室內(nèi)顆粒物濃度的影響因素和研究進展

1、室內(nèi)顆粒物濃度的影響因素和研究進展摘要：本文簡述了室內(nèi)顆粒物的來源，總結了室內(nèi)顆粒物濃度的影響因素，介 紹了國際上關于室內(nèi)顆粒物濃度的研究成果和研究進展，特別對顆粒物對建筑 圍護結構的穿透因子的研究進行了較深入系統(tǒng)地分析，提出了穿透因子存在差 異的可能原因和相應的解決方法，希望能對國內(nèi)的室內(nèi)顆粒物濃度研究提供借 鑒。關鍵詞：顆粒物 室內(nèi)顆粒物濃度 穿透因子 沉降0引言最近，室內(nèi)空氣品質(zhì)受到人們越來越多的關注。為了提高室內(nèi)空氣品 質(zhì)，減少室內(nèi)污染物水平，目前普遍采用的一種方式就是引入更多的室外新鮮 空氣。然而越來越多的流行病學研究表明，即使一般情況下大氣顆粒物濃度水 平較低，而且在國家相關標準的

2、允許范圍之內(nèi)，人群的發(fā)病率和死亡率的不斷 上升與該濃度水平仍然存在顯著相關性13；另一方面，現(xiàn)代社會中，人們幾乎 90%勺時間是在室內(nèi)度過的。由此可以推知，從室外遷移進入室內(nèi)的顆粒物對 人體健康有著重大影響。大量關于室內(nèi)外顆粒物污染物關系的研究表明，遷移 進入室內(nèi)環(huán)境的大氣顆粒物濃度水平與室外顆粒物濃度水平處在同一數(shù)量級 5。因此可以認為，室內(nèi)環(huán)境即便不是最重要的，也是相當重要的大氣顆粒物 暴露場所。室內(nèi)環(huán)境與人們的生活息息相關，顆粒物又是影響室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量的重 要因素之一，給人們的健康產(chǎn)生了相當不利影響。因此，國外早在二十多年前 就開始了對顆粒物的研究，室內(nèi)顆粒物的濃度及其影響因素也就成了一個

3、重要 的研究方向及課題。研究這個問題有利于了解顆粒物的影響因素，促進人們采 取有利措施，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，降低和避免顆粒物對人體健康的危害。本文 綜述了影響室內(nèi)環(huán)境中顆粒物濃度的各因素以及國際上對影響室內(nèi)顆粒物濃度 因素的研究成果和研究進展，希望有利于推動國內(nèi)在該方面研究和發(fā)展。1影響室內(nèi)顆粒物濃度的因素空氣懸浮顆粒物是空氣中固體顆粒和液滴的混合物。顆粒物重要的物 理特征包括顆粒數(shù)密度和顆粒數(shù)密度分布、質(zhì)量濃度和質(zhì)量濃度分布、吸濕 性、揮發(fā)性、帶電性及單個顆粒的表面積和形狀 6 。其中，粒徑是決定顆粒物 空氣動力學特性的重要參數(shù)，顆粒物在空氣中的遷移特性就取決于粒徑。在顆 粒物研究中，一般假設

4、顆粒物為球形，常用空氣動力學直徑（da）來表示顆粒 物的大小，其粒徑范圍為0.001100微米。其中，空氣動力學直徑是指在空 氣中與被研究顆粒物具有相同的沉降速度，密度為1g/cm3的球形顆粒的直徑8。粒徑不同，顆粒物進入人體的部位就不同，其對人體產(chǎn)生的危害也就 不同。大于 10微米的顆粒物由于慣性作用易被鼻腔與呼吸道黏液排除，因此對 人體健康影響較大的是可吸入顆粒物（da< 10微米）。其中，粗顆粒物（2.5 微米<da< 10微米）一般沉積在支氣管部位，并可能進入血液循環(huán)，導致與心 肺功能障礙有關的疾病。粗顆粒物主要由機械過程產(chǎn)生，如建筑施工、道路揚 塵等，一般由Si、F

5、e、Al、Na、Ca Mg等30余種元素組成；細顆粒（da<2.5 微米，PM.5）則可能沉積到肺葉，尤其事呼吸細支氣管及肺泡。細顆粒物主要 由燃燒過程產(chǎn)生，如汽車尾氣、電廠廢氣、木材燃燒、工業(yè)生產(chǎn)以及柴油機 等，往往含有硫酸鹽、硝酸鹽、銨鹽、炭黑等。當二氧化硫、氮氧化合物和可 揮發(fā)性有機物等燃燒產(chǎn)物在空氣中發(fā)生化學反應時，也可能生成極細顆粒（da< 0.1微米）。1.1室內(nèi)顆粒物的來源顆粒物的化學組成對人體的健康影響很大，決定了其對人體呼吸道或 人體本身可能產(chǎn)生的危害及危害程度。然而，目前關于影響人體健康的顆粒物 的化合物成分及其尺寸范圍都還沒定論。因此有必要分析對顆粒物的來源進

6、行 分析。從20世紀 80年代開始，西方國家做了大量關于室內(nèi)顆粒物濃度的大規(guī)?，F(xiàn)場測試和研究。所有研究都發(fā)現(xiàn)，煙草煙霧是室內(nèi)環(huán)境中細顆粒的主要 來源6；烹調(diào)是室內(nèi)另一種重要的顆粒污染源，尤其是粗顆粒的重要來源；室 內(nèi)活動對顆粒物濃度的影響也很大，如吸塵打掃、走動和小孩的玩耍等對室內(nèi) 顆粒濃度也有重大影響，但其貢獻率相比則要小得多 9。另外，還有 7-26%的室 內(nèi)顆粒物不能解釋其來源 10。同時這些研究還發(fā)現(xiàn)，在沒有明顯室內(nèi)污染源的情況下，室外空氣則 是室內(nèi)顆粒物的最主要來源。文獻11對紐約州ERDA研究的部分數(shù)據(jù)進行了分 析，發(fā)現(xiàn)在沒有明顯室內(nèi)污染的情況下，室內(nèi).PM2.5濃度的60%70%

7、來自室外 污染源。即使在室內(nèi)有重要污染源（抽煙、烹調(diào)）的住宅，室內(nèi)PM10和PM2.5仍有 55-60%來自室外空氣 12。所以從室外遷移進入室內(nèi)的顆粒物對人體健康影 響有重大影響?？偟膩碚f，室內(nèi)環(huán)境中的懸浮顆粒物可能來自室外污染源（包括自然 源和人為源），也可能來自室內(nèi)污染源（抽煙、壁爐、烹調(diào)、吸塵打掃等室內(nèi) 活動引起的顆粒物重新懸浮等）。1.2 影響室內(nèi)顆粒物濃度的因素影響顆粒物濃度的因素很多，各個因素對顆粒物濃度的影響都不相 同。其中主要的影響因素如下：建筑物所采用的通風方式，使用過濾器的情況 及其效率，顆粒物的凝結、相變及相互之間發(fā)生化學反應生成新的顆粒物，顆 粒物的滲透與其自身的沉降

8、，室內(nèi)污染源散發(fā)出的顆粒等等。建筑物的通風方式有三種：機械通風、自然通風和滲透。機械通風和 自然通風都是人們有意識的通風，而滲透風則是不受人控制的、通過建筑圍護 結構的縫隙和裂縫進入室內(nèi)的。通風方式不同，則房間的換氣速度就不同，隨 空氣進出室內(nèi)的顆粒物及其濃度也就不同。對沒有空調(diào)器的住宅，室外空氣中 的細顆粒對建筑圍護結構的滲透率達 70%；而對有空調(diào)器的住宅，平均滲透率 也有 30%13 。此外，室內(nèi)空氣流通速度的差異，也會影響顆粒物在室內(nèi)的沉降 速度。顆粒物的沉降是室內(nèi)空氣中顆粒物減少的主要方式之一。顆粒物既可 以在空氣滲透到室內(nèi)的過程中沉降在建筑圍護結構和通風系統(tǒng)上，也可以直接 沉降在室

9、內(nèi)墻壁和其他物體表面上。不同條件下的顆粒物沉積速度也不相同。 室內(nèi)氣流速度、家具裝飾情況、物體表面粗糙度、物體表面與氣流之間的溫差 以及顆粒物的種類和大小等都會對顆粒物的沉積速度產(chǎn)生影響。顆粒物沉降機理主要有慣性碰撞、重力沉降和布朗擴散三種方式。慣 性碰撞是指在氣流流線發(fā)生彎曲，顆粒物由于慣性，不隨流線的彎曲而沉降在 物體表面。隨著顆粒物直徑的增大和氣流速度的增加，慣性沉降作用就越明 顯；重力沉降則是由于重力影響，顆粒物有一定的沉降速度，顆粒物的軌跡也 就偏離了氣體流線，從而接觸到物體表面而沉降 8 。重力沉降和慣性撞擊則是 1.0 微米以上顆粒物沉積的主要因素；布朗擴散是由于布朗運動，顆粒物

10、的運 動軌跡不與氣體流線一致，而從氣流中擴散到物體上，并沉降在物體表面。顆 粒物直徑越小，布朗運動越顯著，擴散沉降的效率也就越大。布朗擴散是決定 0.1 微米以下顆粒物沉積速度的主要因素。室內(nèi)顆粒物污染源作為室內(nèi)顆粒物的重要來源之一，對室內(nèi)顆粒物濃 度的貢獻相當大。而且，室內(nèi)污染源通常都是短暫的、間歇性的，導致室內(nèi)顆 粒物濃度波動很大。室內(nèi)活動如抽煙、烹調(diào)以及其它的燃燒現(xiàn)象直接產(chǎn)生顆粒 物，而走動、打掃和小孩的玩耍等會引起顆粒物重新懸浮。國外學者用不同的 方法研究了各污染源對室內(nèi)顆粒物粒度分布的影響，發(fā)現(xiàn)極細顆粒和粗顆粒主 要是由室內(nèi)活動產(chǎn)生。而文獻 14 通過測試也發(fā)現(xiàn)，打掃會增加 PM2.

11、5 的濃 度。此外，氣象條件也會影響顆粒物在室內(nèi)環(huán)境中的濃度。氣象條件則會改變 換氣速度，并且會隨著時間而變化。另外，是否采用過濾器對顆粒物的影響很大。使用過濾器大大地減少 了某個范圍的顆粒物的濃度，而過濾器的效率則決定了通過過濾器的顆粒物的 粒徑大小和數(shù)量。2 國際上的研究進展由于人類生命中大部分的時間是在室內(nèi)（住宅、辦公室或商場內(nèi)等） 度過的，室內(nèi)環(huán)境與人類健康關系最為密切，室內(nèi)成為人類顆粒物暴露的最主 要場所15 。但是對室內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測費時費力，而且費用昂貴，甚至在同一城 市的不同區(qū)域，室內(nèi)環(huán)境也可能大不相同。因此，盡管世界各國都建立了大氣 環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡，但沒有國家建立室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡

12、，而幾乎所有的流行病學研 究也都是以室外固定的環(huán)境監(jiān)測點測量的數(shù)據(jù)作為標準暴露值的。所以確定室 內(nèi)外顆粒物濃度關系成為了一個非常關注的研究課題。影響室內(nèi)外顆粒物濃度 關系的主要參數(shù)是顆粒物通過圍護結構的穿透因子，國際上對此展開了大量的 研究，本文主要介紹國際上該方面研究的進展。2.1 研究所采用的模型框架目前，國際上主要采用質(zhì)量平衡模型來研究室內(nèi)外顆粒物濃度關系， 認為室內(nèi)環(huán)境中的懸浮顆粒物的濃度是室外顆粒物進入和離開室內(nèi)空氣的速度 和顆粒物在環(huán)境中消除、轉變及重新散發(fā)等速度之間的平衡。一般而言，質(zhì)量 平衡方程表示容積為V的建筑在時間t內(nèi)的室內(nèi)顆粒物濃度C的變化，可以表示如下16 ：進入建筑的

13、室外顆粒物的質(zhì)量 離開建筑的室內(nèi)顆粒物的質(zhì)量 由于沉積、過濾和化學轉變等消除的顆粒物質(zhì) 量 重新懸浮、化學轉變和室內(nèi)污染源等增加的顆粒物質(zhì)量 2.2 關于穿透因子 p 的研究基于上述質(zhì)量平衡模型框架，國外很多研究者都建立了各自的模型來 研究室內(nèi)外顆粒物的濃度變化。雖然模型各有差異，但是所采用的模型的假設 和主要參數(shù)都是基本相同的，都假設顆粒物之間的化學反應緩慢，顆粒物的凝 結、相變以及相互轉變可以忽略；都認為顆粒物的濃度變化與換氣次數(shù)、顆粒 物的穿透因子 p 以及顆粒物的沉積率等顯著相關。換氣次數(shù)影響著顆粒物在室內(nèi)外流通，一般通過實驗測量得到，目前 都是采用示蹤氣體（如SF6或CO）來進行測量

14、。沉降是減少顆粒物的重要方 式，目前有很多關于顆粒物沉積率的實驗數(shù)據(jù)和眾多的理論模型。然而沉積率 對環(huán)境條件和顆粒物特性，如室內(nèi)氣流狀況、室內(nèi)陳設品的數(shù)量和種類、房間 內(nèi)表面面積與容積之比、空氣與物體表面溫差及顆粒物穩(wěn)定性等因素高度敏 感，各研究人員通過實驗測得的沉積率存在很大的差異。穿透因子 p 定義為滲透風穿過建筑圍護結構后的顆粒物濃度與穿透前 的濃度比值 17 ，表征顆粒物穿透建筑圍護結構的能力。國外已經(jīng)針對不同情況 下的穿透因子 p 進行了大量的實驗和理論研究。在早期主要采用實驗研究的方式，并且普遍認為顆粒物在室內(nèi)的沉積率相對于換氣速度來說很小，在模型中假設可以忽略沉積率，沒有同時測量

15、換 氣速度和沉積速度。這樣在沒有室內(nèi)污染源和室內(nèi)活動的情況下，就把穿透因 子等同于室內(nèi)外懸浮顆粒物濃度的比值。在沒有考慮顆粒物在室內(nèi)沉積的情況 下，文獻 18 中通過實驗發(fā)現(xiàn)，建筑圍護結構對空氣動力學直徑為 2 微米的孢 子沒有過濾作用；文獻 12 認為顆粒物的穿透因子為 0.7 ；文獻19 得到的亞 微顆粒的穿透因子為 0.4 ，對超細顆粒穿透因子為 0.2 。隨著研究的深入，人們逐漸開始認識到顆粒物沉積作用的影響，開始 在模型中考慮沉積效應。即使如此，各研究得到的顆粒物穿透因子仍然沒有一 致的結果。文獻20通過對無人逗留的住宅進行測試，得到 16微米顆粒物的 沉降速度在 0.64 至 4.

16、15m/h 之間，并計算出忽略沉積率時， 1 微米以上顆粒物 的穿透因子則在 0.2 到 0.6 之間；由于沉積作用的影響不可忽略，在考慮沉積 作用時，其穿透因子就都接近 1，因此推薦在所采用的模型中去除參數(shù)穿透因 子，從而簡化模型。文獻 9 中 Wallace 在美國環(huán)保署 PTEAM（ Particle Total Exposure Assessment Methodology ）研究所得的大量數(shù)據(jù)基礎上，通過 對質(zhì)平衡方程進行統(tǒng)計非線形求解，發(fā)現(xiàn) PM2.5和PM10的穿透因子都等于1。 文獻21 在實驗倉內(nèi)測試了顆粒物對七種不同材料的圍護結構裂縫（高度分別 為0.25mm和1mm深41

17、0mm的穿透因子，發(fā)現(xiàn)當裂縫高度為 1毫米時，粒 徑在 0.02 到 7 微米之間的顆粒全部穿過；而裂縫高度為 0.25 毫米，壓差大于 4Pa時，粒徑在0.1到1微米之間的顆粒全部穿過。這些研究結果意味著，室 內(nèi)環(huán)境中的室外顆粒物濃度的降低的主要方式是顆粒物在室內(nèi)的沉積效應，也 就是說建筑圍護結構不能對顆粒物起到任何過濾作用。然而，這與人的直覺相違背。其他研究者通過實驗等得到的結果認 為，圍護結構對顆粒物具有一定的過濾作用。文獻 22 將0.0210微米的顆粒 物分成 17個離散粒度，對美國波士頓地區(qū)九個無煙家庭進行了長達一周的室內(nèi) 和室外測試，并使用物理統(tǒng)計模型計算了各粒度顆粒物的穿透因子

18、，結果表明：PM2.5和PM10勺穿透因子通常都小于1。Koutrakis等對美國紐約州394 戶家庭進行了長達一周的 P M 2 . 5質(zhì)量取樣，在假設沉積速度為 0.18m/h 的情況 下，計算得出 8種顆粒物的穿透因子在 0.58 至1.04 之間23 。 Vette 等人采集 了 0.01 2.5 微米之間的顆粒物在室內(nèi)和室外的粒徑分布資料，發(fā)現(xiàn)所有粒度 顆粒物的穿透因子都小于1,而且在0.5至0.9之間24。Thomas等人對一個無 人且關閉HVAC系統(tǒng)的辦公室進行測試，發(fā)現(xiàn) PM1C主要來自于室外走廊的滲 透，對圍護結構的穿透因子為 0.69 到 0.86 25 。Mosley 等

19、人在實驗倉內(nèi)測量了單分散相顆粒物對狹窄的水平裂縫（高0.508mm深102 mm寬433 mm）的穿透因子，得到了不同壓差下 2微米和5 微米的顆粒物的穿透因子， 2微米的為 0.020.90， 5微米的顆粒也始終都小 于 126 。 De-Ling Liu 和 Nazaroff 利用實驗倉模擬了顆粒物通過窗戶的穿透因 子，發(fā)現(xiàn) 0.23微米的顆粒物可以有效地通過窗戶縫隙進入室內(nèi)，而其它粒徑 的顆粒物則絕大部分被圍護結構過濾掉了 27 。3 討論和建議從以上論述中可以看出，盡管大量的實驗和理論研究為進一步研究顆粒物的穿透因子打下了一定的基礎，但是不同研究人員得到的結果存在很大差 異。出現(xiàn)這些差

20、異，一方面是因為房屋和實驗條件不同；另一方面，因為穿透 因子并不能通過測量直接得到，而是根據(jù)質(zhì)量平衡模型計算出來，主要以室內(nèi) 外顆粒物濃度和實驗或模擬得到的沉積率作為模型參數(shù)，導致穿透因子對沉積 率有很強的依賴性。而這兩個物理參數(shù)通常是同一個數(shù)量級，并且?guī)缀跏峭瑫r 作用于顆粒物的。因此，得到沉積率的方法對穿透因子的影響非常大。而換氣 速度也同時影響著所測得的沉積率，所以沉積率和穿透因子是相互關聯(lián)的。如 果沒有更科學的測量方法或技術來有效地分離沉積率和穿透因子對室內(nèi)顆粒物 濃度的影響，要得到準確的顆粒物的沉積效率，就有必要在所采用的模型中引 入一個合適的相關性系數(shù)，從而使不同的研究得到一致的結論

21、。由于大部分的 研究都沒有考慮沉積率對穿透因子影響，目前還不能確定兩者的相關性系數(shù)的 范圍。由于模型所關注的是建筑圍護結構對顆粒物的過濾作用，所以考慮的 是只存在滲透風時室內(nèi)顆粒物的濃度變化。而在實際應用中，為了改善室內(nèi)空 氣品質(zhì)，很多時候都采用了 HVAC系統(tǒng)或自然通風。采用自然通風時，無論是在 室內(nèi)環(huán)境中還是在穿透建筑圍護結構過程，沉降仍是顆粒物減少的主要方式， 而換氣速度的改變導致室內(nèi)空氣流速改變，從而沉降速度也隨之變化。而且采 用自然通風使大量顆粒物未經(jīng)圍護結構的過濾直接進入室內(nèi)，使圍護結構對顆 粒物的過濾作用大大減弱。由于我們最終關心的是人們所處的室內(nèi)環(huán)境中顆粒 物濃度對人體健康的影

22、響，而不是在只有滲透風的特殊環(huán)境，所以在模型中還 應該考慮自然通風或HVAC系統(tǒng)等因素的影響。4結論大氣顆粒物質(zhì)量濃度與人體發(fā)病率和死亡率的顯著相關性已經(jīng)引起了 世界各國政府和相關研究機構、研究人員的高度重視，已經(jīng)開展了大量的實驗 和理論研究。然而室內(nèi)環(huán)境是人們顆粒物暴露的主要場所，而且室內(nèi)外顆粒物 濃度水平處于同一數(shù)量級。由于沒有條件直接對室內(nèi)環(huán)境進行監(jiān)測，因此建立 合適的數(shù)學模型，根據(jù)室外監(jiān)測數(shù)據(jù)和其它相關情況來預測室內(nèi)顆粒物濃度和 粒徑分布將可能是一種好的研究途徑。而對穿透因子和沉積率的研究是這種預 測方法的關鍵之所在。根據(jù)預測出的室內(nèi)顆粒物污染狀況，就可以制定出科學 的控制策略和控制標

23、準及合理有效的控制方法，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，從而減輕 室內(nèi)環(huán)境中顆粒物對人體健康的危害。參考文獻1 Pope C. A., Bates D. V., Raizenne M. E. Health effects of particulate air pollution: time for reassessment?J Environmental Health perspectives, 1995, 103: 472-4802 Dockery D. W., Pope C. A., Xu X. P., et al. An association between air pollution and mo

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