也同時存在烹飪油煙、蚊香等污染顆粒源應(yīng)予考慮。室內(nèi)發(fā)生源與人員活動和生活方式相關(guān)，屬于間歇性污染，因此具有較大的不確定性。

2 室內(nèi)顆粒物污染特征

建筑室內(nèi)自然密閉條件下，室外顆粒物僅能由圍護結(jié)構(gòu)滲透進入室內(nèi)。許多國外學(xué)者通過測試室內(nèi)與室外顆粒物濃度比值 (I/O) 描述室外環(huán)境對室內(nèi)的影響[20-22]。Chen等[23]對國外相關(guān)研究綜述發(fā)現(xiàn)，顆粒物 I/O 的變化幅度大，難以有確定一致的數(shù)值，并且出現(xiàn)不少 PM2.5 的 I/O 大于1的情況(即室內(nèi) PM2.5 濃度大于室外)。一種極可能的原因是國外不同地域的室外環(huán)境 PM2.5 污染很小，I/O 對室內(nèi)污染源變化非常敏感所致。從這個角度也說明，我國室內(nèi)PM2.5 污染主要來源于室外環(huán)境，尤其是現(xiàn)有國情的大氣灰霾條件下，國外對室內(nèi) PM2.5 防控模式方法并不適用。

我國學(xué)者對 I/O 的測試調(diào)查中，程鴻[24]采樣 2008 年北京秋季 PM2.5 室內(nèi)、室外平均濃度分別為 58.5 和 74.1 μg/m3，I/O (室內(nèi)與室外顆粒物質(zhì)量濃度之比)均值為0.85。亢燕銘等[25]測試 2005 年夏季住宅室內(nèi) PM2.5 的日平均范圍為 48～63 μg/m3，其 I/O 均值為 0.687。高軍等[26]測試 2012 年冬季上海某住宅 PM2.5 的 I/O 比值為0.67±0.17。朱春[27]測試了 2013 年冬季上海某新建住宅的顆粒物防控效果，測試發(fā)現(xiàn)住宅內(nèi)不同位置的功能房間的濃度水平有顯著差異，室外、客廳、主臥、次臥房間的PM2.5 平均濃度分別為 239±178、123±83、39±21、52±30 μg/m3，并且發(fā)現(xiàn)在室外嚴(yán)重灰霾條件的 I/O (如客廳：0.45±0.09)顯著小于一般室外 PM2.5 低濃度情景條件下的 I/O (如客廳：0.74±0.26)。

穿透系數(shù)實際反映建筑圍護結(jié)構(gòu)門、窗等縫隙對穿過顆粒物的過濾效應(yīng)。在室內(nèi)沒有顆粒物污染源條件下，穿透系數(shù)與 I/O 等值。Liu 和 Nazaroff 等[28-29]通過動力學(xué)理論分析了不同建筑結(jié)構(gòu)對顆粒物的濾凈效果，指出 0.1～1.0μm的顆粒穿透性能最強；Tung 等[30]發(fā)現(xiàn)對于 0.43～10μm顆粒物穿透系數(shù)為 0.69～0.86。

對于使用機械通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的建筑，灰霾顆粒物可以通過通風(fēng)管道進入房間。吳俊等[31]建立了風(fēng)管內(nèi)顆粒物沉降速度、沉降量、穿透率模型，掌握顆粒物在通風(fēng)系統(tǒng)的沉降規(guī)律。Lai 等[32]總結(jié)了室內(nèi)顆粒沉降數(shù)據(jù)和相應(yīng)的實驗條件，發(fā)現(xiàn)不同研究中實驗數(shù)據(jù)的發(fā)散性是非常明顯的，這些差異可能是由于不同的顆粒產(chǎn)生量和不完善的測量參數(shù)導(dǎo)致的。Zhao 等[33]發(fā)現(xiàn)即使在相同的顆粒源和換氣次數(shù)的情況下，顆粒平均沉降速度在不同的通風(fēng)房間也是有顯著差異的。對于住宅新風(fēng)系統(tǒng)，目前已經(jīng)普及使用空氣過濾網(wǎng)或過濾組件，管道顆粒物沉降因素一般被忽略，更關(guān)注的是室外灰霾條件下，對引入室外污染空氣的顆粒物過濾效率及其使用壽命，即過濾組件隨時間的效率衰減問題。

為解析室內(nèi)空氣過濾凈化的有效性，從機理上解決室內(nèi)顆粒物防控問題，需要研究室內(nèi)不同顆粒物來源的粒徑譜分布特征。粒徑分布譜，描述顆粒物從納米到微米級的濃度分布水平，是顆粒物最重要的微觀特征，關(guān)系到研究氣溶膠顆粒物對人體健康效應(yīng)、氣候輻射平衡的作用機理。對粒徑分布譜在不同粒徑段的積分可得到檢測環(huán)境顆粒群的數(shù)量、面積和質(zhì)量(如 PM1.0、PM2.5、PM2.5-10)等結(jié)果。一方面，從暴露吸入的角度看，顆粒物的粒徑越小，越容易沉積到呼吸器官，對人體潛在危險性更大。通過掌握顆粒物粒徑分布，可計算顆粒物的數(shù)濃度、表面積濃度、質(zhì)量濃度，可定量計算攜帶危害人體有毒物質(zhì)的總量；另一方面，粒徑譜分布對氣溶膠顆粒物在空氣中的動力學(xué)行為起著重要作用。

隨著顆粒物測量技術(shù)的發(fā)展推廣，國內(nèi)有學(xué)者開始研究室內(nèi)不同來源的顆粒物粒徑分布特征。張元勛等[34]應(yīng)用WPS粒徑譜儀對室內(nèi)顆粒物粒徑分布發(fā)現(xiàn)，超細顆粒物(納米粒徑 10～500 nm)對總粒子數(shù)濃度貢獻較大，而細顆粒物 500～1 000 nm 對總粒子質(zhì)量濃度貢獻較大，說明室內(nèi)顆粒物污染主要是以納米粒徑超細顆粒物為主。王海霞等[35]應(yīng)用 SMPS 掃描電遷移粒徑譜儀, 研究了實驗室內(nèi)外空氣及室內(nèi)蚊香燃燒產(chǎn)生的亞微米氣溶膠(14～723 nm)的粒徑分布特征及衰減情況。朱春等[36]應(yīng)用大型 IAQ 測試艙研究了3種類型蚊香的顆粒物和 VOC 類氣體污染物的散發(fā)特性，并擬合了盤式蚊香的顆粒物數(shù)濃度粒徑譜分布，得出計數(shù)中位徑 (CMD) 為 90 nm，幾何標(biāo)準(zhǔn)差 (GSD) 為1.65。朱春、Wang等[37-38]綜述研究了廚房油煙的散發(fā)特性，通過對油煙顆粒數(shù)濃度粒徑分布曲線擬合發(fā)現(xiàn)，熏肉、烤腸油煙的顆粒峰值粒徑分別為 51 nm 和 44 nm，對應(yīng)幾何標(biāo)準(zhǔn)差分別為 1.65 和 1.98。譚德生等[39]用沖擊式采樣器分別對餐飲業(yè)油煙顆粒物進行分析，得出烹飪油煙的粒徑分布大致范圍。

3 室內(nèi)顆粒物防控

室內(nèi)空氣污染控制的基本途徑是顆粒物污染源控制、通風(fēng)稀釋、末端過濾與凈化。對于大氣灰霾影響下的室內(nèi)顆粒物防控，主要考慮通風(fēng)系統(tǒng)加過濾組件、末端空氣凈化措施。

田利偉[40]嘗試建立了以物理機理為基礎(chǔ)的室內(nèi)環(huán)境顆粒物濃度預(yù)測模型，并討論了顆粒物污染控制策略。韓華、曹國慶等[41-42]對公共建筑使用集中空調(diào)系統(tǒng)的顆粒物控制進行探討。通過理論分析，研究討論舒適性空調(diào)系統(tǒng)不同通風(fēng)模式、不同新風(fēng)比下的空氣過濾器的選型方法。

室內(nèi)空氣凈化器是居住建筑、特別是既有建筑細顆粒物防控的重要手段。潔凈空氣量 (CADR) 可反映空氣凈化器去除顆粒物后，所能提供不含顆粒的完全潔凈空氣量[43]。但目前有關(guān)空氣凈化器測評方法以去除 0.3 μm 以上顆粒物的計數(shù)濃度作為參考指標(biāo)，也缺乏對不同功能房間、污染物強度、表面沉降因素下，凈化器顆粒物祛除作用的權(quán)重分析，總體缺少對實際住宅室內(nèi) PM2.5 的凈化效果評價[44-45]。另一方面，空氣凈化器的使用壽命也是重要的性能指標(biāo)，在其凈化組件顆粒物過濾飽和情況下，過濾組件的沉積顆粒物可能吹入室內(nèi)，引起室內(nèi) PM2.5 的二次污染。目前對空氣凈化器使用壽命及效果方面缺少有效研究。

住宅新風(fēng)機是提高居住建筑環(huán)境舒適的新熱點方向[46]，朱春、李文迪等[47-48]對上海市新建住宅使用新風(fēng)過濾系統(tǒng)、空氣凈化組件及其組合模式的細顆粒控制效果進行了現(xiàn)場實測比較，討論了室外灰霾條件下的有效控制模式，為空氣凈化產(chǎn)品測評標(biāo)準(zhǔn)及參數(shù)選型提供技術(shù)依據(jù)。目前的新風(fēng)機市場普遍使用 F7 過濾等級以上的濾材，有些新風(fēng)機由于機組尺寸限值，并沒有初效過濾層，可能引起高等級濾材的壽命嚴(yán)重縮短。此外，在非過渡季的室外氣候條件下，引入新風(fēng)機需要空氣換熱組件，以有效減少室內(nèi)空調(diào)負(fù)荷，有關(guān)新風(fēng)機的選型需要實際的工程設(shè)計方案。

4 結(jié) 語

我國現(xiàn)有國情的大氣灰霾條件下，室內(nèi)環(huán)境 PM2.5 污染面臨顯著的健康風(fēng)險，直接關(guān)乎人體健康效應(yīng)和人員工作效率。這類由室外帶入室內(nèi)的空氣污染模式，對傳統(tǒng)室內(nèi)污染源的防控模式并不適用。

目前我國相關(guān)科研部門正在編制相關(guān) PM2.5 和室內(nèi)化學(xué)污染物控制的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，以填補室內(nèi)空氣質(zhì)量缺乏工程設(shè)計的空白。需要進一步研究建筑不同的通風(fēng)濾凈模式下的防控效果，以及民用建筑建筑施工階段圍護結(jié)構(gòu)的氣密性防護、運營階段空氣濾凈組件使用壽命設(shè)計、室內(nèi) PM2.5 監(jiān)測預(yù)警與防護。在目前健康建筑的理念下，室內(nèi)細顆粒物防控是重要的研究方向，既有指導(dǎo)建筑圍護結(jié)構(gòu)氣密性建設(shè)、規(guī)范空氣濾凈產(chǎn)品及系統(tǒng)市場的經(jīng)濟需求，同時又有民生健康的社會服務(wù)價值。

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TU50

A

1674-814X(2017)03-0056-05

2017-02-12

朱春，現(xiàn)供職于上海市建筑科學(xué)研究院(集團)有限公司環(huán)境技術(shù)研究中心。

作者通信地址：上海市徐匯區(qū)宛平南路75號，郵編：201108。