兰州市某办公建筑室内外 PPMM22..55 浓度变化特征及相关性分析

杨全兵，王公胜，康益宾（甘肃省建筑科学研究院有限公司， 甘肃 兰州 730070）

室内颗粒物浓度是评价室内空气质量的重要指标之一[1]。室内可吸入颗粒物（PM10）中细颗粒物（PM2.5）占主要部分，其对重金属、气态污染物有明显吸附作用，同时也是病毒和细菌的载体，对人体健康危害严重[2]。现代居民在室内活动的时间可达 90%，因此，研究室内外 PM2.5的变化特征对改善建筑室内空气质量尤为重要。

针对 PM2.5浓度的变化特征，樊越胜等[3]对陕西省西安市某办公建筑的室内外 PM10和 PM2.5的质量浓度进行了实时监测和线性拟合。赵力等[4]对北京市某办公建筑室内外PM2.5及 I/O 比值（室内外颗粒浓度比值）变化规律进行实时监测。张金萍等[5]探究了不同住所室内 PM2.5的浓度水平随室外颗粒物及室内污染源的变化规律。以上研究结果表明，室内外细颗粒浓度之间存在显著相关，室外颗粒物是室内污染的主要来源之一。

目前，我国室外环境监测系统及平台较为完善，但搭建室内环境监测系统的建筑较少，尤其是办公建筑。甘肃省兰州市城区地处黄河河谷，南北两山夹持，是典型的河谷型城市，不利于空气污染物扩散[6]。为进一步探究兰州市办公建筑室内空气品质，提出合理的通风策略，本研究基于兰州市某办公建筑，选取春、夏、冬 3 个季节为研究时段，分析对比在无机械通风条件下，建筑室内外 PM2.5质量浓度变化特征和 I/O 比值变化规律，以及其他气象参数与 PM2.5质量浓度的相关性。

1 试验方法

1.1 采样地点

选取位于甘肃省兰州市安宁区的某办公建筑为研究对象。建筑毗邻黄河，南侧为市政绿化带，周围无明显污染源，室外空气主要受交通排放源影响。室内空气质量监测点分别布设在 2 F 办公室、9 F 西侧电梯厅以及 12 F 公共会议室，自动监测装置安装在房间顶部。室外监测点布设在办公建筑楼顶，距离屋顶面高 2 m。其中 2 F 办公室建筑面积为40 m2，监测期间无办公人员；9 F 西侧电梯厅为主要办公用梯，人员流动性较大；12 F 公共会议室仅在举行大型会议时使用。

1.2 采样时间与方法

自动监测装置自 2019 年 9 月起开始采集数据，每天连续 24 h 对室内外 PM2.5质量浓度、干球温度、相对湿度，室外风速、风向等参数同时进行监测。监测按 1 次/30 s 取数据，取算术平均值作为该监测点的日均细颗粒浓度。根据数据采集情况，最终选择 2019 年 12 月、2020 年 4 月、2020年 6 月的监测数据作为分析对象。

PM2.5污染程度划分方法参照 GB 3095—2012《环境空气质量标准》及中国环境监测总站，划分为 6 级。具体PM2.5日均浓度值对应的空气质量等级如表 1 所示。

表1 PM2.5 日均浓度对应的空气质量等级

2 监测结果分析与讨论

2.1 不同季节室内外 PM2.5 浓度变化特征

2.1.1 不同季节室内外 PM2.5 污染水平

春季、夏季、冬季办公建筑室内外 PM2.5质量浓度的日均变化结果如图 1 所示。由图 1 可知，在不同季节，室内外PM2.5质量浓度变化趋势一致，其中 9 F 电梯厅由于人员活动频繁等原因，PM2.5质量浓度日小时均值普遍高于室外。办公楼室外 PM2.5日均质量浓度最大值为 86.09 μg/m3，出现在冬季；最小值为 3.57 μg/m3，出现在春季。室内 PM2.5日均质量浓度最大值为 93.69 μg/m3，出现在冬季；最小值为1.99 μg/m3，出现在夏季。按照 GB 3095—2012，I/O 比值可以直接反映室内外颗粒物的浓度关系[7]。分析发现，日均I/O 比值最大为 3.05，出现在春季（9 F 电梯厅）；最小为0.14，出现在夏季（2 F 办公室）。总体上，春季、冬季 I/O比值不同程度地高于夏季。原因可能是室外 PM2.5质量浓度较高时，可通过围护结构进入室内，成为室内细颗粒物污染的主导因素，此时 I/O 比值较小。当室内人员活动产生较大细颗粒物时，I/O 比值升高。

图1 不同季节室内外 PM2.5 质量浓度及 I/O 值

监测数据与 GB 3095—2012 二级标准 75 μg/m3相比，该办公建筑春季和夏季室内外空气质量较好，无超标。相比之下，冬季室内外空气质量较差，12 F 会议室、9 F 电梯厅、室外分别约有 50%、87%、73% 的时间 PM2.5质量浓度超过 35 μg/m3。其原因可能有以下几个方面。① 冬季气温较低，易出现逆温层，导致细颗粒物难以扩散。② 受采暖期影响，燃煤量显著升高。③ 夏季室外空气相对湿度较高，滨河路绿化环境良好，植被吸收和阻滞 PM2.5能力较强。

2.1.2 不同季节室内 PM2.5 日变化特征

办公建筑春季、夏季、冬季监测期间室内外 PM2.5质量浓度日间小时均值实测结果如图 2、图 3 所示。由图 2、图3 可知，春、夏季室内外 PM2.5质量浓度变化趋势类同，白天时段峰值均集中在 9:00～11:00，夜间时段峰值均出现在4:00～5:00。低谷值集中在 16:00～22:00，其中春季室外PM2.5质量浓度最小值出现在 19:00，室内会议室、9 F 电梯厅、2 F 办公室的最小值分别出现在 20:00、21:00、22:00；夏季室外 PM2.5质量浓度最小值出现在 16:00，室内 3 个监测点的最小值分别出现在 16:00、19:00、21:00。冬季室内外 PM2.5质量浓度日小时均值变化如图 4 所示。由图 4 可知，冬季室外内 PM2.5质量浓度日间小时均值总体呈现夜间高于白天的趋势。除 9 F 外，其他监测点的峰值均出现在00:00，低谷值集中在 22:00～23:00。夜间 PM2.5浓度较高可能是由于在夜间形成了温差效应进一步形成热岛环流[7]。

图2 春季室内外 PM2.5 质量浓度日小时均值变化

图3 夏季室内外 PM2.5 质量浓度日小时均值变化

图4 冬季室内外 PM2.5 质量浓度日小时均值变化

2.2 室内外 PM2.5 质量浓度相关性分析

利用“统计产品与服务解决方案”软件 SPSS（Statistical Product and Service Solutions） 对建筑室内外 PM2.5质量浓度进行相关性分析。经过 Pearson 相关系数（Pearson Correlation Coefficient） 检验，得到的结果如表 2 所示。由表 2 可知，在不同季节，室内外 PM2.5质量浓度之间均相关性显著，且为正相关（R＞ 0）。

表2 室内外 PM2.5 质量浓度相关性

室内外 PM2.5质量浓度线性回归如图 5 所示。由图 5 可知，监测期间，平均约有 49% 的室外 PM2.5通过建筑围护结构进入室内；当室外 PM2.5质量浓度＞40 μg/m3时，线性离散度变大。

图5 室内外 PM2.5 质量浓度线性回归

2.3 室外气象参数对室内外 PM2.5 浓度影响

2.3.1 气温及相对湿度影响

利用 SPSS 软件分析室内外 PM2.5质量浓度与温湿度之间的关系，结果如表 3 所示。由表 3 分析可知，不同季节室内外 PM2.5质量浓度与所处环境相对湿度变化规律类似，存在正相关性，即室内外 PM2.5质量浓度随室外空气相对湿度的升高而升高。相关研究显示，空气相对湿度有利于促进生成硝酸盐和硫酸盐等二次颗粒物，导致细颗粒物浓度升高[8]。不同季节不同室内空间 I/O 比值均与室内外相对湿度存在负相关性。

表3 不同季节室内外 PM2.5 质量浓度与温湿度关系

室内外空气温度与不同季节室内外 PM2.5质量浓度相关性较弱。春、夏季节，室内外 PM2.5质量呈现随气温的升高而减小的特征；冬季变化规律则相反。I/O 比值变化特征如下所示，春、冬季节，室内 I/O 比值与室内外空气温度存在负相关性；夏季室内 I/O 比值与室外空气存在正相关性，但这种相关性不显著。

2.3.2 室外风速影响

室外风速决定了室外空气悬浮颗粒物的衰减程度及其扩散范围。一般情况下，风速越大颗粒物扩散的范围越大，衰减程度越厉害，空气中的颗粒物浓度也越多，即风速与颗粒物浓度成反比[9]。不同季节室内外 PM2.5与室外风速关系如表 4 所示。由表 4 可知，无论什么季节，室外风速与室内外PM2.5质量浓度均存在较为显著的负相关性，而与室内不同空间 I/O 比值存在正相关性。

表4 不同季节室内外 PM2.5 与室外风速关系

3 结 语

本文研究了办公建筑不同季节（春季、夏季、冬季）室内外 PM2.5质量浓度的变化特征，分析了空气温度、相对湿度、室外风速对室内 PM2.5质量浓度的影响，得到了如下结论。

（1）监测期间，办公楼室外 PM2.5日均质量浓度最大值为 86.09 μg/m3，最小值为 3.57 μg/m3；室内 PM2.5日均质量浓度最大值为 93.69 μg/m3，最小值为 1.99 μg/m3。室内外 PM2.5质量浓度最高值均出现在冬季，最低值分别出现在春季和夏季。日均 I/O 值最大为 3.05，最小为 0.14，夏季I/O 比值明显低于冬季。

（2）监测期间，冬季室内外 PM2.5质量浓度水平高于春、夏季。冬季室内 12 F、9 F分别有 50%、87% 的时间PM2.5质量浓度为良，室外约有 73% 的时间 PM2.5质量浓度为良。

（3）春、夏季室内外日小时均值变化为白天（9:00～11:00）和凌晨（4:00～5:00）较高，低谷值集中在 16:00～22:00。冬季室内外日小时均值变化趋势为夜间高于白天，峰值在 00:00 左右，低谷值在 22:00～23:00。

（4）在不同季节，室外风速与室内 PM2.5质量浓度均存在较为显著的负相关性，与 I/O 比值存在正相关性。室内外空气相对湿度与室内外 PM2.5质量浓度呈正相关，与 I/O比值存在负相关性。室内外空气温度与 PM2.5质量浓度水平及其 I/O 比值的相关性整体上不显著，无统一变化特征。

本研究通过连续监测，进一步证实了室内 PM2.5质量浓度及 I/O 比值受室外空气污染源的显著影响，同时也验证了室外气象参数对室内 PM2.5质量浓度的影响特征。这为今后研究被测办公建筑通风方案，改善室内空气质量奠定了基础。