某5A級辦公建筑室內(nèi)外PM2.5濃度分布規(guī)律研究

譚學彪

(中鐵建設集團有限公司 北京 100040)

1 引言

室內(nèi)空氣污染源主要有從室外大氣中進入室內(nèi)的PM2.5、PM10 污染物和室內(nèi)VOC 污染物。 目前新風PM2.5 污染物處理設備主要在住宅和個別超高端項目中設置，在絕大多數(shù)公共建筑中尚未普及。 大部分現(xiàn)有5A 級寫字樓、商場、公共設施和酒店等室內(nèi)空間，仍然僅設有普通新風系統(tǒng)[1-3]。 普通新風系統(tǒng)配置的中低效過濾器雖對于PM10 污染物過濾效果較好，但無法有效過濾處理對人健康危害最大的PM2.5 污染物[4]。 因此，需要對建筑物室內(nèi)外PM2.5 污染物分布情況進行監(jiān)測，找出其分布規(guī)律。 進而根據(jù)PM2.5 污染物的變化規(guī)律，有針對性地進行室內(nèi)空氣品質(zhì)的提升。

2 工程概況

進行室內(nèi)外PM2.5 污染物濃度監(jiān)測的工程為北京市某21 層5A 級辦公建筑。 該建筑為某建筑企業(yè)自用兼外租辦公樓，曾獲國家優(yōu)質(zhì)工程獎，裝修高雅，各種設備設施齊全，被評定為5A 級辦公樓，但未在辦公空間、會議室和報告廳配置新風PM2.5 污染物處理設備。

3 監(jiān)測儀器和方法

監(jiān)測對象為單位體積空氣內(nèi)PM2.5 污染顆粒的質(zhì)量，采用儀器的分辨率達到1 μg/m3。 設定為每隔5 min 自動記錄一次數(shù)據(jù)，并通過無線傳輸方式將數(shù)據(jù)上傳到云數(shù)據(jù)平臺[5-8]。 高精度激光粒子監(jiān)測儀布置在該大廈6 層一個空置房間內(nèi)，距離處于關閉狀態(tài)的可開啟外窗0.5 m，距離地面高度在人員活動高度。 每小時按等分時間間隔平均測取10 ～12 組數(shù)據(jù)。 為避免人員進出所導致的污染物遷移干擾監(jiān)測，該辦公室在監(jiān)測時段基本處于封閉狀態(tài)。 如偶爾有人員進出導致數(shù)據(jù)波動，則從監(jiān)測數(shù)據(jù)中剔除相應波動數(shù)據(jù)。

4 污染物日變化情況

圖1 是北京一典型日室外PM2.5 濃度日均變化規(guī)律，圖2 是北京一典型日室內(nèi)PM2.5 濃度日均變化規(guī)律。 從圖1 可看出，除了春季以外，其他三個季節(jié)的PM2.5 污染物濃度在一天當中均呈現(xiàn)晝低夜高分布。 峰值出現(xiàn)在24 點左右。 其中，冬季夜間的污染物濃度峰值最高，為240 μg/m3。 春季污染物濃度峰值出現(xiàn)在上午10 點左右。 污染物濃度的低谷值四季各有不同，分布為夏季早上8 點，秋季的下午16 點，冬季下午1 點，春季下午17 點。 除了100 m 以上的超高層建筑外，大部分建筑處于大氣近地面層(0 ～100 m)。 所以，監(jiān)測到室外PM2.5 濃度實際上主要為大氣近地面層的PM2.5 濃度。 太陽輻射可提高大氣近地面層內(nèi)的氣體溫度以及地面物體表面溫度，改善“逆溫現(xiàn)象”，加劇大氣污染物垂直遷移。 太陽輻射越強烈，地面溫度越高，越利于大氣污染物垂直遷移、擴散。 結合圖1 和圖2可見，各個季節(jié)中，PM2.5 污染物濃度的低谷值均出現(xiàn)在地表受到太陽照射升溫、污染物開始向大氣近地面層外豎向遷移的時段。

此外，將圖1 與圖2 結合可見，室內(nèi)PM2.5 污染物濃度與室外PM2.5 污染物濃度呈現(xiàn)正相關，與室外PM2.5 污染物濃度變化規(guī)律保持一致。 可見，室內(nèi)PM2.5 污染物的升高，導致高于健康標準濃度，主要是由室外大氣中污染物通過建筑物外窗等縫隙遷移滲透所致。

圖1 室外PM2.5 濃度日均變化規(guī)律

圖2 室內(nèi)PM2.5 濃度日均變化規(guī)律

5 污染物月變化情況

由于建筑物空調(diào)系統(tǒng)、新風系統(tǒng)運行與季節(jié)關系非常密切[9]，因此監(jiān)測PM2.5 污染物濃度月變化情況，掌握污染物濃度全年分布對指導建筑物新風系統(tǒng)的運行具有較大意義。 為了更直觀表現(xiàn)室內(nèi)外PM2.5 污染物濃度相關性，引入I/O 比值參數(shù)。 I /O 比值即為室內(nèi)PM2.5 污染物濃度與室外PM2.5 污染物濃度的比值。 I/O 比值越大，說明從室外進入室內(nèi)PM2.5 污染物越多，室內(nèi)外PM2.5 污染物濃度差異越小。 可見，I/O 比值可反映出建筑圍護結構和建筑設備系統(tǒng)阻隔室外污染物的能力。 如圖3 所示，研究中以月為單位進行了室外和室內(nèi)PM2.5 濃度值及所對應I/O 比值的1 年期連續(xù)監(jiān)測。 由圖3 可見，北京冬季(11 月至次年2 月)的室外和室內(nèi)的PM2.5 濃度值以及所對應I/O 比值在全年當中均處于高位。而夏季(5 月中旬到8 月底)的室外和室內(nèi)PM2.5濃度值處于全年低位。 究其原因，夏季太陽輻射強烈，大氣近地面層受太陽直射、散射和地面反射影響，不存在“逆溫現(xiàn)象”，大氣垂直對流距離，大氣污染物垂直遷移活動旺盛。 大氣近地面層污染物在近地面層空氣受熱后，隨空氣升騰到高空，之后再隨著大氣遷移被帶走，避免城市中汽車尾氣、熱電廠廢氣等產(chǎn)生的污染物在大氣近地面層積累聚集。而北京冬季太陽輻射強度相對較弱，大氣近地面層容易產(chǎn)生“逆溫現(xiàn)象”導致污染物在大氣近地面層積聚。 并且，北京及北京周邊地區(qū)冬季供熱需求大，冬季污染物排放量在全年也處于高位。 綜合冬季污染物增多且擴散條件差兩方面不利因素，導致了北京冬季室外和室內(nèi)的PM2.5 濃度值較高。 但是，在城市居民一般常識中，會認為設有新風系統(tǒng)的5A 級大廈室內(nèi)空氣品質(zhì)會遠好于室外或家庭環(huán)境。但根據(jù)圖3 可見，實測結果表明，全年室內(nèi)外PM2.5質(zhì)量濃度I/O 值分布在0.45 ～0.70 之間，全年均值為0.51。 換言之，使用普通新風系統(tǒng)的5A 級大廈，即使開啟新風系統(tǒng)，進入室內(nèi)的PM2.5 細顆粒污染物仍然較多，其濃度達到室外濃度的50%，距離健康建筑標準(10 μg/m3)仍有較大差距。

圖3 各月室內(nèi)外PM2.5 濃度分布及I/O 比值

6 新型新風凈化系統(tǒng)

世界衛(wèi)生組織(WHO)給出的空氣污染物濃度報告顯示，PM2.5 推薦值為小于10 μg/m3。 資料顯示，年均濃度超過35 μg/m3，人罹患嚴重疾病幾率將大大增加。 而基于以上PM2.5 質(zhì)量濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，可見在5A 級寫字樓普通新風系統(tǒng)作用下，室內(nèi)PM2.5 污染物濃度約為室外一半，但仍遠遠超過10 μg/m3健康標準。 所以，需提出適用于5A級寫字樓等民用建筑、運行成本較低的新風凈化處理方案。

基于相關研究課題，開發(fā)出一種新型新風凈化系統(tǒng)[10-12]。 該系統(tǒng)綜合采用了濕膜加濕除塵粗效過濾器、升溫中效過濾器、高壓噴霧加濕和高效過濾器等多種新型過濾器，可互為補充，可發(fā)揮各種過濾器的特點，實現(xiàn)更高送風氣流凈化效率。 為降低風機用電量、延長過濾器的使用壽命，針對每種過濾器還設有旁通管和旁通閥。

空氣凈化系統(tǒng)還設有壓差傳感器等多種傳感器和變頻送風機箱。 過濾器的初阻力和終阻力差別較大，一般風機選型按照過濾器終阻力進行，易于導致風量過大、電量浪費。 該系統(tǒng)變頻送風機箱可根據(jù)各個過濾器兩端的壓差傳感器參數(shù)控制其送風壓頭，實現(xiàn)風機節(jié)能。 同時，系統(tǒng)可基于室內(nèi)CO2傳感器、VOC 傳感器、PM2.5 傳感器的參數(shù)對旁通閥進行控制，根據(jù)室內(nèi)空氣污染物情況對新風進行按需供給。 當CO2傳感器、VOC 傳感器、PM2.5傳感器的測量值在《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》(GB/T 18883)允許范圍內(nèi)時，變頻送風機箱低頻低速、以較低的送風量運行；當各傳感器獲得的參數(shù)超過設定范圍時，送風機高速運行，增加送風量。

具體運行模式如下：當室外空氣AQI ＜50 時(AQI 為天氣預報公布的空氣質(zhì)量指數(shù)，可表征PM2.5 質(zhì)量濃度水平)，旁通升溫中效過濾器和高效過濾器，使用粗效過濾器處理室外新風，此時中效和高效過濾器處于閑置狀態(tài)，延長了使用壽命且降低了風機能耗；當室外空氣AQI ＜150 時，旁通高效過濾器，使用粗效和升溫中效過濾器處理室外新風，此時成本最高的高效過濾器仍處于閑置狀態(tài)；當室外空氣AQI≥150 時，使用粗效、中效和高效三級過濾器處理室外新風。 當室外空氣AQI 降低時，根據(jù)其降低程度逐步旁通高效過濾器、中效過濾器。 通過電動風閥切換使用不同的過濾器進行新風處理，優(yōu)化了空氣處理流程，在空氣質(zhì)量較好時避免使用更換成本高、阻力大的中高效過濾器，實現(xiàn)了新風按需凈化處理。

7 結論

為營造健康舒適的室內(nèi)環(huán)境，掌握建筑物室外和室內(nèi)的PM2.5 濃度值分布規(guī)律，根據(jù)北京市某5A 級辦公建筑室外和室內(nèi)的PM2.5 濃度值監(jiān)測結果和以上分析可得出以下結論：

(1)單位體積室外大氣內(nèi)的PM2.5 質(zhì)量與太陽輻射強度呈現(xiàn)正相關性。 在太陽輻射強度高時段，室外PM2.5 濃度值較低，太陽輻射強度低時段，室外PM2.5 濃度值較高。

(2)即使是設有新風系統(tǒng)的5A 級辦公建筑，在新風系統(tǒng)開啟的情況下，進入室內(nèi)的PM2.5 細顆粒污染物濃度仍達到室外濃度的50%，無法滿足健康建筑的標準(10 μg/m3)。

(3)目前5A 級辦公建筑缺乏有效應對PM2.5污染物手段的原因主要是因為相應空氣處理系統(tǒng)運行成本和能耗較高。 提出的新型新風凈化系統(tǒng)，可根據(jù)室內(nèi)空氣污染物情況對新風進行按需供給，有效去除PM2.5 污染物的同時減少風機能耗和高效過濾器損耗。