教室室内颗粒物浓度变化规律分析研究

刘鹏 吴倩倩

1 江西财经职业学院财税金融学院

2 马鞍山学院建筑工程学院

近年来，在秋冬季节，我国大部分地区雾霾天气频发。室外颗粒物即使在门窗全关的情况下，依然可以通过围护结构缝隙等开口渗透进入室内，造成室内环境严重污染，进而诱发人体呼吸道疾病的爆发。Sijan Z 等人研究发现，人体暴露在颗粒物污染的空气中可导致呼吸系统中产生过量的活性，从而造成局部细胞损伤并引发全身炎症反应[1]。Solaimani P 研究结果表明：人体暴露于颗粒物环境可能引起神经发育和神经退行性疾病的发生[2]。教室作为师生学习、工作的主要场所，由于人员密集、人员流动性大的特点，其室内环境对师生的身心健康影响巨大，因此对教室室内颗粒物浓度的监测研究至关重要。李旻雯对上海市某中学教室室内颗粒浓度进行监测，实验结果表明：即使在教室门窗全关的情况下，全年上课时间中有26%～42%的天数室内颗粒物浓度超标[3]。国内外对颗粒物浓度影响因素研究[3-6]结果显示：室内颗粒物浓度污染水平不仅受到室外颗粒物浓度的影响，而且与室内污染源、通风方式、环境因素等有明显的关联性。王清琴等人研究表明：室内颗粒物污染浓度水平受到室外颗粒物浓度、燃烧过程、吸烟、打印机、人员活动、烹饪、围护结构等多个因素综合影响[7]。然而现有针对高校教室室内颗粒物污染的研究起步较晚，研究数据较少。此外，已有的研究主要是依靠实验监测或CFD 模拟等单一方式进行研究分析，不能全面反映教室室内颗粒物污染情况。为此本文挑选南京市和马鞍山市两所高校22 间具有代表性的教室，采用门窗统计调查，问卷调查、实验监测、CFD 模拟等手段经过长达4 年的研究，综合分析环境参数、门窗启闭状况、室内污染源等对室内颗粒物浓度的影响程度、颗粒物浓度变化规律及分布，以期为建筑设计和环境污染防控提供了参考依据。

1 研究过程

1.1 研究对象

实验期间，进行大范围的门窗统计调查和问卷调查，分析门窗启闭状态和人员通风习惯，为实验监测和CFD 模拟提供数据支撑。通过对高校教学楼进行现场调研，分析高校教学楼常见建筑结构模式，挑选出具有代表性的教室作为实验监测和模拟对象。被挑选的教室模型如图1 所示。教室主要通过门窗开启进行自然通风，未布置空调和机械通风设备。

图1 教室模型

1.2 测试仪器

实验监测过程中使用的仪器主要有：粉尘仪（TSI8532）、光学粒径谱仪（TSI3330）、空气质量分析仪（EA80）、空气品质检测仪（TSI7575）气象站1 台（vantage pro2）。

1.3 实验方法

根据GB/T1883-2002《室内空气质量标准》的要求，在不同时段，对22 个教室内的颗粒物浓度、风速、温湿度等参数进行监测进行长期监测。

室内检测点布置高度1.2～1.5 m 的位置，室外测点布置在同一高度处。空气质量分析仪和气象站的数据记录时间间隔60 s，光学粒径谱仪和空气品质检测仪根据实验需要设置时间记录时间间隔为60 s 和1 s。

1.4 调查和模拟

对两所高校门窗启闭状态、通风时段等参数进行统计，共统计数量1456 间次。对高校学生通风行为进行问卷调查，共回收有效问卷500 份。在前期统计调查和实验的基础上，考虑到新冠肺炎疫情可能对学生座位距离的影响，在CFD 模拟时，采用人体分散坐开模型进行研究。

2 结果分析与探讨

2.1 调查分析

门窗统计调查结果如图2 所示：在冬季，随着气温的降低，门窗全关的概率逐月增加，而门窗全开和仅开外窗的概率逐月下降。三个月中仅开内门、廊窗的方式占比达到45%以上，明显高于其他三种门窗开启方式。图3 问卷调查结果显示：在秋冬季节，学生主观倾向于仅开启内门、廊窗（占比48.8%），用来改善室内空气质量，门窗全关和全开的诉求较低。在开窗时段选择上，56.2%的人倾向于6:00～10:00 开外窗。24.2%的人倾向于10:00～14:00 时间段。13.6%的人倾向于14:00～18:00 时间段。6.0%的人则倾向于18:00～22:00 时间段。

图2 门窗统计调查

图3 问卷调查

2.2 室内颗粒物浓度影响因素

对各教室室内颗粒物浓度与温度、相对湿度、风速等影响因子进行相关性研究，求解得到相关性系数平均值与标准差。从表1 中可以看出室外温度与室内颗粒物浓度呈现一定的正相关性，表明室外温度越高，室内污染也越严重。室内颗粒物浓度和室外湿度呈现一定的负相关性。这可能的原因是室外湿度较大时，有利于细小颗粒凝结合并成大颗粒物，最终沉降到地面，从而降低了室内颗粒物的浓度。室外风速、室内湿度和室内颗粒物浓度相关性系数较小，标准差也较大，相关性并不明确，需要进一步的实验数据分析。室内温度和室内颗粒浓度呈现极小的负相关性，相关系数标准差为0.91，表明室内温度和室外颗粒浓度的相关性也不明确。这可能是因为室内温度的变化受到室外环境、室内设备、人员等诸多因素的影响，因此室内温湿度和室内颗粒浓度之间的相关性较为复杂，标准差较大。

表1 各因素与室内颗粒物浓度相关性

2.3 室内外颗粒物浓度关系

窗启闭统计调查显示：在秋冬季节，教室内人员倾向于在8:00～20:00 时间段开启内门、内廊窗进行通风，其他时间段门窗全关。这种门窗启闭方式，频率最高，占到统计调查频率的85.16%。选取一个具有代表性的教室，在仅开启内门内廊窗的方式下，对室内外PM2.5 浓度进行监测。为了排除人体发尘的干扰，监测期间，教室内不留存任何人员。从图4 的监测结果可以看出，室内PM2.5 浓度明显低于室外浓度，室内外PM2.5 浓度变化规律呈现明显的一致性，但是室内PM2.5 浓度峰值出现时间滞后于室外浓度峰值约1 h。

图4 室内外PM2.5 浓度关系

I/O 值变化范围为0.51～0.94。表明在室内无明显污染源情况下，室外颗粒物是室内颗粒物污染的最大来源，同时门窗有一定的防护作用，浓度变化规律况明显滞后于室外。

2.4 擦黑板对环境的影响

为了排除室外浓度干扰，在教室室内外颗粒物浓度较为稳定的时段，对擦黑板这种行为进行实验研究。实验结果显示：持续檫黑板10 s 后（模仿正常檫黑板行为），实验结果显示PM2.5 浓度大小几乎没有发生变化。为了进一步的研究檫黑板对室内颗粒物浓度的贡献，进行第二次实验，增加了檫黑板的持续时间为180 s。从图5 中可以看出，擦黑板前室内外PM2.5 浓度较为稳定，平均浓度为118 μg/m3，擦黑板后浓度瞬间增加到129 μg/m3，增长了12.2%，并且在此后较长时间内维持这个浓度范围。对擦黑板前后，各粒径范围的颗粒物计数浓度分析发现0.5～10 μm 的颗粒物有轻微的上升，而其他粒径范围没有明显变化。综上所述，擦黑板这种行为对室内PM2.5 质量浓度影响不大，其中0.5-10 μm 粒径颗粒物对室内颗粒物浓度贡献较大。

图5 擦黑板对室内颗粒物浓度影响

2.5 扫地对环境的影响

在研究扫地这种行为对教室颗粒物浓度影响时，教室内仅有2～3 名实验人员，在室内外浓度较为稳定时段进行实验。实验过程中，在室内外浓度较为稳定阶段，扫地2 次，持续时间各600 s。从图6 中可以看出，第一次扫地后室内PM2.5 浓度从平均浓度为108.1 μg/m3暴增到最高180 μg/m3，瞬间增长66.5%。第二次扫地，从从平均浓度为121.3 μg/m3暴增到最高192.3 μg/m3，瞬间增长58.5%。两次扫地期间PM2.5浓度短时间内出现多次波峰波谷，这可能与扫地过程一直在移动位置有关。扫地后，颗粒物浓度维持在125.1 μg/m3这样一个较高的浓度范围。对粒径进行分析发现，小于0.5 μm 粒径的颗粒物计数浓度数量级虽然较大（104个/cm3），但是扫地前后，计数浓度波动很小。2 次扫地前后0.7～5.0 μm 粒径颗粒物计数浓度有较大变化，5.0～10 μm 粒径有小幅变化，其他粒径范围没有明显变化。综上所述，扫地这种行为，能在短时间内增大室内PM2.5 浓度，并且在较长时间段内维持较高的污染水平。扫地这种行为对0.7～5.0 μm 粒径颗粒物污染贡献较大。

图6 扫地对室内颗粒物PM2.5 浓度影响

2.6 开窗方式对PM2.5 浓度的影响

根据前期门窗调查结果，研究门窗全关、仅开廊窗、仅开内门、门窗全开四种通风方式对室内颗粒物浓度的影响。实验期间教室内不留存任何人员。从图7中可以看出，虽然室外浓度变化波动范围较大（甚至室外有短时间的移动污染源干扰），在教室室内门窗处于门窗全关、仅开启廊窗、仅开启内门这三种方式时，教室室内浓度明显低于室外浓度，并且维持在较为稳定的阶段，波动范围不大。当教室门窗全开后，室内浓度瞬间增大，并且此后在较短时间内室内外PM2.5 浓度变化规律趋于一致，由此可见建筑围护结构对室内颗粒物有一定的防护作用，内门、内廊窗由于与室外有一定的隔绝，对室内颗粒物浓度影响不大，而外窗作为颗粒物进入室内的重要通道，其启闭状态对室内颗粒物影响巨大。

图7 门窗开启方式对室内PM2.5 浓度影响

2.7 模拟颗粒物浓度分布

根据门窗统计调查和实验分析结果，采用CFD 软件，选择教室门窗启闭频率最高的方式（仅开内门和廊窗），在室外颗粒物污染严重的时段（室外风速0.5 m/s，PM2.5 浓度125.3 μg/m3），模拟颗粒物通过外窗缝隙渗透进入室内的分布情形。图8 模拟结果显示，室内颗粒物浓度分布差异较大，从外窗到内门、廊窗处，浓度呈明显的阶梯衰减，离外窗1.2 m 范围内PM2.5 浓度最高（平均浓度103.1 mg）。在高度方向PM2.5 浓度分布差异较小，各高度处PM2.5 平均浓度I/O 值在0.83～0.45 范围波动。内门附近PM2.5 的浓度最低。人体呼吸高度处（1.3 m）靠近走廊侧的空气相对清洁。

图8 PM2.5 室内浓度分布

3 结论

本文采用调查、实验监测、CFD 模拟等方式对教室室内外的颗粒物浓度及分布进行研究。研究的结果表明：

1）室内颗粒物浓度与室外温度呈现一定的正相关性，与室外湿度呈现一定的负相关性。

2）在门窗全关状态下，室内无明显污染源时，室内外PM2.5 浓度变化规律具有明显的一致性。

3）擦黑板和扫地这两种行为产生的主要颗粒物粒径不同，扫地能在短时间内加剧颗粒物浓度浓度，并在此后较长时间内维持较高的污染水平，而擦黑板对颗粒物浓度贡献较为轻微。

4）PM2.5 浓度在室内分布有较大差异，呈现阶梯性衰减，各高度处PM2.5 平均浓度I/O 值在0.83～0.45范围波动。