北京工業大學建筑工程學院  谷遜東  簡毅文  郭銳敏

       【摘  要】住戶的室內通風凈化效果，正受到人們的廣泛重視。當前評價通風凈化效果的指標主要是PM2.5質量濃度和I/O比。通過分析物理特性和統計數據說明了由于它們自身的特性，當前的這兩種評價指標都具有一定的局限性。本研究提出了一種評估室內PM2.5凈化結果的新指標：凈化時間達標率，從而對一段時間內的通風凈化效果進行評價。本文為評價凈化效果提供了新方法，并說明了新方法的優點。

       【關鍵詞】凈化時間達標率；凈化效果；PM2.5濃度；I/O比

Abstract:The indoor purification and ventilation effect of the residents is receiving widespread attention. The current indicators for evaluating the effectiveness of purification and ventilation are mainly PM2.5 mass concentration and I/O ratio. The analysis of physical characteristics and statistical data shows that due to their own characteristics, these two evaluation indicators have certain limitations. This study proposes a new index for evaluating indoor purification results: the purification time compliance rate, thereby evaluating the purification ventilation effect over a period of time. This article provides a new method for evaluating the purification effect, and explains the advantages of the new method.

Keywords: purification time compliance rate; purification effect; PM2.5 concentration; I/O ratio

1 引言

       室內PM2.5受到研究者越來越廣泛的重視^[1-2]，同時也與居住者的生活有著密切的關系。大量流行病學證據表明，接觸PM2.5與人體亞健康和疾病之間存在著密切的聯系，其中包括呼吸道感染、心血管健康、高血壓、哮喘、肺癌和預期壽命下降等^[3]。2020年1月的城市空氣質量狀況月報顯示，北京市PM2.5平均濃度為59μg/m³，在統計的168個城市中排名56位。研究表明，大多數人約90%的時間都在室內度過。文獻[4]指出，室內污染是室外污染的2到5倍左右。為了降低室內PM2.5濃度，提供良好的居住環境，目前住宅有三種主要的通風凈化方式：自然通風、機械通風和混合通風。

       為實現更好的凈化效果，確定合理的凈化策略，需要確定合適的評價指標，以做出合理評價。當前，用于評價凈化結果的指標主要是室內PM2.5質量濃度^[5]和I/O比^[6]。然而PM2.5和I/O比在評價方面都具有一定的局限性。本項研究的目的在于探索一種評估室內PM2.5凈化結果的新方法，從而更好地基于室外空氣質量對室內空氣做出判斷。因此本研究提出了評估室內PM2.5凈化結果的新方法，并說明了這種評價方法的優勢。

2 測試內容

       2.1 測試對象

       長期測試的對象為6戶住宅的客廳，分布在北京市中心城區。建筑和室內人員狀況見表1。根據通風凈化方式的不同，將住戶分為自然通風凈化、機械通風凈化和混合通風凈化三類。其中，自然通風住戶為完全依靠外窗通風凈化的住戶；機械通風住戶為安裝帶過濾器的機械新風系統且新風系統連續運行的住戶；混合通風住戶為安裝帶過濾器的機械通風系統但新風系統間歇運行，并與外窗交替開關的住戶。各住戶外窗、新風系統和空氣凈化器性能和使用情況見表2。

表1 測試住戶基本信息

       注：F/M為成年男性/女性，f/m為未成年男性/女性

表2 通風凈化設備性能及基本使用信息

       2.2 測試方法

       測試期間連續在住戶客廳進行現場測量，測量內容包括：室內外PM2.5質量濃度、房間外窗開關狀態、空氣凈化器運行狀況。測試儀器及性能參數見表3。根據GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》的要求，將PM2.5濃度自記儀置于客廳避開通風口且距地面1.2m處進行數據測試和記錄^[7]；開關記錄儀和磁鐵成對安裝在客廳外窗的窗梃和窗框上；功率儀記錄空氣凈化器的運行功率，并統計得出設備的運行時長；室外PM2.5濃度則通過室外氣象監測站獲得。

表3 測試儀器及性能參數

       2.3 數據處理

       為確保數據的可靠性，剔除了實驗數據中的壞值，包括測量儀器斷電、人員干擾等原因造成未檢測數據及由于磁開關記錄儀頻閃對外窗開關動作的不合理記錄數據。根據GB 3095-2912《環境空氣質量標準》[8]對室內外PM2.5污染等級進行了劃分。定義室外PM2.5質量濃度小于35μg/m³為優(excellent)，35~75μg/m³為良（fine），75~115μg/m³為輕度污染（slight），115~150為中度污染（medium），150~250μg/m³為重度污染（serious），大于250μg/m³為嚴重污染（severe）。

       為了保證測試數據的連續完整和真實可靠，入戶測試前，所有儀器都進行了返廠校準及對比測試；入戶測試后，測試人員將測試儀器放置在適當的位置。通過上述措施，最大限度地將各個參數的測試誤差控制在相應測試儀器的測量精度內。

3 實驗結果與討論

       3.1 室外PM2.5對室內質量濃度的影響

       顯而易見，由于住宅的圍護結構不可能達到完全密封，以及住戶開窗換氣行為，室外PM2.5很容易通過圍護結構的縫隙或開口^[9]進入室內，導致室內PM2.5濃度的變化。因此對室內和室外濃度進行了相關性分析。選擇自然通風住戶Z2作為分析的對象。將室內PM2.5濃度與同時刻的室外PM2.5濃度相對應。將室外PM2.5濃度作為橫坐標，室內PM2.5濃度作為縱坐標，繪制得到圖1。由于室內外PM2.5濃度服從正態分布，以及兩者線性相關，使用Pearson相關系數對兩者的線性相關程度進行描述。得到的相關系數為0.852，說明兩者存在強相關聯。

圖1 室內外PM2.5濃度相關性分析

       由于門窗縫隙滲風以及門窗開啟通風的作用，室內外的質量濃度存在相互關聯。上述結果充分說明了忽略室外質量濃度的影響，只憑借室內質量濃度是無法客觀反應通風凈化效果。在室外濃度不同的情況下，僅靠室內濃度，可能會產生誤判。說明了室內PM2.5濃度作為評價通風凈化效果的指標是不恰當的。

       從物理學角度和統計學角度都顯示室內PM2.5濃度容易受到室外PM2.5濃度、圍護結構氣密性和窗戶狀態的影響，作為一個評價通風凈化效果的指標是不恰當的。

       3.2 時滯對I/O比的影響

       由于室內質量濃度與室外濃度存在強相關關系，研究者[6]繼而提出了室內質量濃度和室外濃度的比值，即I/O比，對室內空氣凈化效果進行評價。本研究考慮到室外PM2.5濃度的影響，根據室外PM2.5濃度將某一戶自然通風住戶的I/O比數據分為優、良、輕度污染、中度污染和重度污染及以上，共計五個等級。之后再對污染等級下，開關窗狀態的I/O比進行相關性分析。由于開窗和關窗狀態下的數據量存在差異，使用Mann-Whitney U檢驗，判斷自然通風住戶在不同窗戶狀態下的I/O比是否有顯著的差別。檢驗的結果如表4所示。以0.05的顯著水平進行檢驗，結果顯示在絕大多數（約92.3%）情況下，在不同窗戶狀態下的I/O比沒有顯著的差別，可以認為來自同一個樣本。

表4 自然通風用戶在開窗和關窗狀態下的I/O比顯著性檢驗

       根據房間內污染物濃度的質量守恒方程

                  （1）

       式中，為房間體積；CADR為空氣凈化器的潔凈空氣量；為室內污染物濃度；C0為室外污染物濃度；為室外通風量；污染物自然衰減系數；為室內污染物恒定的散發效率；為時間?？紤]穩態情況，即(dC)/(dτ)=0；絕大多數情況下室內沒有恒定的污染物，即=0；所研究的自然通風用戶都沒有長期使用空氣凈化器，即CADR=0。那么式（1）可以簡化為

                        （2）

       很容易通過式（2）發現I/O比與通風量之間的關系，從理論角度說明了I/O比與窗戶狀態有著一定的相關性。但是這卻與利用統計學進行分析得出的結論相矛盾。

圖2 I/O延滯性及室內外PM2.5濃度變化

       得出這種矛盾的原因可能是I/O比，具有延滯性的特性而導致的。有很多專家學者對I/O比的延滯性進行了討論[10]。圖2顯示在室外PM2.5濃度增加時，室內PM2.5濃度傾向于在一段時間之后發生相應的變化，并且變化幅度出現了相應的減少；同樣的，在室外PM2.5濃度減少的時刻，室內PM2.5濃度并不會立即隨之減少。例如在圖2中，5月18日13:00-14:00期間，室外PM2.5已經顯著減少，其質量濃度達到優的等級，并在之后保持穩定；但是在此期間，室內濃度并沒有相應下降，而是和上一時刻基本持平。因為室內外質量濃度的變化，I/O比急劇升高，超過了之前一直穩定在的數值，達到了7.8，盡管此時的室內PM2.5濃度并沒有明顯的增高。

圖3 室外存在污染時一段時間內的室內外PM2.5濃度和I/O比變化

       而針對同一個用戶，在室外空氣污染嚴重的時候，盡管室內PM2.5濃度可能較高，但是在I/O比上并沒有較好的反應。圖3反應了當室內和室外空氣質量都不佳時，I/O比并沒有出現明顯的增大，盡管此時室內PM2.5濃度的最高值達到了148μg/m³，相比圖2中的最高值增加了50%左右。

       結合圖2和圖3，室外空氣質量的突變可能需要一定時間才能在室內PM2.5濃度表現出來，導致出現變化不同步或者是變化不同向的現象。這種現象會導致I/O比發生大幅變化，在一段時間后I/O比才會恢復到正常范圍內。

       3.3 多種統計參數對質量濃度和I/O比的影響

       圖4(a)展示了室內PM2.5質量濃度的分布狀況。兩條紅色點劃線分別代表中國國家標準GB3095-2012 《環境空氣質量標準》所規定的PM2.5一級和二級濃度限值，即35μg/m³和75μg/m³。圖4(b)展示了不同住戶的I/O比分布狀況?？梢钥闯鲈谧匀煌L的房間內，由于窗戶狀態的改變和氣流的不穩定性對室外顆粒物的穿透力的影響，I/O比的變化范圍很大。

圖4  (a) 室內PM2.5濃度分布                        (b) 室內I/O分布狀況

       通過觀察PM2.5濃度和I/O比分布狀況，三種通風形式住戶的結果可以表示出來。從圖中可以明顯目測得出機械通風凈化效果優于其他兩種通風方式。而針對分布情況相似的住戶，如Z1和H1住戶，如何評價判斷它們凈化效果的優劣呢？從圖中可以看出，這兩戶住戶的質量濃度分布范圍類似，H1擁有更多的異常值，兩者平均值（Z1為31.54μg/m³，H1為31.59μg/m³）近似相等。然而Z1的PM2.5濃度的四分位數分布范圍更大，上四分位數為45.40μg/m³，大于H1的38.81μg/m³。Z1的下四分位數為12.78μg/m³，小于H1的14.01μg/m³?？偟膩砜?，Z1的四分位數分布范圍達到了H1的131.53%。相同地，通過觀察Z1和H1住戶的I/O比，Z1住戶的I/O比的平均值為1.31，大于H1的0.94。但是H1的中位數為0.55，卻略大于Z1的0.62。那么對于Z1和H1住戶通風效果的優劣，有中位數、平均值等多種統計參數可以作為評價指標，究竟使用哪一個或者其中哪些進行評價呢?多參數在可操作性方面增加了評價的難度，需要通過某一確定的評價標準來衡量各個用戶的通風效果。

       3.4 凈化時間達標率的提出

       室內PM2.5濃度和I/O比都存在自身的局限性，而這種局限性是由它們自身的特性決定的，因此需要一種新的指標來衡量室內的空氣通風凈化效果。由于室外PM2.5源對室內PM2.5濃度起著重要的影響作用，并且考慮到室外PM2.5量化的可操作性及量化結果較為可靠，本研究按照PM2.5污染等級歸類，提出了各個室外PM2.5污染等級下室內PM2.5凈化時間達標率的概念，即在各個相同的室外PM2.5污染等級下，以測試總時長為分母，以室內PM2.5質量濃度小于35μg/m³的時長為分子，兩者比值定義為在該室外PM2.5污染等級下的室內PM2.5凈化時間達標率，計算公式為

                                （3）

       式中Pd為室內PM2.5凈化時間達標率；Nd為某個相同室外PM2.5污染等級下室內PM2.5質量濃度小于35μg/m³的時長，min；Md為某個相同室外PM2.5污染等級下的測試總時長，min。

圖5 室內空氣凈化時間達標率

       由此，針對各個室外PM2.5污染等級，計算得出房間室內空氣凈化時間達標率，結果如圖5所示。凈化時間達標率越高，表明通風凈化效果好，當前的通風凈化手段比較恰當。反之，凈化時間達標率越低，則表明室內空氣質量不佳，需要調整和優化通風凈化的措施。凈化時間達標率從長時間平均的角度，利用一個單值規避了以上三方面的問題，客觀公正地反映了通風凈化效果，并且具有較高的可操作性。凈化時間達標率的提出，優勢主要在于：

       1）通過單一指標對空氣質量進行衡量，更加直觀，評價過程中的可操作性強，避免了多參數比較中可能出現的相互掣肘的問題；

       2）對室內空氣凈化效果的評價是將不同污染等級下進行的比較，更具有針對性。住戶可以根據評價的結果在不同的室外空氣狀況下進一步優化自己的行為，改善室內空氣狀況；

       3）凈化時間達標率是反映總體效果的一個綜合評價指標，通過區分污染等級，考慮了室外空氣的影響，同時通過這種方式，考慮了滯后性的問題。

4 結論

       室內PM2.5濃度對居住者的健康有著重要影響，特別是對于自然通風建筑。本研究探索了一種評估室內PM2.5凈化結果的新方法——凈化時間達標率?，F場實測的氣象和行為數據被用于說明傳統方法的局限性和新方法的優點。本文的主要結論總結如下：

       1）室內PM2.5質量濃度與室外濃度存在著強相關關系，而I/O比存在著延遲滯后的問題。因此傳統的評價方法都存在著局限性。

       2）本文提出的凈化時間達標率考慮了室外空氣的影響和滯后性的問題，在表現方式上具有直觀性的特征；同時還可以指導用戶的通風凈化行為，改善公寓的室內空氣質量。

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       備注：本文收錄于《建筑環境與能源》2020年10月刊總第37期（第22屆全國暖通空調制冷學術年會文集）。版權歸論文作者所有，任何形式轉載請聯系作者。