长春供暖季室内外PM2.5浓度垂直分布与分析*

白 莉 贺梓健 陈琬玥

(1.吉林建筑大学市政与环境工程学院，吉林 长春 130118；2.吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室，吉林 长春 130118)

PM2.5是城市环境的主要污染物[1]，近年来随着城市化进程的加快与经济的快速发展，由城市人口、建筑、工业与交通等因素导致的大气雾霾日益严重。特别在东北地区冬季温度低，供暖季燃烧煤炭、秸秆会产生大量颗粒物。同时大部分居住建筑的门窗与围护结构的气密性较差[2-3]，室外空气中PM2.5可轻易进入室内，导致室内PM2.5浓度增加，室内空气质量下降。PM2.5可通过呼吸作用进入人体，对人类健康有极大的潜在威胁。研究表明，人的一生超过80%的时间是在室内度过的[4]，长时间暴露于高浓度PM2.5的人群，肺炎、肺癌、心脏病及心脑血管的患病率会出现显著升高[5-11]。

居住建筑是人类最重要的庇护所，随着生活水平的提高，人们对健康居住环境的需求日益强烈。同时伴随城市人口的增加与土地资源的稀缺，密集化、高层化建筑已成为城市化发展的象征，其带来的城市环境问题同样不容忽视[12]。随着城市由“横向型”拓增转向“纵向型”增长，专家学者对不同高层建筑PM2.5的研究逐渐深入[13-16]。本研究以长春地区的高层居住建筑为研究对象，对其室内外PM2.5进行监测与分析，探究供暖季不同楼层PM2.5的浓度水平与变化特征。

1 研究方法

1.1 采样地点与时间

长春位于东北平原腹地，由于地理位置、汽车保有量持续上涨、供暖季较长、城市周边焚烧农作物等一系列因素，导致长春秋冬季节空气质量不理想。本研究于2019年1月，对长春绿园区竣工后使用2年的居住建筑进行室内外PM2.5监测。该建筑主体高度99.4 m，地下2层，地上33层。由于实验设备及条件的局限性，无法对全部楼层进行监测，本研究选择的监测楼层分别为1、8、15、24、33层，室内外监测点分别为居民家中的房间与露天防火通道。人员活动是室内颗粒物的主要来源[17-18]，为避免室内源对监测结果的干扰，监测期间尽量减少所监测的房间内人员活动并始终保持房间门窗紧闭。监测房间的相关信息如表1所示。

1.2 实验仪器

选取LD-6SR激光粉尘监测仪实现对PM2.5的监测，该仪器能有效减小湿度的干扰，采样流量为2 L/min，采样滤膜为Φ40 mm石英纤维滤膜。监测过程严格按照《室内空气质量标准》(GB/T 18883—2002)中关于室内PM2.5测点的相关规定，采样点布置在距外窗1 m、离相应楼层地面高度0.6 m处，每天监测时间为12 h(8：00—20：00)，采样时间为9 min，间隔为1 min。

1.3 方 法

采用随机组分重叠模型(RCS)的方法计算各楼层的渗透因子[19]。其计算公式见式(1)。

Cin=Finf×Cout+C0

(1)

式中：Cin为室内PM2.5质量浓度，μg/m3；Finf为PM2.5从室外进入室内的渗透因子；Cout为室外PM2.5质量浓度，μg/m3；C0为室内源产生的 PM2.5质量浓度，μg/m3。

由于所监测的房间绝大部分时间处于无人状态，且没有室内污染源，所以C0近似为0 μg/m3，故Finf计算见式(2)。

(2)

采用SPSS 24软件进行统计，采用方差分析方法检验不同楼层室内外PM2.5浓度的差异性，采用双变量回归分析方法分析室内外浓度之间的相关性，采用线性分析方法分析不同楼层与颗粒物浓度及渗透因子的相关性，运用逐步回归分析来检验室内PM2.5浓度与各因素之间的相关性，所有分析均以P<0.05作为判断差异有统计学意义的标准。

2 结 果

2.1 不同楼层室内外PM2.5浓度

不同楼层所监测的室内外PM2.5质量浓度变化曲线如图1所示。长春采暖季建筑室内外均存在PM2.5污染，且室外PM2.5污染更为严重。5个楼层的室外PM2.5浓度整体高于室内浓度，并且室内PM2.5浓度随室外的变化而变化。不同楼层室内外PM2.5浓度峰值、谷值波动变化曲线基本一致，但精细的变化曲线不完全相同。对各楼层监测数据进行相关性分析，5个楼层的室内外PM2.5浓度都具有显著的相关性(P<0.05)。

监测期间室内外PM2.5平均质量浓度如表2所示。高层建筑室内外PM2.5浓度总体变化趋势随着楼层的升高而降低，这一结论与文献[20]至文献[22]的研究一致。然而在15～24层之间，PM2.5浓度随着楼层升高呈递增趋势，24～33层又随之下降，董俊刚等[23]曾得出随着楼层增加，室外空气中总悬浮颗粒物呈现先减少后增加又减少的结论。不同楼层的室内外PM2.5浓度无显著性差异。经统计计算，1层室外PM2.5质量浓度相对较高((113.74±63.72) μg/m3)，33层质量浓度相对较低((112.25±63.80) μg/m3)。参照《环境空气质量标准》(GB 3095—2012)，当质量浓度≥75 μg/m3时定义为污染浓度，5个楼层的室外PM2.5浓度大部分时间处于超标状态，而室内PM2.5浓度也有部分时段存在超标。

表1 监测房间概况

注：01-09表示1月9日0:00，其余类推。图1 不同楼层室内外PM2.5质量浓度变化曲线Fig.1 Variation curve of indoor and outdoor PM2.5 mass concentration in different floors

表2 不同楼层室内外PM2.5平均质量浓度及渗透因子

2.2 不同楼层室内外PM2.5浓度关系

各楼层室内外PM2.5质量浓度线性回归曲线如图2所示。对室内外PM2.5浓度进行t检验后发现，各楼层的室内与室外PM2.5浓度均存在显著的相关性，这说明在没有室内污染源的情况下，室内PM2.5主要来源于室外PM2.5的渗透，这与文献[24]、[25]的研究结果一致。5个楼层的渗透因子分别为0.504、0.500、0.494、0.497、0.493，没有显著性差异(P>0.05)，说明所监测的高层建筑各楼层房间气密性趋近于相同。

2.3 室内PM2.5浓度影响因素

关于楼层地面高度与颗粒物浓度的关系说法较多，部分研究认为楼层地面高度会对室内PM2.5浓度产生影响，其两者之间存在一些关系[26]；部分研究认为两者之间不存在直接关系，而是与天气有关[27-28]。本研究对可能影响室内PM2.5浓度的变量进行逐步回归分析，其中室外PM2.5浓度为自变量，楼层、房间面积、房间体积、楼层地面高度、房屋朝向为协变量，分析结果如表3所示。除室内外PM2.5浓度有显著相关性外，与其他协变量均无显著相关性。室内PM2.5浓度与楼层、楼层地面高度存在微弱的负相关性,与房间面积、体积存在微弱的正相关。

以统计结果作为参考进行分析。随着楼层升高，室内外PM2.5浓度大致呈递减趋势的原因可能与近地面污染源较多，高层室外空气动力学条件充足有关[29]。处于近地面的较低楼层更容易受到汽车尾气、人员活动的影响，造成室外PM2.5浓度较高，进而影响室内空气质量。徐曼等[30]研究发现，静风天气时近地面PM2.5的累积尤为明显。当颗粒物与水气结合时，其质量变大，同时更易与其他颗粒物相结合，高空的颗粒物会在重力作用下沉降到低空位置，造成较低楼层的PM2.5浓度高于较高楼层[31]。本次监测结果显示，24层的室内外浓度高于15层与33层，这与PM2.5浓度与楼层呈负相关的结论产生矛盾。造成这一现象的原因可能是由于24层监测的房屋外窗朝向为南，其余4个楼层的房屋外窗朝向为北，而冬季风为东北风，朝南的房间处于背风处，不利于室外PM2.5浓度的扩散，进而造成室内浓度升高。

图2 不同楼层室内外PM2.5质量浓度线性回归曲线Fig.2 Linear regression curve of indoor and outdoor PM2.5 mass concentration in different floors

表3 影响室内PM2.5浓度的多因素分析结果

在供暖季，当雾霾天气出现时，室内PM2.5浓度升高，室内空气质量降低。房间面积、楼层、房屋朝向等因素无法改善室内空气质量。同时自然通风会造成室外PM2.5大量进入室内，加剧室内PM2.5污染，建议安装新风系统或使用空气净化器等方法，对室内PM2.5进行人为干预，来达到降低室内PM2.5浓度、提高室内空气质量的目的。

3 结 论

(1) 供暖期间，长春地区高层建筑的室内外PM2.5浓度水平较高。高层建筑室内外PM2.5浓度具有显著相关性，在没有室内污染源的情况下，室内PM2.5主要来源于室外渗透，不同楼层的渗透因子没有显著差异。

(2) 高层建筑的室内外PM2.5浓度随楼层增加大体呈现减小趋势，但差异并不显著；室内PM2.5浓度与房间面积、体积呈现不显著的正相关。