基于空气负离子浓度的城市环境空气清洁度评价

王薇 ，余庄，冀凤全

1. 安徽建筑工业学院建筑与规划学院，安徽 合肥230022；2. 华中科技大学建筑与规划学院，湖北 武汉430074

空气负离子具有杀菌、降尘、清洁空气、提高免疫力、调节机能平衡的功效，因而被誉为“空气维生素和生长素”[1]。它是德国科学家Elster和Geital于1889年首次发现的。1902年Aschkinass和Caspari等肯定了空气负离子存在的生物学意义，1931年一位德国医生发现了空气负离子对人体的影响，1932年美国CRA公司的汉姆逊发明了世界上第一台医用空气负离子发生器，此后空气负离子的科研在一些发达国家普及。我国对空气负离子的研究起步较晚，1978年由伊朗沙哈瓦特博士引进的一台电子仪器——生物滤器(biological filter)，即是我国负离子发生器的前身，开启了我国对空气负离子的研究工作；历经20世纪80年代初和90年代初2个负离子的研究发展高潮[2]，取得了许多研究成果。在这些科研工作中，空气负离子浓度的研究主要集中林业工作者和医学工作者之列，他们关注人为干扰和自然环境中空气负离子水平以及空气负离子在医疗保健中的作用及其机理、空气负离子资源的开发利用等[3]方面。

随着以煤炭为主的能源消耗的大幅攀升和机动车保有量的急剧增加，现行的《环境空气质量标准》已不能完全适应空气质量管理要求。面对逐渐恶化的环境状况，人们在世界范围内掀起了一股空气负离子研究的热潮，开始了空气负离子与环境关系的研究。目前，国内外关于空气负离子的研究内容主要包括不同城市绿地结构、不同植被类型、不同树种、不同生态结构、城市森林结构等不同生态环境对空气负离子浓度的影响，以及森林旅游资源评价中空气负离子研究等[4]。研究发现，空气负离子浓度越高，空气越清洁，感觉就越舒服；空气负离子含量少，且正、负离子浓度比例大，空气就越差[5]。因而在环境评价中，空气负离子浓度被列为衡量空气质量好坏的一个重要参数[6]，又称为空气清新程度的指南针。

空气负离子的含量水平已作为公园建立森林浴场、森林别墅区、度假疗养区、负离子吸收区的重要依据[5]。但是城市和建筑环境中的空气负离子研究属于应用基础研究，在我国尚无系统的研究，处于初步探索阶段。根据国内外学者的研究并结合学科特点，本文课题组开展空气负离子与城市室内外空气质量的研究，通过观测分析自然环境和城市环境的空气负离子浓度、热环境主要影响因子以及周边环境因子等数据，利用单极系数和安倍空气质量评价指数进行分析，旨在找出街区城市适宜的规划布局、建筑空间形态、建筑外部形体和材料以及下垫面类型等，从而在城市的规划层面，进行符合气候和生态资源运行状态的设计，不仅可以形成较好的城市空气质量，同时对于优化城市生态环境和城乡规划建设的水平有着重要的意义。

1 研究概况及方法

1.1 研究对象概况

根据2011年10—11月对城市居住区环境和办公楼室内环境进行空气负离子浓度的测定。

1.1.1 城市居住区环境

安徽省合肥市属亚热带湿润季风气候，全年气温夏热冬冷，春秋温和，年平均气温15.7 ℃。测试区域选取高层小区、多层小区、低层高密度小区等3种具有代表性的不同居住模式小区。观测期间气象稳定，晴天，平均气温在21 ℃左右。

1.1.2 办公楼室内环境

广东省深圳市龙岗区某办公楼地处亚热带季风气候，雨热同期，降水充沛，夏季高温多雨，冬季寒冷少雨。最热月平均温一般不超过30 ℃，最冷月平均温一般不低于10 ℃。

该办公楼总裁办公室位于顶层走道尽端，采用可再生能源技术制冷，可再生能源是一种清洁且可持续利用的能源，在环境日益恶化的情况下，促进可再生能源应用是节约能源、减少排放的最佳途径。即将采集的地下冷热源（室内地板散热器的循环水与地下冷热源集水管中的水进行循环）来调节进入室内的新风温度，并通过与新风冷热交换系统进行热交换；然后，收集建筑内部已经使用后的废风，与新鲜空气交换热量后，排出室内[7]。

普通办公室则采用空调制冷，无新风进入。底层门厅无空调设备，为自然通风状态。

1.2 研究方法

主要观测项目有空气正、负离子浓度、风速、空气温度、相对湿度、室内空气等。空气正、负离子浓度（个/cm3）用日本原产的KEC-990负氧离子测试仪，距地面1.5 m处，与成人呼吸高度基本一致。用KEC-R2型高智能记录仪使之与PC相连，实时显示空气正、负离子浓度与温度并记录。每天9:00—15:00进行观测，每次采气10 min，其中5 min负离子和5 min正离子，间隔1 s读数1次，每次取前50个极值计算平均值；温度和风速每次采气10 min，间隔1 s读数1次，取平均值；空气相对湿度每次采气5 min，取平均值。

1.3 评价方法

目前国内外对空气负离子的评价还没有统一的标准，常规采用单极系数和安培空气质量评价系数这2个应用最广的评价指标，课题组根据测定的空气负离子浓度数据，对单极系数和安倍空气离子评价指数进行了分析。

1.3.1 单极系数（q）

在正常大气中，空气正、负离子浓度一般不相等，这种特征被称为大气的单极性[6]。单极性用单极系数来表示，即空气中正离子与负离子的比值，即q=n+/n-。单极系数越小，表示空气中负离子浓度比正离子浓度高得越多，对人体越有利。日本学者研究表明，当n-大于1000个/cm3，且q值小于1时，空气清洁舒适，对人体健康最为有益[6]。

1.3.2 安倍空气质量评价系数（CI）

日本学者安倍通过对城市居民生活区空气离子的研究，建立了安倍空气离子评价指数[8]。安培空气质量评价系数反映了空气中离子浓度接近自然界空气离子化水平的程度，即CI=（n-/1000）×（1/q）[9]。

CI——空气质量评价指数；n-——空气负离子浓度（个/cm3）；q——单极系数；1000——满足人体生物学效应最低需求的空气负离子浓度（个/cm3）。

空气质量评价指数把空气负离子作为指标，同时又考虑了正、负离子的构成比，较为全面和客观，因此，在国外的城市空气离子评价中已经得到了广泛的应用[10]，其评价标准见表1，按空气清洁度指数可以将空气质量分成5个等级。

表1 空气清洁度与空气质量评价指数（CI） Table 1 Air cleanliness and air quality assessment index (CI)

2 实测分析

2.1 实验结果

2.1.1 自然生态环境

2011年9月22—28日期间，课题组对不同自然生态环境场所的空气负离子浓度进行观测研究，观测结果见表2。由表2可以看出，地面上的空气负离子浓度随着地理环境因素（瀑布、海边、峡谷等）不同差别很大，但不因地域变异，即只要具有相似的地理环境因素都呈现出规律性的分布[11]：瀑布比海边高，山林比平地高，郊外比县城高，有水的地方比无水的地方高，有植物的地方比无植物的地方高，其中瀑布口的空气负离子含量最高，从高到低的排序为：瀑布＞海边＞峡谷＞溪流＞县城。

表2 自然生态环境的空气离子浓度与风速、湿度、气温观测记录 Table 2 Measurement record of air ion concentration and wind speed, relative humidity, air temperature in natural environment

2.1.2 城市居住区环境

观测结果见表3。低层高密度、多层和高层代表目前城市居住区中比较典型的3种居住模式，空气负离子浓度随着不同居住模式而呈现不同变化。其中低层高密度居住区的空气负离子含量最高，达到289 个/cm3，从高到低的排序为：低层高密度居住区＞多层居住区＞高层居住区。

2.1.3 办公楼室内环境

观测结果见表4。普通办公室在自然通风状况下空气负离子浓度最高，平均值为806 个/cm3，机械通风（普通空调制冷）状况下则最低，平均值为147 个/cm3。在室内温湿度较舒适的情况下，总裁办公室的空气负离子浓度最大，平均值769 个/cm3，比普通空调制冷房间的高出5倍多。

由此可见，自然通风状态下的空气负离子比机械通风状态下的要高，可再生能源技术制冷的室内空气负离子比普通空调制冷的要高，而放置空气负离子发生器对室内空气负离子浓度有明显增大作用。据有关研究表明，空气负离子浓度达到700 个/cm3以上时有益于人体健康。因此，总裁办公室和自然通风状态下的办公室内空气负离子浓度对人体健康有益。

2.2 结果分析

2.2.1 城市室外环境评价

表3 城市不同模式居住区空气离子浓度与风速、湿度、气温观测记录 Table 3 Measurement record of air ion concentration and wind speed, relative humidity, air temperature in different settlement patterns of urban residential areas

表4 办公楼室内各观测点空气离子浓度与风速、湿度、气温观测记录 Table 4 Measurement record of air ion concentration and wind speed, relative humidity, air temperature in different office interior environments

空气负离子浓度的大小是空气清新程度的指南针。空气负离子的含量水平已作为公园建立森林浴场、森林别墅区、度假疗养区、负离子吸收区的重要依据，对游客有很大的吸引力[5]。根据课题组前期对自然生态环境的测试可以看出，自然生态环境明显高于城市居住区环境，在有水和绿化环境丰富的地方，空气负离子浓度很高，尤其瀑布的空气负离子浓度最高，平均值达到26500 个/cm3，空气质量最清洁，超过最高等级标准值370倍以上。这是由于瀑布口的Lenard效应强烈，产生的空气负离子影响距离最远[12]，水速流动的越快，空气负离子浓度越高，空气就越清洁。而城市作为人口聚集区，尘埃、废气、各种微粒组成的气溶胶等污染物含量较高，这些物质与空气负离子结合，影响了空气负离子的存活时间；同时城市中的树木和绿地明显少于县城和自然环境，市区内的路面多以水泥和沥青路面为主，阻隔了来自土壤的电离源[13]，从而空气质量大大下降。

城市居住区环境的安倍空气质量评价情况如表5所示，低层高密度居住区空气质量最好，达到最清洁等级，不仅具有高负离子含量，同时也具有适宜的温湿度，对人体健康有利，适宜居住。而高层居住区的空气质量最差，为重污染级别。这是由于高层居住区容积率高，建筑群在空间布局较为紧凑，景观格局不如低层或者多层住区理想，而人口密度又相对较大，树木绿化率低于低层高密度居住区，因而空气负离子损失消耗增多，空气正离子浓度增大，空气质量下降。研究发现，适宜的温度、湿度以及风速能提高空气负离子浓度，同时绿化好的地方负离子浓度也高，这主要是由于树叶的尖端效应和树木产生的萜烯类物质具有增加空气中负离子的功能[5]。

2.2.2 城市室内环境评价

由表6可见，总裁办公室的单极系数为1.62，空气质量评价指数为0.47，空气质量允许；普通空调制冷的办公室的单极系数最高，达到2.69，空气质量重污染；房间内放置负离子发生器后明显降低，单极系数为最小值0.58，空气质量达到中等清洁以上。由此可见，自然通风或者有新风进入的室内单极系数小，空气清洁舒适，人们在室内有一定的舒适感；放置负离子发生器的室内空气质量和空气清洁度具有显著改善。这是因为：一是当空气负离子浓度增大时，空气正离子浓度也会增大，随着新风的不断进入，空气负离子浓度增大的幅度要比正离子浓度增大的幅度大很多[6]；二是普通空调制冷在送风前有冷却或加热、加湿、滤尘等处理，这种通风措施对于改善微小气候有一定的效果，但在滤尘的同时也滤掉了空气负离子[5]。

研究表明，长期在空调环境中工作，眼—脑—手反应相对迟钝，会使人们的神经系统受到一定程度的损害，易发生“空调综合症”，不易于人体的健康[10]。2011年10月29日，在合肥市某高层居住区一门窗关闭的客厅内测得单极系数达到21.7，而同时在打开门窗的状态下测得的单极系数有所减小。

表5 自然生态环境和城市居住区环境下空气离子浓度与空气质量评价指标 Table 5 Assessment of air ion concentration and air quality in natural environment and urban residential environment

表6 各测试房间的空气负离子浓度和空气质量评价指标 Table 6 Assessment of air ion concentration and air quality in different office interior

目前，越来越多的人们在封闭的空调环境下工作，室内环境由于空气负离子浓度低，常常使长期在这一环境内工作的人员有头痛、恶心、眩晕、昏睡的感觉。据有关报道，在南非一家银行数据处理室工作的91名女职工每天处理大约2亿英镑的支票，2年的统计表明，她们的工作出错率一直在2.5%左右，工作人员经常抱怨空气“沉闷”，但安装了空气负离子发生器6周后，出错率下降到0.5%，职员的情绪也有很大提高[5]。观测中放置负离子发生器后办公室内空气质量大大改善，空气负离子含量比普通空调办公室增大2倍多，空气质量最好。这是由于负离子发生器大多采用高压放电方式产生负离子，这种产生负离子的方法虽然与自然环境中负离子发生的方式不同[14]，但是能大大增加空气中负离子浓度，从而提高空气质量，同时刺激人们的兴奋点，提高工作积极性和工作效率。

3 结论与建议

3.1 结论

（1）空气负离子浓度由城市中心—郊区—乡村呈逐渐增大的趋势，同时空气负离子浓度增大的速度大于空气正离子。

（2）有风时空气负离子含量比无风时高，且风速与空气中负离子浓度成正相关。

（3）水与空气负离子的高低有密切的关系，尤其动态水能显著增加周边环境的空气负离子浓度。

（4）植物零星分散配置容易降低植物群体的生态效益[15]。

（5）相对湿度与空气负离子具有良好的相关性。适宜的温度、湿度以及风速会使人感到舒服，从而有益于人体的健康。

3.2 建议

随着全球气候变化和城市办公自动化的逐步更新，使得室内外的空气负离子浓度逐渐降低。空气负离子浓度的大小直接影响室内外空气清洁度和空气质量，因此，通过提高室外内负离子浓度来创造舒适的空气环境越来越引起人们的重视。

（1）空气负离子浓度为居住区规划设计提供科学依据。随着城市经济发展、人口增长以及城市建设，需要关注如何通过合理的城市布局和空间配置来缓解因城市化引起的城市生态环境问题，因而建议针对不同居住模式的小区，从规划和设计的角度开展空气负离子浓度与气候变化因子、不同规划布局和设计方法等之间的观测研究，从而为综合地评价城市居住区生态环境状况提供科学依据和设计思路。

（2）空气负离子浓度列为室内环境的监测和评价指标。空气负离子在密闭式空调（或机械通风）场所，由于空气经过滤后，负离子浓度大大衰减，所以对这样的环境，应增加负离子浓度作为监测和评价指标，如果发现浓度过低时，应采取适当措施来增加舒适度[16]。

3.2.3 在城市中心和高密度居住区要扩大绿地或多开发绿地，在植物配置时尽可能地集中片状配置[17]，并采用复层结构，即乔木、灌木、草类等组合。同时减少不必要的硬质广场或铺装，适当增加喷泉和活动水面等，以减少空气污染，提高空气质量，构建理想的城市景观格局，为居民提供良好的生活环境。

3.2.4 加强自然通风和主导风向的引导，使周边负离子浓度增大，调节室内外生态和热量循环，有效地改善室内外微气候和舒适度，达到建筑节能和和谐自然室内外环境的共生要求[7]。尤其在封闭的场所设置有效的通风系统和人工离子化设备，采取加强通风换气、改善室内绿化以及合理布置办公设备等措施，送入负离子多的空气，创造适宜的温度、湿度以及风速，从而改善室内空气清洁度和室内工作环境，提高工作人员的积极性和身心健康。

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