建筑室內(nèi)顆粒物防控方法及工程實(shí)踐

空氣污染能夠顯著影響人群死亡率和發(fā)病率。根據(jù) 2017 年全球疾病負(fù)擔(dān)研究（Global Burden of Disease Study，GBD），2017 年我國(guó)大氣 PM2.5污染造成的總死亡例數(shù)為 85 萬(wàn)例[1]。大量研究表明，PM2.5與心血管疾病、高血壓、冠心病、卒中、呼吸系統(tǒng)疾病和慢性阻塞性肺病等具有暴露-反應(yīng)關(guān)系[2-4]。

我國(guó)成年人平均室內(nèi)活動(dòng)時(shí)間占全天時(shí)間的 81%[5]。因此，通過(guò)防控技術(shù)的應(yīng)用，有效降低室內(nèi)人員健康風(fēng)險(xiǎn)暴露，對(duì)保障民眾健康，提升高品質(zhì)綠色建筑具有重要意義。國(guó)內(nèi)學(xué)者李景廣等[6]提出了 PM2.5防控計(jì)算模型公式以及關(guān)鍵邊界參數(shù)范圍。王清勤等[7]提出了不同 PM2.5污染地區(qū)的住宅室內(nèi)空氣凈化器選型表。趙力等[8]提出了建筑室內(nèi) PM2.5污染控制技術(shù)和解決方案，開(kāi)展了室內(nèi)外 PM2.5污染實(shí)測(cè)分析。曹?chē)?guó)慶等[9]提出了空氣過(guò)濾器過(guò)濾效率簡(jiǎn)化選型計(jì)算公式，結(jié)合工程實(shí)測(cè)，給出了集中空調(diào)系統(tǒng)空氣過(guò)濾器等級(jí)組合建議。李旻雯等[10]針對(duì)某中學(xué)教室開(kāi)展了 PM2.5污染防護(hù)技術(shù)應(yīng)用。此外，還有一些文獻(xiàn)研究了不同通風(fēng)凈化措施、空氣凈化技術(shù)在工程中的應(yīng)用效果[11-12]。然而上述研究或聚焦于設(shè)計(jì)計(jì)算，或立足于某一技術(shù)在某一工程中的應(yīng)用，仍缺乏基于建筑建設(shè)全生命期的從設(shè)計(jì)到施工到驗(yàn)收檢測(cè)的 PM2.5防控技術(shù)體系及其應(yīng)用效果驗(yàn)證，也缺乏全國(guó)不同地區(qū)不同建筑類(lèi)型的設(shè)計(jì)計(jì)算與工程實(shí)測(cè)間的對(duì)比分析。

綜上，本文的目的是制定建筑設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、驗(yàn)收的全過(guò)程防控策略，并通過(guò)實(shí)際多項(xiàng)工程驗(yàn)證其有效性。

1 建筑室內(nèi)顆粒物防控方法

1.1 方法流程

本文結(jié)合建筑工程全生命期，提出了建筑室內(nèi)顆粒物防控方法?？刂品椒鞒倘鐖D1 所示。在設(shè)計(jì)階段，開(kāi)展顆粒物防控設(shè)計(jì)，根據(jù)室外顆粒物計(jì)算日濃度、室內(nèi)污染源強(qiáng)、滲透風(fēng)換氣次數(shù)、穿透系數(shù)等邊界條件，選擇適宜的通風(fēng)凈化系統(tǒng)形式并進(jìn)行設(shè)備選型，計(jì)算室內(nèi)顆粒物濃度滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。在施工圖說(shuō)明及招采技術(shù)文件中明確凈化設(shè)備性能要求。在采購(gòu)階段，對(duì)擬采購(gòu)設(shè)備的性能進(jìn)行檢測(cè)，若滿(mǎn)足要求則進(jìn)行采購(gòu)，若不滿(mǎn)足要求須更換供應(yīng)商、選擇滿(mǎn)足性能要求的產(chǎn)品，或修改凈化方案（如增加室內(nèi)空氣凈化器等）。在施工階段，編制施工作業(yè)指南，開(kāi)展進(jìn)場(chǎng)設(shè)備抽檢、現(xiàn)場(chǎng)施工質(zhì)量巡檢及問(wèn)題整改，確保設(shè)備、系統(tǒng)及建筑性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。施工完成后，根據(jù)本文提出的測(cè)試方法，對(duì)室內(nèi)顆粒物濃度進(jìn)行驗(yàn)收測(cè)試，評(píng)價(jià)通風(fēng)凈化系統(tǒng)運(yùn)行效果。

圖1 建筑室內(nèi)顆粒物防控流程圖

1.2 計(jì)算模型

室內(nèi) PM2.5濃度計(jì)算采用質(zhì)量守恒方程，并假設(shè)室內(nèi)污染物混合均勻，且不考慮濃度不均勻性，見(jiàn)式（1）。

式中：G—室內(nèi)污染物源強(qiáng)，μg/h；

V—房間容積，m3；

C—室內(nèi)設(shè)計(jì)日濃度，μg/m3；

Co—室外計(jì)算日濃度，μg/m3；

αl—滲透風(fēng)換氣次數(shù)，次/h；

Pl—穿透系數(shù)；

αo—新風(fēng)換氣次數(shù)，次/h；

Peo—新風(fēng)凈化設(shè)備當(dāng)量穿透系數(shù)；

αr—回風(fēng)換氣次數(shù)，次/h；

Per—回風(fēng)凈化設(shè)備當(dāng)量穿透系數(shù)；

αir—空氣凈化器循環(huán)風(fēng)換氣次數(shù)，次/h；

Pir—空氣凈化器穿透系數(shù)；

τ— 時(shí)間。

2 研究對(duì)象及研究方法

為驗(yàn)證本研究提出的顆粒物防控方法的有效性及計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，本研究在 11 項(xiàng)工程中開(kāi)展了項(xiàng)目應(yīng)用與驗(yàn)證。工程建成后，實(shí)地測(cè)試獲得室內(nèi)新風(fēng)量、滲透風(fēng)量、室外 PM2.5濃度、新風(fēng)口 PM2.5濃度等計(jì)算邊界條件，再通過(guò)計(jì)算模型計(jì)算室內(nèi) PM2.5濃度水平，對(duì)比計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的誤差并分析誤差來(lái)源，驗(yàn)證方法的可靠性和準(zhǔn)確性。

2.1 研究對(duì)象

本研究在全國(guó)不同區(qū)域的 11 個(gè)城市，開(kāi)展了 11 項(xiàng)工程的 PM2.5防控工程實(shí)踐及測(cè)試，建筑類(lèi)型包括住宅與學(xué)校。具體工程信息情況見(jiàn)表1。

表1 工程信息表

2.2 測(cè)試方法

本研究測(cè)試分析了 PM2.5濃度參數(shù)，測(cè)試方法分為直接法與間接法。當(dāng)室外 PM2.5濃度水平高于計(jì)算日濃度時(shí)，用直接法，即直接測(cè)試室內(nèi)外 PM2.5濃度。當(dāng)室外 PM2.5濃度水平低于計(jì)算日濃度時(shí)，采用間接法：在新風(fēng)口發(fā)塵模擬室外霧霾工況，使新風(fēng)口 PM2.5濃度高于計(jì)算日濃度，測(cè)試此時(shí)的室內(nèi)、室外及新風(fēng)口 PM2.5濃度水平。本研究工程 E、G、K 采用直接法，其他工程采用間接法。測(cè)試儀器采用光散射顆粒物測(cè)試儀，每 0.5 min 記錄一次，室內(nèi)、室外、風(fēng)口濃度同時(shí)測(cè)量，測(cè)試時(shí)間為 10 min。

3 研究結(jié)果

3.1 工程實(shí)測(cè)結(jié)果

本研究根據(jù)前面提出的建筑室內(nèi)顆粒物防控方法，在 11 項(xiàng)工程中開(kāi)展了工程實(shí)踐。工程建成后，按測(cè)試方法測(cè)試了 11 項(xiàng)工程的房間的 PM2.5濃度，如圖2 所示。測(cè)試期間，室外 PM2.5濃度在 19～249 μg/m3之間。對(duì)比工程所在地的室外計(jì)算日濃度，工程 E、G、K 測(cè)試當(dāng)天的實(shí)測(cè)室外 PM2.5濃度高于室外計(jì)算日濃度，因此采用直接法，其他工程采用間接法進(jìn)行測(cè)試分析。采用間接法時(shí)，在新風(fēng)吸風(fēng)口處持續(xù)釋放 PM2.5，濃度在 160～696 μg/m3之間，均高于室外計(jì)算日濃度。被測(cè)房間內(nèi)的 PM2.5濃度在 7～26 μg/m3之間，均可滿(mǎn)足 35 μg/m3的設(shè)計(jì)要求。綜上可知，應(yīng)用本研究提出的建筑室內(nèi) PM2.5防控方法，當(dāng)室外 PM2.5濃度高于計(jì)算日濃度時(shí)，室內(nèi) PM2.5濃度均可滿(mǎn)足要求。

圖2 PM2.5 濃度測(cè)試值

3.2 計(jì)算模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性分析

為驗(yàn)證本研究提出的設(shè)計(jì)計(jì)算模型的準(zhǔn)確性，本研究將測(cè)試獲得的邊界條件（新風(fēng)換氣次數(shù)、滲透風(fēng)換氣次數(shù)、回風(fēng)換氣次數(shù)、室外 PM2.5濃度、新風(fēng)系統(tǒng)吸風(fēng)口 PM2.5濃度、凈化系統(tǒng)出風(fēng)口 PM2.5濃度等），通過(guò)式（2）計(jì)算模型計(jì)算室內(nèi) PM2.5濃度水平，并將計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析。其中，穿透系數(shù)按 0.8 估算，房間內(nèi)無(wú)室內(nèi)人員、設(shè)備產(chǎn)塵，因此室內(nèi)污染物源強(qiáng)按 0 計(jì)算。

通過(guò)對(duì)比分析， 11 項(xiàng)工程的實(shí)測(cè)室內(nèi) PM2.5濃度在 6～29 μg/m3，計(jì)算 PM2.5濃度在 7～26 μg/m3，如圖3 所示。計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的絕對(duì)誤差在 1～9 μg/m3。由此可知，本研究提出的顆粒物防控方法及計(jì)算模型可滿(mǎn)足工程實(shí)踐應(yīng)用需求。

圖3 室內(nèi) PM2.5 的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

進(jìn)一步分析，引起 PM2.5計(jì)算濃度與實(shí)測(cè)濃度差異可能有以下原因：①由于通風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)啟與不開(kāi)啟時(shí)的室內(nèi)外壓差不同，導(dǎo)致滲透風(fēng)換氣次數(shù)不同。但是，實(shí)測(cè)過(guò)程中獲取通風(fēng)系統(tǒng)開(kāi)啟狀態(tài)下的滲透風(fēng)換氣次數(shù)存在困難，因此本研究測(cè)試的滲透風(fēng)換氣次數(shù)為關(guān)閉通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)的值。②室外 PM2.5濃度梯度分布不均勻。發(fā)塵過(guò)程中存在被測(cè)房間周?chē)?PM2.5梯度分布不均，而實(shí)際測(cè)試中僅測(cè)了某一點(diǎn)處的 PM2.5濃度。③由于預(yù)測(cè)方法簡(jiǎn)化了計(jì)算模型，未考慮室內(nèi) PM2.5的濃度分布不均勻性及沉降等因素，因此存在計(jì)算偏差，但誤差仍在工程可接受范圍內(nèi)。

4 結(jié) 語(yǔ)

為降低室內(nèi)人員顆粒物暴露水平，保障民眾健康，本研究提出了適用于工程的建筑室內(nèi)顆粒物防控方法，制定了建筑設(shè)計(jì)、采購(gòu)、施工、驗(yàn)收的全過(guò)程防控策略。

本研究在全國(guó)不同城市開(kāi)展了 11 項(xiàng)工程的 PM2.5防控工程實(shí)踐及測(cè)試。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，當(dāng)室外 PM2.5濃度高于計(jì)算日濃度時(shí)，室內(nèi) PM2.5濃度均可滿(mǎn)足 35 μg/m3的設(shè)計(jì)要求。根據(jù)對(duì)比分析，測(cè)試值與計(jì)算值的絕對(duì)誤差在 1～9 μg/m3。因此，針對(duì)全國(guó)不同地區(qū)的不同功能建筑，在不同室外污染工況下，本研究提出的防控方法均可有效保障室內(nèi) PM2.5濃度水平，且計(jì)算模型精度滿(mǎn)足工程實(shí)踐應(yīng)用需求。