建筑外窗气密性与室内外PM2 5 浓度水平关联特性的研究.docx
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建筑外窗气密性与室内外PM25浓度水平关联特性的研究
建筑外窗气密性与室内外PM25浓度水平关联特性的研究
[摘要]相关研究表明,即使关闭建筑外窗,大气中PM2.5仍可以通过渗透通风方式进入室内,建筑外窗缝隙和房间结构对室内PM2.5浓度水平有显著影响。
定量评价不同结构特征建筑外窗对室外PM2.5拦截特性,并通过被动防控措施有效地降低室内人群细颗粒物污染暴露剂量的研究具有重要科学意义。
本研究基于课题组关于分布在北京市东城区、朝阳区5个办公建筑与学校建筑的室内外PM2.5质量浓度与数浓度的实时监测结果,重点比较分析了房间渗透通风且无室内污染源条件下,不同结构缝隙结构、不同气密性等级建筑外窗的房间室内外PM2.5质量浓度与数量浓度关联特性。
研究及实测结果表明,大气空气质量为优良或PM2.5污染水平较低时,不同气密性等级建筑外窗对室外PM2.5阻隔效果差异性不明显;随着室外大气PM2.5污染程度的不断加重,高气密性等级建筑外窗对室外PM2.5阻隔性能明显提高,特别是对粒径>0.5μm细颗粒物的阻隔性能显著增强。
通常情况下,建筑外窗气密性等级每提高1级,对应的室内PM2.5浓度水平可下降约10%。
[关键词]PM2.5污染;气密性等级;室内PM2.5浓度水平;实测
近年来,随着我国经济快速增长带来的人口与能耗增加,以及工业、交通运输与城镇居民生活废气的排放,导致大气环境细颗粒物PM2.5污染问题日益严峻,也直接影响了建筑室内空气品质[1,2]。
我国环境保护部发布的《2015年全国城市空气质量状况》[3] 表明,全国大气首要污染物为PM2.5,首都所在的京津冀地区污染最为严重,其中北京全年PM2.5质量浓度平均值为80.6μg/m3,较2014年与2013年分别下降了6.2%与9.9%,大气污染治理工作初见成效,但整体形势仍有待加强。
室外PM2.5侵入室内的主要途径分为三类:
机械通风、自然通风、建筑外窗缝隙渗透通风[4]。
现代城市居民在室内生活时间已接近90%,对于大多数办公或住宅建筑来讲,关闭外窗是阻挡大气PM2.5侵入室内的重要被动措施。
然而大量研究表明,由于建筑外窗缝隙渗透通风作用而进入的PM2.5足以导致室内颗粒物浓度超标危害人群健康。
根据国内外学者开展的大量关于渗透通风条件下室外颗粒物向室内传输渗透过程研究表明,影响室内PM2.5浓度水平的重要指标是渗透通风换气次数a,颗粒物穿透系数P 与室内自然沉降率k[5]。
当室内外压差引起的渗透通风换气次数一定,且房间内无污染源时,室内PM2.5浓度水平主要取决于颗粒物向室内传输过程中在外窗缝隙内的穿透能力以及在室内的沉降特性[6,7]。
为了把握建筑外窗缝隙结构与不同气密性等级对室内外PM2.5浓度关联特性的影响规律,本文基于细颗粒物穿透与沉降机理,并结合研究团队2015年11月到2016年2月关于北京市东城区、朝阳区5个临街办公建筑与学校建筑室内外PM2.5质量浓度、数量浓度及室外气象参数(空气干球温度、相对湿度、风速)的实时监测,重点研究了建筑外窗关闭且无室内源条件下,不同缝隙结构特征与不同气密性等级建筑外窗关于室外PM2.5的传输渗透特征与影响规律,以期为通过提高建筑外窗气密性等级阻止室外PM2.5侵入的被动防控方法研究提供方法与基础数据参考。
1 材料与方法
1.1实测调研
1.1.1实测对象与条件
本研究重点对北京市东城区、朝阳区的5个办公建筑与学校建筑的室内外PM2.5质量浓度与数浓度等进行了实测调研,5个实测对象地理位置如图1。
其中,测点1位于北京市东城区东直门大街,毗邻东二环北路,房间距地面高度约30m;测点2位于北京市朝阳区和平西桥,毗邻北三环东路,房间距地面高度约35m;测点3,4,5均位于北京市朝阳区北京工业大学校园内,毗邻东四环南路,测点3距地面高度约10m,测点4距地面高度约20m,测点5距地面高度约25m,其它条件见表1。
实测期间所有测点房间均保持外窗及内门关闭,无人员出入,不开启机械通风或净化过滤系统,除测试仪器外不开启任何电子设备以保证无PM2.5发生源。
图1实测点地理位置
表1测试点概况
注:
(1)使用皮尺直接测量所得;
(2)缝高难以使用工具测量,因此采取依据其气密性等级折算当量缝高法求得(审稿中)。
1.1.2 数据采集与处理
室内外PM2.5质量浓度测量采用LD-5C(R)型在线式激光粒子监测仪,仪器测量范围1~104μg/m3,灵敏度1μg/m3,1~103μg/m3 量程内误差不超过测量值的5%;室外颗粒物粒径分布采用测量采用Y09-301型激光尘埃粒子计数器,粒径通道分别为0.3μm、0.5m、0.7μm、1.0μm、2.0μm和5.0μm,两仪器测试时间间隔均为20min自动记录一次并保存。
本研究重点对测点1、2的2015年11月1日~12月30日和测点3~5的2016年1月1日~2月29日的实测数据进行研究分析。
分析过程中,PM2.5质量浓度与粒径分布数据均采用小时算术平均值,为了确保数据的可靠性,后期处理时剔除了因测量仪器断电、人为干扰等原因造成的坏值,以及残差绝对值大于标准偏差3倍的数据。
如图2所示,实测期间,室外温度变化范围-16.8~16.0℃,平均值-0.4℃;相对湿度变化范围10%~95%,平均值56.3%;风速变化范围0~8m/s,平均值1.9m/s,主导风向为北风。
图2实测期间室外相对湿度与风速
1.2评价指标
1.2.1 建筑外窗气密性等级
本文采用建筑外窗气密性等级作为评价其对渗透通风阻止能力的基准,以研究建筑外窗对大气PM2.5侵入室内的阻隔性能。
我国于2008年颁布的GB/T7106—2008《建筑外门窗气密,水密,抗风压性能分级及检测方法》给出了建筑外窗气密性分级标准(表2)。
该标准的测试方法为,将测试条件下(持续10s或以上,±100Pa作用压力)测得的建筑外窗两侧渗透通风量折算为标准状态(1个标准大气压,20℃)10Pa作用压力下的单位缝长空气渗透量q1(m3(m·h))和单位面积空气渗透量q2(m3/(m2·h)),取二者较不利值进行划分,分级值越大气密性等级越高。
表2建筑外门窗气密性分级表(GB/T7106—2008)
考虑到单位面积空气渗透量q2 易造成评价混乱[8],因此本研究重点以单位缝长空气渗透量q1 评价实测建筑外窗对缝隙渗透通风的影响。
1.2.2室内外PM2.5浓度I/O
室内外PM2.5浓度I/O直接反应了室内外颗粒物(质量、数量)浓度关联关系,由于其物理意义简单且容易测得,因此被广泛应用于相关研究中。
根据质量守恒原理可建立基于渗透通风稳态条件下的室内外颗粒物浓度I/O计算公式[5]:
式中:
Cin, Cout分别为室内、外PM2.5质量浓度(μg/m3);a 为渗透通风换气次数(h-1);P,k分别为颗粒物穿透系数(无量纲)与室内自然沉降率(h-1)。
当室外气象条件一定时,式
(1)中渗透通风换气次数a主要决定于建筑外窗气密性等级;而穿透系数P以及自然沉降率k 则主要受建筑外窗缝隙结构和房间空间结构影响[6,7]。
2 结果与讨论
2.1室外PM2.5污染水平
2.1.1室外PM2.5质量浓度与污染等级分布
图3为2015年1月~12月室外大气PM2.5质量浓度全年日均值走势,由图可看出北京地区大气PM2.5污染天数分布呈现冬季供暖期(每年11月至次年3月)远高于非供暖季的规律。
全年1月、2月、11月和12月的室外大气PM2.5污染超标累计天数占全年总超标天数的52.8%,超过半数以上,而3月至10月超标天数累计仅占47.2%。
特别是由于2015年11月~12月京津冀地区冬季遭遇较长时间逆温、高湿度、低风速的不利于污染物扩散天气,加之受到周边农村、城郊地区供暖燃烧散煤排放量大的影响,出现了几次较长时间的严重PM2.5污染过程。
为此,本研究重点分析冬季供暖期北京地区室外PM2.5污染对室内环境的影响。
图32015全年室外PM2.5质量浓度日均值1
图(4a)为本研究实测期间(2015年11月至2016年2月)室外PM2.5质量浓度小时均值随时间变化情况。
可以看出,实测期间几次明显的PM2.5污染过程随时间分布较为均匀,室外PM2.5浓度大致集中在600μg/m³以内,平均值103.7μg/m³。
依据我国大气环境分级划分标准(GB3095-2012)划定的室外PM2.5污染等级百分比结果如图4-b),图中可以看出实测期间室外空气质量为达标等级占比最大,为58.7%;其次为严重污染等级与重度污染等级,分别占比15.5%与12.4%,总和为27.9%;而轻微污染与中度污染占比最小,分别占比8.2%与5.3%,总和仅为13.5%。
(a)室外PM2.5污染等级分布;(b)2015.11~2016.02室外PM2.5质量浓度小时均值2
图4实测期间室外PM2.5污染情况
注:
(1)数据采自测点1室外测量点;
(2)2015年11月–12月数据采自测点1与测点2室外测量点,取二者均值;2016年1–2月数据采自测点3–5室外测量点。
综合分析图4,由于受强厄尔尼诺现象影响,实测期间京津冀地区静稳状态天气频发,加之冬季供暖造成区域污染物集中排放量大且相互叠加,导致室外大气PM2.5染呈现出明显的阶段性集中爆发特征;且由于室外大气PM2.5质量浓度总体变化趋势表现出在达标与重度/严重污染间频繁交替的特点,也导致了大气PM2.5质量浓度小时均值主要分布在达标或重度/严重污染等级,而出现轻微/中度污染等级的频率相对较少、且大多短时出现在达标与重度/严重污染相互交替的过程中。
2.1.2室外大气颗粒物粒径分布
图5为室外大气悬浮颗粒物粒径分布与大气PM2.5污染水平关联特性实测结果。
图5室外大气尘粒径分布
由图5可见,在三种典型空气质量条件下大气中粒径<1μm的细颗粒物数量均占整体90%以上,而粒径>1μm的颗粒物相对分布频率均不足10%;此外,粒径<1.0μm的细颗粒物粒径分布与大气空气质量有显著关联:
当室外大气质量为达标水平时,颗粒物粒径分布频率随粒径增大而逐级减小,0.3~0.5μm粒径段颗粒物总数占比最高,约47.6%;当室外大气质量为中度污染等级时,各粒径段分布规律与达标水平类似,所不同的是各粒径段所占比例的差距有所减小,特别是0.5~0.7μm到0.7~1μm区间内颗粒物数量占比例较为接近,分别为28.2%与27.7%;当室外大气质量为严重污染等级时,各粒径段粒子分布规律发生了逆转,呈现出逐级增大趋势。
0.7~1μm粒径段颗粒物总数占比显著上升、约48.4%,0.3~0.5μm粒径段颗粒物总数占比明显降低,仅为17.5%。
综合三种典型空气质量条件下颗粒物分布规律可以看出,颗粒物粒径在0.5~0.7μm与1.0μm以上各区间分布较为稳定,而随着室外PM2.5污染程度不断升高,大气颗粒物中粒径0.7~1μm区间的数量有显著提升。
2.2建筑外窗气密性等级与室内PM2.5质量浓度水平
2.2.1室外空气质量优良水平
由图6,室外空气质量为优良(达标)水平时(Cout1=50.5μg/m3、Cout2=52.3μg/m3、Cout3~5=45.9μg/m3),对应测点1室内PM2.5质量浓度25.8μg/m3,室内外PM2.5质量浓度平均I/O为0.508;测点2室内PM2.5质量浓度为20.5μg/m3,平均I/O为0.406;测点3室内PM2.5质量浓度为27.7μg/m3,平均I/O为0.659;测点4室内PM2.5质量浓度为22.2μg/m3,平均I/O为0.530;测点5室内PM2.5质量浓度为21.8μg/m3,平均I/O为0.530。
实测结果表明,当室外空气为优良水平时,室内PM2.5质量浓度水平与安装的建筑外窗气密性等级高低关联性影响不大,室内PM2.5质量浓度均为优良水平。
图6室外空气质量优良水平时不同测点室内外PM2.5质量浓度比较
2.2.2室外空气质量轻微/中度污染水平
室外空气质量为轻微/中度污染等级时(Cout1=124.0μg/m3、Cout2=126.2μg/m3、Cout3~5=126.6μg/m3),测点1室内PM2.5质量浓度70.9μg/m3,室内外PM2.5质量平均I/O为0.572;测点2室内PM2.5质量浓度为126.2μg/m3,平均I/O为0.422;测点3室内PM2.5质量浓度为79.7μg/m3,平均I/O为0.635;测点4室内PM2.5质量浓度为69.6μg/m3,平均I/O为0.566;测点5室内PM2.5质量浓度为65.8μg/m3,平均I/O为0.535(图7)。
实测结果表明,当室外空气为轻微/中度污染等级时,不同气密性等级建筑外窗对室内PM2.5浓度水平影响差异性虽已有所体现,但基本都在达标水平以内。
图7室外空气质量轻微/中度水平时室内外PM2.5质量浓度比较
2.2.3室外空气质量重度/严重污染水平
随着室外空气污染程度逐渐加剧,不同气密性等级建筑外窗对室内PM2.5质量浓度水平的影响逐渐显著。
如图8,当室外PM2.5质量浓度水平为重度/严重污染时(Cout1=364.3μg/m3、Cout2=389.6μg/m3、Cout3~5=309.1μg/m³),各测点室内PM2.5质量浓度基本与室外浓度的变化趋势基本保持一致,所不同的是8级气密性等级建筑外窗的测点2室内空气品质明显优于4级气密性等级建筑外窗的测点1。
测点1的室内平均PM2.5质量浓度为210.7μg/m3,属于中度污染等级,平均I/O为0.582;测点2的室内平均浓度126.7μg/m3,属于轻微污染等级,平均I/O为0.362,前者室内PM2.5浓度水平比后者低1个等级、室内外PM2.5浓度I/O低37.8%,建筑外窗气密性对室内空气品质影响作用凸显。
同样,6级气密性等级建筑外窗的测点5室内外PM2.5浓度I/O比测点4(5级气密性外窗)低12.1%,比测点3(3级气密性外窗)低30.6%,测点3对应室内PM2.5平均浓度为200.7μg/m3,属于重度污染,平均I/O为0.657;测点4对应室内PM2.5平均浓度为156.2μg/m3,属于重度污染下限,平均I/O为0.519;测点5对应室内PM2.5平均浓度为136.0μg/m3,属于中度污染,平均I/O为0.456。
图8室外空气质量重度/严重污染水平室内外PM2.5质量浓度比较
2.3建筑外窗气密性等级与室内PM2.5数浓度水平
图9建筑外窗对不同粒径区间的阻隔过滤效率
图9进一步对比了当室外大气重度/严重污染时3个不同气密性建筑外窗的测点对应室内外颗粒物粒径分布与数量浓度I/O(n)关联关系。
前人研究已经证明,对粒径≤2.5μm的细颗粒物而言,分布在粒径>0.5μm区间内的颗粒物对整体质量浓度起决定性作用,权重约占90%[9]。
由图9可看出,粒径为0.3~0.7μm的细颗粒物几乎不受建筑外窗阻隔性能的影响,各测点的数量浓度I/O(n)都接近于1,即此粒径范围的细颗粒物几乎可以通过建筑外窗缝隙直接进入室内;而对于粒径区间为0.7~1.0μm、特别是>1μm的细颗粒物而言,不同气密性等级建筑外窗对其阻隔作用逐渐表现出较大差异:
8级气密性等级的建筑外窗对0.7~1.0μm粒径区间细颗粒物具有50%左右(I/O(n)=0.503)的拦截效率、对1.0~2.0μm粒径区间细颗粒物具有约70%(I/O(n)=0.300)的拦截效率,而4级气密性等级的建筑外窗对0.7~1.0μm粒径区间细颗粒物具有约40%(I/O(n)=0.596)的拦截效率、对1.0~2.0μm粒径区间细颗粒物具有约60%(I/O(n)=0.392)的拦截效率;当颗粒物粒径>2.0μm时,三种不同气密性等级建筑外窗对其阻隔性能差异更为明显:
8级气密性等级建筑外窗的拦截效率几乎接近100%(I/O(n)=0.070),4级气密性等级建筑外窗的拦截效率约为80%(I/O(n)=0.188)。
上述实测结果进一步表明,高气密性等级建筑外窗对细颗粒物具有更好的阻隔性能。
3 结论
本研究基于2015年11月到2016年2月实测调查结果,重点分析比较了分布于北京市东城区、朝阳区的5间不同缝隙结构、不同气密性等级建筑外窗的建筑的室内外PM2.5质量/数量浓度关联特性及其建筑外窗气密性等级对其的影响规律,形成以下研究结果:
(1)冬季供暖时期一般为北京市室外PM2.5污染最为严重时期,每年1月、2月、11月及12月的大气PM2.5污染超标天数超过占全年总超标天数半数以上,且多呈现达标与重度/严重污染频繁交替的特征;大气中粒径小于1μm的颗粒物含量占颗粒物总数的90%以上;随着室外PM2.5污染程度加深,粒径区间为0.7~1μm的颗粒物数量显著增加。
(2)室外大气PM2.5污染程度较轻时,建筑外窗气密性等级的高低对室外PM2.5阻隔过滤效率差别并不十分明显;随着室外大气污染程度加剧至重度/严重污染等级时,8级气密性外窗对室外PM2.5阻隔过滤效果明显高于3~6级气密性建筑外窗。
同等条件下,建筑外窗气密性每提高1级,对应室内PM2.5质量浓度水平和室内外质量浓度I/O约可下降10%。
(3)对气密性为8级、6级、4级建筑外窗室内外颗粒物粒径分布实测结果表明,无论建筑外窗气密性等级的高低,对粒径区间为0.3~0.7μm的细颗粒物均无明显的阻隔过滤能力;然而对粒径区间>0.7μm的颗粒物而言,高气密性等级建筑外窗对其阻隔过滤效果明显高于低气密性等级外窗的,对应室内PM2.5浓度水平显著降低。
提高建筑外窗气密性等级是一种较为有效的应对室外PM2.5污染的被动防控措施。
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