季节性测量和长期监测下的中国室内空气质量和居住者的通风习惯

本文译自:JunjieLiu, Xilei Dai, Xiangdong Li, Susu Jia, Jingjing Pei, Yuexia Sun, Dayi Lai,Xiong Shen, Hejiang Sun, Haiguo Yin, Kailiang Huang, Hongwei Tan, Yao Gao,Yiwen Jian. Indoor air quality and occupants' ventilation habits in China:Seasonal measurement and long-term monitoring; Building and Environment 142(2018) 119-129;

1、介绍

室内空气污染对人们的舒适度、健康和工作表现有显著影响

[1]

。甲醛和PM

2.5

是影响人体健康的常见污染物。以往的研究表明,暴露在高甲醛浓度的环境中,人的眼睛和鼻腔将受到刺激

[2,3]

,长期暴露会增加患癌症的风险

[4,5]

,暴露在PM

2.5

浓度高的环境中,会导致人患慢性呼吸道疾病

[6]

和肺癌

[7]

。尽管CO

2

对人类健康没有直接影响,但室内高CO

2

浓度与生物体体味有关

[8]

。关于室内PM

2.5

、CO

2

和甲醛浓度的研究虽然较多,但以往的研究未覆盖全年

[9-11]

。长期监测这些污染物至关重要,因为它们在室内环境中的浓度随时间变化而变化。通风是稀释室内污染物浓度的一种好方法。住宅主要有自然通风和机械通风两种类型。每天的开窗时间和通风系统的运行时间是评估自然通风和机械通风效果的关键因素。

本文的调查包括:(1)对室内PM

2.5

和CO

2

浓度进行长期监测; (2)监察居住者开窗及使用机械通风系统的行为; (3)各季节渗透率和甲醛浓度的季节性测量。

2、主要结论

(1)室内日平均PM

2.5

浓度的中位数范围为18至49μg/m

3

,且室外PM

2.5

浓度对室内PM

2.5

浓度有显著影响。

(2)居住者的通风习惯影响了室内CO

2

浓度。在冬季,中国北方居民每天开窗的时间比南方的居民要短,因此,中国北方冬季室内CO

2

浓度通常高于南方。

(3)在自然通风的住宅中,从北方到南方,冬季每天的开窗概率和开窗时间均增加。而在机械通风的住宅中,居住者主要在冬季和春季使用通风系统。

(4)在正常条件下,大多数住宅的甲醛浓度低于100μg/m

3

。因此,在窗户关闭的时候,更应多注意室内甲醛污染问题。

3、实验方法

(1)采样位置和大小

用于季节性测量和长期监测的住宅的位置如图1所示,目标房屋覆盖了中国的五个气候区,即严寒地区、寒冷地区、夏热冬冷地区、温和地区以及夏热冬暖地区。在为期一年的季节性测量中,我们测量了224个住宅的室内甲醛浓度和渗透率。对于长期监测,我们在选定的126个住宅内安装了在线监测传感器,这些住宅也覆盖了中国的所有气候区。根据各气候区住宅数量的多少来确定该区域的样本数量。夏热冬冷区的住宅数量最多,所以这个区域的样本量也最大,而温和地区的样本数量是最少的,因为该区域中的住宅数量最少。根据目标样本大小,随机选择在每个气候区分布的住宅。用于长期监测的住宅大多选自用于季节性测量的住宅,这些住宅的通风包括自然通风和机械通风这两种常见的通风类型。在自然通风住宅的卧室内安装了窗户状态传感器,在机械通风住宅的通风管道进出口安装了通风系统传感器。

图1 各样本位置及大小

(2)长期监测

本文使用室内空气质量(IAQ)传感器监测室内的PM

2.5

和CO

2

浓度,并且从室外空气质量网站得到室外的PM

2.5

浓度。窗户状态传感器用来监测居住者的开窗和关窗行为。机械通风系统传感器可对机械通风系统的运行参数进行监测,该装置能够监测系统中进出口空气的相对压力,当相对压力大于3Pa时,本文认为机械通风系统处于工作状态。

(3) 现场测量

室内甲醛浓度采用中国国家标准推荐的室内甲醛浓度测定方法—分光光度法测定。根据标准,样品流量为0.5L / min,采样时间为20min。本文测量了在封闭条件和正常条件两种条件下室内的甲醛浓度。封闭条件是指采样前和采样过程中门窗已关闭超过12h,因为中国人倾向于在睡觉的时候关上窗户

[12]

,所以这能让我们评估最坏的夜间情况。而正常条件是指不对居住者的门窗开启行为进行干扰,这样能观察到真实的甲醛暴露水平。

人们倾向于在冬季和夏季关闭窗户,对于自然通风的房屋,室外空气只能通过渗透进入。因此,本文采用CO

2

衰减法测定这两个季节的渗透率。在测量之前,CO

2

被注入门窗关闭的房间,直到浓度超过2500ppm。每个房间都有一台风扇,以确保CO

2

浓度均匀。之后,在1min的时间间隔内连续测量CO

2

浓度,再计算渗透率。

4 结果和讨论

(1)室内日平均PM

2.5

浓度的中位数范围为18至49μg/m

3

,且室外PM

2.5

浓度对室内PM

2.5

浓度有显著影响。

如图2所示,中国南北方之间PM

2.5

浓度的差异并不十分显著,日平均PM

2.5

浓度中位数范围为18μg/ m

3

至49μg/ m

3

。其中乌鲁木齐,哈密和长江三角洲地区的室内PM

2.5

浓度明显低于室外,这是因为有空气净化设备的家庭比例较高。考虑到IAQ传感器的准确性,对于室内和室外日平均PM

2.5

浓度差值小于6μg/ m

3

的地区,本文认为室内和室外PM

2.5

浓度是相同的。

图2  不同地区的室内和室外日平均PM

2.5

浓度

图3显示了2017年1-12月期间各个地区的室内PM

2.5

浓度。可以看出,在春季和夏季,日平均PM

2.5

浓度低于世界卫生组织的PM

2.5

过渡时期目标(75μg/ m

3

[13]

。此外,在乌鲁木齐,哈密,长江三角洲和昆明地区,春夏季节的平均浓度上限置信区间低于75μg/ m

3

,这表明室内空气质量相对较好。对于大多数地区,冬季PM

2.5

浓度高于其他季节。除长江三角洲外,所有地区冬季PM

2.5

平均浓度上限置信区间大于75μg/ m

3

图3 不同季节室内日平均PM

2.5

浓度(其中点代表每组的平均值,须代表95%的置信区间,昆明没有夏秋季节,深圳、广州、南宁和玉林没有冬季。)

(2)居住者的通风习惯影响了室内CO

2

浓度。在冬季,中国北方居民每天开窗的时间比南方的居民要短,因此,中国北方冬季室内CO

2

浓度通常高于南方。

图4显示了不同季节不同地区的室内日平均CO

2

浓度。中国国家室内空气质量指南要求室内二氧化碳浓度低于1000ppm

[14]

。虽然各地区平均CO

2

浓度低于1000ppm,但大多数区域的上限置信区间都高于1000ppm。在大部分北方地区,包括乌鲁木齐和哈密地区、沈阳和营口以及天津地区,夏季室内二氧化碳浓度最低,冬季最高。这说明在中国北方,夏季可能比其他季节更适合自然通风。然而,西安四季的CO

2

平均浓度几乎保持不变。在中国南方,除长江三角洲,武汉和长沙地区外,其他地区室内CO

2

平均浓度在整年几乎保持不变,且平均浓度低于650ppm。

图4  不同季节室内日平均CO

2

浓度

(3)在自然通风的住宅中,从北方到南方,冬季每天的开窗概率和开窗时间均增加。而在机械通风的住宅中,居住者主要在冬季和春季使用通风系统。

表1列出了不同气候区的居民在冬季每天开窗的概率。这些结果表明,严寒地区居民开窗的可能性最低,而夏热冬冷区和温和地区居民开窗的可能性最高。总体而言,随着室外环境变暖,冬季开窗概率由北向南增加。

表1   不同气候区的居民在某天的开窗概率

严寒地区

寒冷地区

夏热冬冷地区

温和地区

概率

0.68

0.73

0.83

图5给出了天津某机械通风住宅内相对压力的时间序列。由于相对压力处于波动状态,本文采用局部加权线性回归得到相对压力随时间的总体趋势。通过对与时间相关的相对压力的分析,可推断出机械通风系统的状态。当通风系统关闭时,相对压力低于3Pa。当系统在低、中、高设置下运行时,相对压力分别为15Pa、18Pa和28Pa。从机械通风系统的整体运行趋势来看,居民主要在冬季和春季使用该系统,且通常在低或中等设置下打开系统。居民这种使用机械通风系统习惯的季节性特征可能是由室外PM

2.5

浓度的季节性特征引起的。天津市冬季室外PM

2.5

浓度较高,由于机械通风系统安装了颗粒过滤器,所以居住者倾向于在冬季使用机械通风系统来引入室外空气。春季,虽然室外PM

2.5

浓度没有冬季那么高,但由于居民行为滞后,居民仍倾向于使用机械通风系统。夏末秋初时,由于室外PM

2.5

浓度较低,居民倾向于自然通风。

图5 典型机械通风住宅供气出口相对压力的时间序列(红线为采用局部加权线性回归拟合的时间相关曲线)

(4)在正常条件下,大多数住宅的甲醛浓度低于100μg/m

3

。因此,在窗户关闭的时候,更应多注意室内甲醛污染问题。

室内甲醛浓度分别在卧室和客厅进行测量,渗透率在卧室进行测量。图6为中国南北方不同季节的渗透速率。在中国北方,因为冬季的室内供暖系统使得室内外空气温差较大,故冬季渗透率最高。而在其他季节,室内外气温差异较小,因此渗透率也较低。由于北方住宅开窗时间少,南方春季、夏季和秋季的渗透率均高于北方。大多数南方住宅没有室内供暖系统,所以冬季南方住宅的渗透率低于北方住宅。

图6 中国北方和南方的渗透率

图7显示了各地区在封闭条件和正常条件下卧室的四季平均室内甲醛浓度。对于所有的北方住宅,在封闭条件下甲醛浓度中值为82μg/ m

3

,在正常条件下为47μg/ m

3

,其中西安住宅的四季平均室内甲醛浓度最低,其他几个地区的室内甲醛浓度相似。对于所有的南方住宅,在封闭条件下甲醛浓度中值为57μg/ m

3

,在正常条件下为28μg/ m

3

,且长江三角洲地区室内甲醛浓度在封闭条件下最高。

图7 不同地区卧室的室内甲醛浓度

图8为不同季节卧室内甲醛浓度的箱形图。在夏季,室内甲醛浓度达到峰值。在封闭条件下,春秋季节室内甲醛浓度中位数相似,而在正常条件下,春季,秋季和冬季的甲醛浓度相似。之所以发生这种情况,是因为夏季时,人们在打开空调时关闭了窗户,导致通风率降低,室内甲醛浓度升高。然而,总体而言,几乎所有住宅在正常条件下甲醛浓度均低于100μg /m

3

,表明正常条件下的通风率足以使室内甲醛维持在一个相对比较安全的浓度。同时从不同季节的结果可以推断,室内甲醛浓度与室内温度有关。

图8 不同季节卧室内甲醛浓度

参考文献:

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[12] W. Ye, X. Zhang, J. Gao, G. Cao, X. Zhou, X. Su, Indoor air pollutants, ventilation rate determinants and potential control strategies in Chinese dwellings: a literature review, Sci. Total Environ. 586 (2017) 696–729.

[13] WHO, Air Quality Guidelines: Global Update 2005. Particulate Matter, Ozone, Nitrogen Dioxide and Sulfur Dioxide,  World Health Organization, 2006.

 文字: 冯宇欣

排版:冯宇欣

图表: 冯宇欣

指导老师: 王飞飞

华中科技大学建筑环境与能源应用工程系出品

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