辦公建筑中空調形式對室內外PM2.5濃度相關性的影響

鄭潔++張雨++姚大軍++黃育華

摘要：

室外PM2.5可通過新風及圍護結構縫隙滲透至室內，室外PM2.5較高時尤為明顯，結果導致室內空氣中的PM2.5濃度上升。為了研究空調形式對室內外PM2.5濃度相關性的影響，在2015年夏季對重慶某辦公建筑中采用不同空調形式的室內外PM2.5濃度進行了實測。實測結果發(fā)現(xiàn)：集中式空調、分體式空調和非空調房間室內外PM2.5濃度比變化范圍分別為0.59～0.76、047～0.76、0.71～0.91。室內外PM2.5濃度相關性系數(shù)的排序為：集中式空調環(huán)境（0.94）>非空調環(huán)境（0.92）>分體式空調環(huán)境（0.77），研究結果表明，辦公建筑的空調形式，對室內外PM2.5濃度的相關性有影響。

關鍵詞：PM2.5；空調形式； 線性擬合； 相關性系數(shù)；辦公建筑

Abstract：

Outdoor PM2.5 could penetrate through fresh air and the wall gap into the room especially when outdoor PM2.5 is particularly high， which lead to the rapid rise in the indoor PM2.5 concentration. To determine the influence of the air conditioning system form on the indoor and outdoor PM2.5 concentration， the PM2.5 concentration in the room with different air conditioning forms is measured in the summer of 2015， which is in an office building in Chongqing . The measured results show that： the range of the indoor and outdoor PM2.5 concentration ratio is 0.59～0.76，0.47～0.76，and 0.71～0.91， respectively when the air conditioning system is . The relationship of indoor and outdoor PM2.5 concentration correlation coefficient is centralized air conditioning environment（0.94） >non air conditioning environment （0.92） > decentralized air conditioning environment （0.77）.The results show that air conditioning form in office building has the effect of on indoor PM2.5 concentration.

Keywords：

fine particle matter （PM2.5）；air conditioning form； linear fitting； correlation coefficient； office building

人們平均每天約有21個小時在室內度過 [1]。對上班族而言，辦公室是除了住宅以外停留時間最長的場所，因此，為了保證室內人員的健康，有必要對辦公建筑室內空氣污染物進行研究。室內空氣中污染物主要有PM2.5、甲醛、苯、TVOCs等[2]，其中，對人體傷害最大的是PM2.5顆粒物[3]，不同于其他污染物，室內PM2.5主要源自室外，并受室內外眾多因素的影響[4，5]。目前，學者們針對室內外PM2.5濃度的關系進行了大量的研究，但絕大部分集中于自然通風或者窗戶關閉狀態(tài)下建筑室內外PM2.5濃度的數(shù)值關系[69]。其中，Nakorn 等[10]和VS等[11]對自然通風條件下室內外PM2.5濃度進行實測，得到室內外PM2.5濃度有相同的時變規(guī)律；趙力等[12]以自然通風下的辦公建筑為例，分別對冬、夏季室內外的PM2.5質量濃度進行了實測，發(fā)現(xiàn)冬季室內外PM2.5濃度和I/O比值均高于夏季；樊越勝等[13]根據(jù)所建立的質量平衡方程對西安市某辦公建筑室內PM2.5濃度進行了理論分析，并結合實測探討了室內外PM2.5濃度變化特征。上述研究主要在自然通風條件展開，非自然通風條件下的研究主要涉及到窗式空調、頂板毛細管輻射末端+獨立新風空調系統(tǒng)、新風機等[1416]，但目前仍缺乏關于空調形式對室內外PM2.5濃度相關性影響的研究。

本文針對重慶地區(qū)常年高濕度的氣候條件，實測了某辦公建筑內的3間辦公室室內外PM2.5濃度，其中3間辦公室分別采用了集中式、分體式和自然通風3種空調形式，探討了不同空調形式對其相關性的影響。

1材料與方法

1.1實驗方案

1.1.1采樣時間和地點選擇重慶市沙坪壩區(qū)的某5層辦公樓為研究對象，于2015年7—8月對位于第2層采用不同空調形式的3間辦公室室內外PM2.5濃度進行了30 d的監(jiān)測。被測房間平面布置如圖1，面積均為30 m2（4 200 mm×7 200 mm），室內人數(shù)和物品布置基本相同。A辦公室的頂板上均勻布置兩個送風口（200 mm×200 mm），氣流組織形式為上送下回，送風速度為1.35 m/s，送風量為400 m3/h，其中新風量為60 m3/h，新風經(jīng)過G4級粗效過濾之后送入室內；B辦公室中有一臺分體熱泵型落地式房間空調器，循環(huán)風量為400 m3/h，房間內未設置有專門的新風和排風裝置；C辦公室在測試期間空調不開啟，門關閉但窗戶開啟。測試時，A、B辦公室室內溫度控制在26 ℃左右。

1.1.2測試儀器和方法采用HY1000B智能大流量TSP采樣器和HY1000型PM2.5切割器對室內外PM2.5濃度進行檢測，其主要技術參數(shù)見表1。

按照《室內空氣質量標準》（GB/T 18883—2002）相關規(guī)定布置測點，室內外測點均離地面1.5 m，具體見圖2。選擇在無雨、無持續(xù)風向的天氣進行測試，采樣時段為第一天的15：00至次日的11：00（共計20 h），通過現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，在12：00—2：00時間段，人員流動和食物散發(fā)味道會影響測試結果，因而采樣避開了該時段。最后，對采樣前后的濾膜進行稱重，得到PM2.5日均濃度值。

1.2數(shù)據(jù)處理

相關分析用于定量判斷不同因素間關系的密切程度，其中，Pearson相關是顆粒物研究領域常用的一種較為簡單的方法，樣本的Pearson相關系數(shù)R定義式為

2結果與分析

2.1室內外PM2.5日均濃度分析

圖3為集中式空調辦公室A、分體式空調辦公室B、非空調辦公室C和室外環(huán)境的PM2.5日均濃度變化方差圖。PM2.5日均濃度變化范圍依次為55.3～109.4、55.9～98.3、79.2～126.6、92.3～159.3 μg/m3，平均值±標準偏差分別為（86.3 ±14.4）、（74.0 ±14.2）、（100.8±15.6）、（125.3±19.9） μg/m3。顯然，無論室內采用何種空調系統(tǒng)，室外PM2.5日均濃度平均值遠遠高于室內。

不同空調形式下室內外PM2.5日均濃度差和I/O比變化情況分別如圖4和5所示，由圖4知，A、B、C辦公室的室內外PM2.5日均濃度差存在顯著差異，其平均值分別為38.7、51.3、24.6 μg/m3，最大值分別為52.5、79.6、40.6 μg/m3。從圖5可知，集中式空調辦公室A的室內外PM2.5的I/O比在0.59～0.76之間（平均值為0.69），分體式空調辦公室B室內外PM2.5的I/O比在0.47～0.76之間（平均值為0.59），非空調辦公室C室內外PM2.5的I/O比在0.71～091之間（平均值為0.81）。

從上述的數(shù)據(jù)分析中可得，室內采用不同的空調系統(tǒng)形式會造成室內外PM2.5日均濃度差和I/O比的差異，其中，非空調辦公室的室內外PM2.5日均濃度差和I/O比最大，集中空調辦公室次之，分體式空調辦公室最小。非空調狀態(tài)下，窗戶開啟室內外空氣交換較多，室內顆粒物的主要來源是室外環(huán)境中的PM2.5，并隨濃度變化而變化；集中式空調系統(tǒng)在運行時，引入的室外新風經(jīng)粗效過濾，空氣中的細顆粒物并未得到有效的濾除，因此，室內外PM2.5濃度差較小，I/O比較大；分體式空調運行時，室內空氣不斷地循環(huán)，室外空氣只能通過門窗等圍護結構的滲透作用進入室內，從而使室內外PM2.5日均濃度差值變化范圍較寬，I/O比的波動也較大。

2.2室內外PM2.5日均濃度相關性分析

在確定了空調形式對室內外PM2.5日均濃度會產(chǎn)生影響的基礎上，根據(jù)實測的數(shù)據(jù)分別得到集中式空調、分體式空調和非空調環(huán)境下室內外PM2.5日均濃度相關系數(shù)，并利用origin數(shù)據(jù)處理軟件對不同空調形式下辦公室室內外PM2.5日均濃度進行了線性擬合，所得結果見圖6。

由圖6（a）可知，整個測試期間，集中式空調辦公室的室內外PM2.5日均濃度間的相關系數(shù)為ρ1=0.94（ρ>0.8）表明兩者間存在較好的線性關系；對室內外PM2.5日均濃度進行線性擬合，其線性擬合度R2=0.89，擬合方程為y=0.68x+0845 8，表明在室內無明顯室內污染源的情況下，集中空調辦公室的室內PM2.5顆粒物主要來源于室外環(huán)境。

分體式空調環(huán)境下的室內外PM2.5日均濃度相關系數(shù)ρ2=0.77（0.8>ρ>0.3），表明二者間具有線性關系。圖6（b）為分體式空調環(huán)境下辦公室室內外PM2.5日均濃度的擬合曲線，擬合方程式y(tǒng)=0.55x+5.044，線性擬合度R2=0.59。分體式空調系統(tǒng)在一定程度上將室內外環(huán)境分隔成了兩個相對獨立的環(huán)境，室外空氣只能經(jīng)過圍護結構的滲透作用進入室內，但室內的PM2.5顆粒物濃度仍受到室外PM2.5濃度的影響。

非空調下的辦公室室內外PM2.5日均濃度相關系數(shù)ρ3=0.92（ρ>0.8），表明該狀態(tài)下的室內外PM2.5濃度存在較強的線性相關關系，線性擬合曲線如圖6（c）所示，擬合得到曲線方程y=0.72x+10709，線性擬合度R2=0.84。對于非空調辦公室，室內外換氣量大，室外環(huán)境中的PM2.5顆粒物成為了室內PM2.5的主要來源，與集中式空調環(huán)境不同之處在于，室內外PM2.5濃度的交換過程同時還受到室外環(huán)境中的溫度、濕度、風速等因素的影響[4]，因此，室內外PM2.5濃度的相關系數(shù)集中空調環(huán)境下的ρ1略大于非空調環(huán)境下的ρ3。

3結論

1）測試期間，辦公室A、B、C和室外PM2.5日均濃度的變化范圍分別為55.3～109.4、55.9～983、79.2～126.6、92.3～159.3 μg/m3，平均值±標準偏差分別為（86.3±14.4）、（74.0±14.2）、（100.8±15.6）、（125.3±19.9） μg/m3；室內外PM2.5的I/O比分別處在0.59～0.76（平均值為0.69）、0.47～0.76（平均值為0.59）和0.71～0.91（平均值為0.81）間。

2）針對文中采用特定氣流組織形式的集中式空調、分體式空調和非空調環(huán)境下的辦公室，室內外PM2.5日均濃度相關系數(shù)分別為0.94、0.77和092，表明無論采用何種空調形式，室內外PM2.5日均濃度均存在顯著的相關性。其中，集中式空調環(huán)境下相關性最顯著，非空調的自然通風狀態(tài)次之，采用分體式空調線性關系最弱。

3）在既定的室內氣流組織形式下，房間所采用的空調形式會影響室內外空氣的交換，對應的室內外PM2.5日均濃度相關性也不同，而不論采用何種空調形式，室內外PM2.5濃度之間均存在不同程度的相關關系。

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