室內(nèi)人體行走引起顆粒物再懸浮的試驗研究

蔡寧寧, 王寶慶*, 胡新鑫， 唐真真， 姜 卓， 楊家豪， 李坤鍵

1.南開大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300350 2.南開大學(xué)經(jīng)濟(jì)學(xué)院, 天津 300071

人們一天內(nèi)有90%的時間在室內(nèi)停留，顆粒物作為主要的室內(nèi)污染物與人類身體健康密切相關(guān)，如果人類長期暴露于顆粒物污染環(huán)境中，其患心血管疾病、癌癥、肺癌、哮喘、呼吸道感染、心臟衰竭等疾病的機(jī)率會大大增加[1]；同時，空氣中的顆粒物還容易吸附細(xì)菌與病毒，被人體吸入后可能會導(dǎo)致人體感染[2]. 室內(nèi)顆粒物的污染源包括室外污染源和室內(nèi)污染源兩種. 室內(nèi)污染源既包括由于辦公活動中打印、復(fù)印、烹飪、吸煙、家電設(shè)備運(yùn)行等操作產(chǎn)生的一次顆粒物源，也包括由于人員走動、清潔、打鬧等活動導(dǎo)致的沉降顆粒物的再懸浮，即二次顆粒物源. 室內(nèi)顆粒物的再懸浮是指原本沉積在室內(nèi)地板、墻面、家具等壁面的顆粒物在機(jī)械振動力、拖曳力、重力及粘附力等多種力的共同作用下脫離壁面并進(jìn)入主體氣流的過程[3-4]. 研究[5]表明，人體在室內(nèi)行走引起的PM2.5再懸浮是室內(nèi)顆粒物的一個重要來源，其會加大室內(nèi)顆粒物的暴露量與顆粒物污染程度.

人體行走引起顆粒物再懸浮的因素包括三類：空氣動力學(xué)干擾、靜電效應(yīng)、機(jī)械干擾. 空氣動力學(xué)干擾是指人體行走時在腳部附近區(qū)域產(chǎn)生的氣流足以分離和輸送沉積顆粒；靜電效應(yīng)是指當(dāng)鞋底接觸地面時，通過持續(xù)的電荷分離在地面積聚電荷，然后在行走過程中與地板分離，產(chǎn)生靜電場；機(jī)械干擾是指人在行走過程中人腳向地面施加動態(tài)變化的力，該力的法向分量產(chǎn)生低頻(通常低于500 Hz)振動，切向分量(由水平摩擦引起)產(chǎn)生頻率在10～15 kHz范圍內(nèi)的振動. 國內(nèi)外針對室內(nèi)顆粒物的再懸浮研究已經(jīng)取得了一些成果，研究表明，人體行走引起的顆粒物再懸浮因素包括粒子表面性質(zhì)[6]、環(huán)境條件[7]和行走強(qiáng)度[8-11].

Luoma等[12]通過無煙房內(nèi)人體行走引起的顆粒物再懸浮研究發(fā)現(xiàn)，在無煙房內(nèi)走動是引起24%～55%粒徑為1～25 μm的顆粒物濃度變化的主要原因. Brain等[13]通過研究教室內(nèi)活動對不同粒徑顆粒物的影響發(fā)現(xiàn)，教室內(nèi)人類的活動會導(dǎo)致顆粒物的再懸浮，尤其是對PM2.5及PM10的影響較大. Benabed等[14]發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)人員走動情況下光滑和粗糙油布面下的顆粒物再懸浮率范圍分別為(0.050±0.005)～(0.50±0.05)和(0.070±0.005)～(0.60±0.05)s-1，地面材料會影響顆粒物的再懸浮率，而室內(nèi)體積對顆粒物的再懸浮基本無影響. QIAN等[15]研究發(fā)現(xiàn)，在室內(nèi)體積為54.4 m3、室內(nèi)相對濕度為30%～50%、室內(nèi)溫度為23 ℃的情況下，人員走動時粒徑為2.0～5.0 μm的顆粒物的平均釋放速率為7.73 mgmin，室內(nèi)相對濕度及通風(fēng)方式對顆粒物的擴(kuò)散與再懸浮影響顯著，而地面材料對其影響較小. TIAN等[16]研究了人員在室內(nèi)行走時，不同地板材料(硬木、乙烯基、高密度剪絨地毯、低密度剪絨地毯)、不同相對濕度(40%、70%)、地面不同積塵負(fù)荷(2、8 gm2)對顆粒物再懸浮與擴(kuò)散的影響，結(jié)果表明地面材料對粒徑為0.4～3.0 μm顆粒物的再懸浮影響較小，而相對濕度與地面積塵負(fù)荷對其影響較顯著. Serfozo等[17]在室內(nèi)面積為18.5 m2、空氣溫度為29 ℃、相對濕度為45%的實(shí)驗室內(nèi)測得，人員在室內(nèi)行走引起的PM10的平均釋放率為1.44 mgmin. Rosati等[18]在相對濕度為20%，房間地面面積為16.34 m2的室內(nèi)以不同頻率分別行走5 min，測得人員在室內(nèi)行走引起的PM10的平均釋放率為4.08 mgmin，且人員行走頻率是影響顆粒物再懸浮的重要因素，而人員體型及行走方式對顆粒物再懸浮影響較小. Ferro等[19]在鋪有普通地板的房間內(nèi)進(jìn)行了打掃衛(wèi)生、整理衣服、走動、跳舞等一系列活動，在不同活動方式下，PM2.5的平均釋放速率為0.03～0.5 mgmin，PM5的平均釋放速率為0.1～1.4 mgmin，其中走動對顆粒物釋放速率貢獻(xiàn)較大. 綜上，室內(nèi)人員走動會增加室內(nèi)顆粒物濃度，而室內(nèi)地板含塵量、地板材料、通風(fēng)、溫度相對濕度、人員行走頻率等都會對顆粒物的再懸浮及擴(kuò)散產(chǎn)生一定影響.

教室作為人員活動密集場所，在不同時間間隔內(nèi)會有不同的地面總顆粒積塵負(fù)荷，而地面總顆粒積塵負(fù)荷的大小會影響人體行走時顆粒物的擴(kuò)散速率與室內(nèi)PM2.5濃度，因此該研究對不同時間內(nèi)實(shí)際形成的積塵來研究總顆粒物積塵負(fù)荷大小，并對室內(nèi)不同總顆粒積塵負(fù)荷下人體行走引起的PM2.5再懸浮濃度及擴(kuò)散速率進(jìn)行研究，以期為室內(nèi)PM2.5的再懸浮研究提供方法和數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)域布置

選取南開大學(xué)津南校區(qū)某公共教室作為試驗分析的對象，人員活動路徑為教室中心過道上長為5 m，寬為0.6 m的區(qū)域. 試驗過程中共設(shè)置3個采樣點(diǎn)(見圖1)，采樣點(diǎn)1的位置在人員活動中游，距離人員活動路徑0.2 m，距地面1.1 m (即一般人坐姿呼吸平面)；采樣點(diǎn)2的位置在人員活動中游，距離人員活動路徑0.2 m，距地面1.5 m (即一般人站姿呼吸平面)；采樣點(diǎn)3的位置在人員活動下游，距離人員活動路徑0.2 m，距地面1.1 m. 試驗中使用手持式PM2.5濃度測量儀(SDL301型，濟(jì)南諾方電子技術(shù)有限公司，檢測限0.1 μgm3，分辨率0.1 μgm3)測量PM2.5濃度，使用熱線式風(fēng)速計(TES1341型，臺灣泰仕TES電子工業(yè)股份有限公司)和便攜式風(fēng)向風(fēng)速儀(ZCF-5型，合肥斯派克儀器科技有限公司)測量空氣溫度、相對濕度及風(fēng)速. 3個采樣點(diǎn)的選擇基于采樣點(diǎn)所處的室內(nèi)位置以及一般人坐姿、站姿的高度. 采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)2均處人員活動中游，但采樣高度不同；采樣點(diǎn)1和采樣點(diǎn)3的采樣高度均為1.1 m，但分別處于人員活動中游和下游. 3個采樣點(diǎn)在人員行走前(空白)和行走后分別進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，行走引起的PM2.5濃度為行走后和行走前的差值.

圖1 采樣點(diǎn)布置Fig.1 The position of sampling point

1.2 試驗方法

經(jīng)調(diào)查，冬季教室內(nèi)為提高室內(nèi)溫度及人體舒適性，在有人員時空調(diào)會一直處于開啟狀態(tài). 由于不同天氣下室內(nèi)溫度變幅較大，因此為保持室內(nèi)溫度恒定及試驗環(huán)境更符合實(shí)際，該試驗在空調(diào)開啟狀態(tài)下進(jìn)行，設(shè)定溫度為24 ℃. 使用ZCF-5型便攜式風(fēng)速風(fēng)向儀測量得空調(diào)送風(fēng)口處的送風(fēng)速度為0.52 ms，空調(diào)開啟過程中所產(chǎn)生的湍流對人體行走引起的顆粒物的再懸浮量影響不大，因顆粒物與地面分離主要與地面和鞋面在走動時引起的射流特性有關(guān)[20-21]. 經(jīng)測量試驗教室內(nèi)相對濕度變幅較小，主要在21%～25%范圍內(nèi)浮動. Serfozo等[17]通過相關(guān)試驗發(fā)現(xiàn)，試驗人員體型及行走方式(直線行走或曲線行走)對試驗結(jié)果影響較小，在人員活動因素中行走頻率是影響顆粒物再懸浮的主要變量，所以該試驗忽略體型及步行方式的影響.

由于教室在不同時間間隔內(nèi)的地面積塵負(fù)荷是變化的，為了研究不同積塵負(fù)荷下室內(nèi)PM2.5濃度分布，對不同時間間隔內(nèi)地面積塵負(fù)荷進(jìn)行相關(guān)試驗，試驗使用真空吸塵器收集室內(nèi)顆粒物，使用天平及再懸浮采樣器對顆粒物進(jìn)行稱量及再懸浮試驗.

試驗中，以一人作為試驗對象，試驗對象的方式是正常步行，步行頻率為90步min，為減少試驗對象活動時產(chǎn)生隨機(jī)誤差，在試驗前需通過計時裝置進(jìn)行多次重復(fù)練習(xí)并且在試驗活動路徑上使用馬克筆進(jìn)行標(biāo)記用來輔助控制步行人員的頻率及速度等. 其具體試驗步驟如下：

a) 試驗前先將教室內(nèi)門窗緊閉，開啟空調(diào)，將各采樣點(diǎn)儀器及相關(guān)人員安置好后，試驗人員在各自位置保持靜止，待室內(nèi)PM2.5濃度及溫度、風(fēng)速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄初始狀態(tài)下各點(diǎn)PM2.5濃度，即5 s時的PM2.5濃度.

b) 在5～75 s時，試驗人員在試驗區(qū)域來回走動，每隔5 s秒記錄一次PM2.5濃度.

c) 試驗人員在試驗區(qū)域行走1 min后離開，使顆粒物自然沉降，繼續(xù)記錄各采樣點(diǎn)PM2.5濃度，直到PM2.5濃度到達(dá)穩(wěn)定.

2 結(jié)果與討論

2.1 總顆粒物積塵負(fù)荷和PM2.5積塵負(fù)荷

顆粒物再懸浮濃度多采用數(shù)量濃度表示，這是因為對于小粒徑顆粒，數(shù)量濃度更易于理解. 該研究主要測量的顆粒物為PM2.5，為了與空氣顆粒物質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的計量相統(tǒng)一，采用顆粒物質(zhì)量濃度來表示.

該研究選取累積積塵時間分別為3、7、15 d情況下教室內(nèi)的地面總顆粒積塵負(fù)荷進(jìn)行試驗，總顆粒積塵負(fù)荷指所有粒徑下的含塵量，PM2.5積塵負(fù)荷指粒徑小于或等于2.5 μm下的含塵量. 使用真空吸塵器收集室內(nèi)顆粒物，使用天平及再懸浮采樣器對顆粒物進(jìn)行稱量及懸浮. 再懸浮采樣器的捕集效率約為51.3%[22].

不同時間間隔內(nèi)的教室地面總顆粒積塵負(fù)荷不同，時間間隔分別為3、7、15 d時教室內(nèi)地面總顆粒積塵負(fù)荷分別為1.63、2.84、4.05 gm2，PM2.5積塵負(fù)荷分別為0.11、0.18、0.30 gm2. 由此可知，教室地面總顆粒積塵負(fù)荷隨時間間隔的增加而增加. Serfozo等[17-18,23]對人體行走引起的顆粒物再懸浮研究得到的地面總顆粒積塵負(fù)荷分別為1、1.2、2.0 gm2，與該研究在3、7 d時的地面顆粒積塵負(fù)荷相近，但Serfozo等[17-18,23]研究中采用人為設(shè)置形成的積塵來研究地面總顆粒積塵負(fù)荷，而筆者采用不同時間間隔實(shí)際形成的積塵來研究地面總顆粒積塵負(fù)荷大小.

2.2 PM2.5再懸浮濃度特征

不同總顆粒積塵負(fù)荷下，一人在室內(nèi)中心過道處行走時引起的PM2.5再懸浮濃度隨時間的變化如圖2所示. 圖2(d)為室內(nèi)累積積塵15 d時人體行走前(空白)和行走后室內(nèi)PM2.5濃度，由圖2(d)人體行走后和行走前(空白)室內(nèi)PM2.5濃度的差值可得圖2(c)所示結(jié)果，3和7 d的對照試驗數(shù)據(jù)不再一一列出. 由圖2可見：5～65 s時，由于試驗人員在試驗區(qū)域的走動，各采樣點(diǎn)PM2.5再懸浮濃度呈振蕩上升的趨勢，人員停止走動后，由于顆粒物的沉降作用使PM2.5再懸浮濃度出現(xiàn)不同程度的衰減；100 s后，不同地面總顆粒積塵負(fù)荷下3個采樣點(diǎn)的PM2.5濃度均開始趨于穩(wěn)定，并且穩(wěn)定后均高于未行走時的初始PM2.5濃度.

注： 圖(d)中的縱坐標(biāo)包括行走前(空白)和行走后的室內(nèi)PM2.5濃度，所以縱坐標(biāo)用室內(nèi)PM2.5濃度來表示.圖2 不同地面積塵負(fù)荷下人體行走引起的PM2.5濃度變化Fig.2 The concentration of the human walking-induced indoor PM2.5 resuspension for different dust loads

由圖2還可見，隨著室內(nèi)地面總顆粒積塵負(fù)荷的增加，人體行走引起的各采樣點(diǎn)PM2.5再懸浮濃度也會增加. 在室內(nèi)累積積塵15 d時，即室內(nèi)PM2.5積塵負(fù)荷為0.30 gm2時，各采樣點(diǎn)PM2.5再懸浮濃度最大，采樣點(diǎn)1、2、3的PM2.5再懸浮濃度平均值分別為3.03、2.68、2.37 μgm3；在室內(nèi)累積積塵7 d時，即室內(nèi)PM2.5積塵負(fù)荷為0.18 gm2時，采樣點(diǎn)1、2、3的PM2.5再懸浮濃度平均值分別為1.93、1.64、1.38 μgm3；在室內(nèi)累積積塵3 d時，即室內(nèi)PM2.5積塵負(fù)荷為0.11 gm2時，各采樣點(diǎn)的PM2.5再懸浮濃度較小，采樣點(diǎn)1、2、3的PM2.5再懸浮濃度平均值分別為1.30、1.25、1.17 μgm3. 活動路徑中游人體坐姿呼吸平面(采樣點(diǎn)1)與站姿呼吸平面(采樣點(diǎn)2)相比，坐姿呼吸平面處PM2.5再懸浮濃度相對較大，即人體行走時PM2.5再懸浮濃度隨高度的增加而減??；同時，活動路徑下游處坐姿呼吸平面(采樣點(diǎn)3)的PM2.5再懸浮濃度小于活動路徑中游處坐姿呼吸平面的PM2.5再懸浮濃度. 綜上，在同樣狀態(tài)下，人員行走引起的PM2.5再懸浮濃度比沒有人為擾動時的空氣PM2.5再懸浮濃度明顯增加. 與采樣點(diǎn)1相比，采樣點(diǎn)2的PM2.5再懸浮濃度較大，原因是顆粒物由于人體行走過程中從地面開始懸浮，因顆粒物沉降以及桌椅和衣服等的吸附作用，PM2.5再懸浮濃度隨高度的增加而減小. 與采樣點(diǎn)1相比，采樣點(diǎn)3的PM2.5再懸浮濃度較大，原因是采樣點(diǎn)3更接近墻面，顆粒物被吸附在墻面上，由于擾動使得PM2.5再懸浮濃度增加.

該研究表明，在地面不同總顆粒積塵負(fù)荷下，一人在室內(nèi)中心過道處行走時引起的PM2.5再懸浮濃度約1 min后達(dá)到最高值，PM2.5再懸浮濃度達(dá)到最高值的時間與地面不同總顆粒積塵負(fù)荷的大小關(guān)系不明顯. 已有研究表明，室內(nèi)人員活動(如行走)所引起的顆粒物再懸浮粒徑范圍集中在0.4～10 μm[24-27]，行走速度減小時，降低了沉降顆粒表面的氣流速度，從而減小再懸浮率[16]. 而Serfozo等[17]發(fā)現(xiàn)，不同行走路徑對顆粒再懸浮引起的顆粒物濃度沒有影響，同時指出人員活動因素中行走速度是顆粒再懸浮的主要影響變量.

2.3 人體行走引起PM2.5再懸浮的量化分析

室內(nèi)顆粒物的來源主要包括一次顆粒物源和二次顆粒物源，不同顆粒物源有不同的擴(kuò)散特性，即顆粒物成分、散發(fā)速率等均有所不同. 由人員走動產(chǎn)生的PM2.5再懸浮擴(kuò)散速率主要與人員活動頻率、地面材質(zhì)、地面含塵量等相關(guān)[19]. 為研究人體行走產(chǎn)生的PM2.5再懸浮擴(kuò)散速率，采用Edvard等[28]提出的顆粒物再懸浮分?jǐn)?shù)，顆粒物再懸浮分?jǐn)?shù)為一次行走周期(一步)內(nèi)，顆粒物在接觸面(一只鞋的鞋底面積)上所產(chǎn)生的再懸浮量與該接觸面上顆粒含塵量的比值[29].

人體行走產(chǎn)生的PM2.5再懸浮擴(kuò)散速率計算公式：

Sj=raj×A×Lj×f

(1)

式中：Sj為粒徑為j的顆粒物的再懸浮擴(kuò)散速率，μgs；raj為粒徑為j的顆粒物的再懸浮分?jǐn)?shù)；a為換氣次數(shù)，h-1；A為走一步的鞋底接觸面積，m2步，該試驗取0.021 m2；Lj為粒徑為j的顆粒物的積塵負(fù)荷，gm2；f為人員行走頻率，步h，該試驗取90步min.

通常顆粒物再懸浮分?jǐn)?shù)無法通過試驗直接測量，而是通過顆粒物傳輸模型的間接推導(dǎo)計算得到[15]：

(2)

(3)

式中：V為室內(nèi)空間體積，m3；Lj(t)表示粒徑為j的顆粒物在t時間的積塵負(fù)荷，gm2；Cj為室內(nèi)粒徑為j的顆粒物濃度，μgm3；kj為粒徑為j的顆粒物的顆粒沉降率，h-1；Δt是時間間隔，該研究取2 s；a+kj為衰減速率，即為粒子濃度沿時間軸回歸曲線的斜率. 該研究分別選取累積積塵時間為3、7、15 d的地面積塵負(fù)荷來估算顆粒物再懸浮分?jǐn)?shù)的大小，結(jié)果顯示地面顆粒物積塵負(fù)荷對PM2.5再懸浮分?jǐn)?shù)(raj)的影響較小，與Rosati等[18]的研究結(jié)果一致，筆者研究中PM2.5的再懸浮分?jǐn)?shù)大小為2.2×10-8; 同時Serfozo等[17]研究結(jié)果也表明，較大單位面積含塵量將增加室內(nèi)PM10的濃度，但對顆粒再懸浮率的影響不大.

在地面PM2.5積塵負(fù)荷分別為0.11、0.18、0.30 gm2時，步行頻率為90步min的一人在試驗區(qū)域行走引起的PM2.5再懸浮擴(kuò)散速率分別為7.62×10-11、1.25×10-10、2.08×10-10kgs. QIAN等[23]在室內(nèi)相對濕度為40%、總積塵負(fù)荷為2.0 gm2的環(huán)境下，使用機(jī)械腳代替人體在試驗區(qū)域內(nèi)行走，測得由人體行走引起的粒徑為1～3 μm的顆粒物的平均釋放速率為1.6×10-10kgs，與筆者研究結(jié)果基本一致. 室內(nèi)人員活動引起的顆粒物再懸浮的粒徑范圍主要集中在0.4～10 μm，在該粒徑范圍內(nèi)隨粒徑的增加顆粒物的釋放速率也相應(yīng)增加，如粒徑為0.5～1、3～5、5～10 μm的顆粒物的平均釋放速率分別為4.3×10-11、7.5×10-10、1.6×10-9kgs[29].

該研究主要對室內(nèi)人體行走引起顆粒物再懸浮進(jìn)行試驗研究，而不同行走速度、不同鞋底類型對顆粒再懸浮的影響等仍需深入研究. 顆粒再懸浮是分離力和粘附力共同作用的結(jié)果[30-32]. 因此建立并完善顆粒物再懸浮機(jī)理模型將有助于分析和預(yù)測顆粒物的再懸浮量，評價室內(nèi)顆粒物污染的人群暴露是進(jìn)一步研究的方向.

3 結(jié)論

a) 不同時間間隔內(nèi)的室內(nèi)地面總顆粒積塵負(fù)荷不同，時間間隔分別為3、7、15 d時地面總顆粒積塵負(fù)荷和PM2.5積塵負(fù)荷隨時間間隔的增加而增加.

b) 在地面不同總顆粒積塵負(fù)荷下，室內(nèi)中心過道處行走時引起的PM2.5再懸浮濃度約1 min后達(dá)到最高值，PM2.5再懸浮濃度達(dá)到最高值的時間與地面不同總顆粒積塵負(fù)荷的大小關(guān)系不明顯. 隨著室內(nèi)積塵負(fù)荷的增加，人體行走引起的PM2.5再懸浮濃度也會增加.

c) 地面不同總顆粒積塵負(fù)荷的大小與PM2.5再懸浮分?jǐn)?shù)無關(guān)，PM2.5的再懸浮分?jǐn)?shù)為2.2×10-8. 當(dāng)室內(nèi)PM2.5積塵負(fù)荷增加時，行走引起的再懸浮PM2.5擴(kuò)散速率也會增加.

d) 室內(nèi)人體行走是引起顆粒物再懸浮的重要因素，在地面不同總顆粒積塵負(fù)荷下，研究室內(nèi)人體行走引起的PM2.5再懸浮濃度及對其進(jìn)行量化分析，對室內(nèi)空氣顆粒物污染評估有重要意義，同時可為人群暴露研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).