北京工业大学建筑工程学院 谷逊东 简毅文 郭锐敏
【摘 要】住户的室内通风净化效果，正受到人们的广泛重视。当前评价通风净化效果的指标主要是PM2.5质量浓度和I/O比。通过分析物理特性和统计数据说明了由于它们自身的特性，当前的这两种评价指标都具有一定的局限性。本研究提出了一种评估室内PM2.5净化结果的新指标：净化时间达标率，从而对一段时间内的通风净化效果进行评价。本文为评价净化效果提供了新方法，并说明了新方法的优点。
【关键词】净化时间达标率；净化效果；PM2.5浓度；I/O比
Abstract:The indoor purification and ventilation effect of the residents is receiving widespread attention. The current indicators for evaluating the effectiveness of purification and ventilation are mainly PM2.5 mass concentration and I/O ratio. The analysis of physical characteristics and statistical data shows that due to their own characteristics, these two evaluation indicators have certain limitations. This study proposes a new index for evaluating indoor purification results: the purification time compliance rate, thereby evaluating the purification ventilation effect over a period of time. This article provides a new method for evaluating the purification effect, and explains the advantages of the new method.
Keywords: purification time compliance rate; purification effect; PM2.5 concentration; I/O ratio
1 引言
室内PM2.5受到研究者越来越广泛的重视[1-2]，同时也与居住者的生活有着密切的关系。大量流行病学证据表明，接触PM2.5与人体亚健康和疾病之间存在着密切的联系，其中包括呼吸道感染、心血管健康、高血压、哮喘、肺癌和预期寿命下降等[3]。2020年1月的城市空气质量状况月报显示，北京市PM2.5平均浓度为59μg/m3，在统计的168个城市中排名56位。研究表明，大多数人约90%的时间都在室内度过。文献[4]指出，室内污染是室外污染的2到5倍左右。为了降低室内PM2.5浓度，提供良好的居住环境，目前住宅有三种主要的通风净化方式：自然通风、机械通风和混合通风。
为实现更好的净化效果，确定合理的净化策略，需要确定合适的评价指标，以做出合理评价。当前，用于评价净化结果的指标主要是室内PM2.5质量浓度[5]和I/O比[6]。然而PM2.5和I/O比在评价方面都具有一定的局限性。本项研究的目的在于探索一种评估室内PM2.5净化结果的新方法，从而更好地基于室外空气质量对室内空气做出判断。因此本研究提出了评估室内PM2.5净化结果的新方法，并说明了这种评价方法的优势。
2 测试内容
2.1 测试对象
长期测试的对象为6户住宅的客厅，分布在北京市中心城区。建筑和室内人员状况见表1。根据通风净化方式的不同，将住户分为自然通风净化、机械通风净化和混合通风净化三类。其中，自然通风住户为完全依靠外窗通风净化的住户；机械通风住户为安装带过滤器的机械新风系统且新风系统连续运行的住户；混合通风住户为安装带过滤器的机械通风系统但新风系统间歇运行，并与外窗交替开关的住户。各住户外窗、新风系统和空气净化器性能和使用情况见表2。
表1 测试住户基本信息
注：F/M为成年男性/女性，f/m为未成年男性/女性
表2 通风净化设备性能及基本使用信息
2.2 测试方法
测试期间连续在住户客厅进行现场测量，测量内容包括：室内外PM2.5质量浓度、房间外窗开关状态、空气净化器运行状况。测试仪器及性能参数见表3。根据GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》的要求，将PM2.5浓度自记仪置于客厅避开通风口且距地面1.2m处进行数据测试和记录[7]；开关记录仪和磁铁成对安装在客厅外窗的窗梃和窗框上；功率仪记录空气净化器的运行功率，并统计得出设备的运行时长；室外PM2.5浓度则通过室外气象监测站获得。
表3 测试仪器及性能参数
2.3 数据处理
为确保数据的可靠性，剔除了实验数据中的坏值，包括测量仪器断电、人员干扰等原因造成未检测数据及由于磁开关记录仪频闪对外窗开关动作的不合理记录数据。根据GB 3095-2912《环境空气质量标准》[8]对室内外PM2.5污染等级进行了划分。定义室外PM2.5质量浓度小于35μg/m3为优(excellent)，35~75μg/m3为良（fine），75~115μg/m3为轻度污染（slight），115~150为中度污染（medium），150~250μg/m3为重度污染（serious），大于250μg/m3为严重污染（severe）。
为了保证测试数据的连续完整和真实可靠，入户测试前，所有仪器都进行了返厂校准及对比测试；入户测试后，测试人员将测试仪器放置在适当的位置。通过上述措施，最大限度地将各个参数的测试误差控制在相应测试仪器的测量精度内。
3 实验结果与讨论
3.1 室外PM2.5对室内质量浓度的影响
显而易见，由于住宅的围护结构不可能达到完全密封，以及住户开窗换气行为，室外PM2.5很容易通过围护结构的缝隙或开口[9]进入室内，导致室内PM2.5浓度的变化。因此对室内和室外浓度进行了相关性分析。选择自然通风住户Z2作为分析的对象。将室内PM2.5浓度与同时刻的室外PM2.5浓度相对应。将室外PM2.5浓度作为横坐标，室内PM2.5浓度作为纵坐标，绘制得到图1。由于室内外PM2.5浓度服从正态分布，以及两者线性相关，使用Pearson相关系数对两者的线性相关程度进行描述。得到的相关系数为0.852，说明两者存在强相关联。
图1 室内外PM2.5浓度相关性分析
由于门窗缝隙渗风以及门窗开启通风的作用，室内外的质量浓度存在相互关联。上述结果充分说明了忽略室外质量浓度的影响，只凭借室内质量浓度是无法客观反应通风净化效果。在室外浓度不同的情况下，仅靠室内浓度，可能会产生误判。说明了室内PM2.5浓度作为评价通风净化效果的指标是不恰当的。
从物理学角度和统计学角度都显示室内PM2.5浓度容易受到室外PM2.5浓度、围护结构气密性和窗户状态的影响，作为一个评价通风净化效果的指标是不恰当的。
3.2 时滞对I/O比的影响
由于室内质量浓度与室外浓度存在强相关关系，研究者[6]继而提出了室内质量浓度和室外浓度的比值，即I/O比，对室内空气净化效果进行评价。本研究考虑到室外PM2.5浓度的影响，根据室外PM2.5浓度将某一户自然通风住户的I/O比数据分为优、良、轻度污染、中度污染和重度污染及以上，共计五个等级。之后再对污染等级下，开关窗状态的I/O比进行相关性分析。由于开窗和关窗状态下的数据量存在差异，使用Mann-Whitney U检验，判断自然通风住户在不同窗户状态下的I/O比是否有显著的差别。检验的结果如表4所示。以0.05的显著水平进行检验，结果显示在绝大多数（约92.3%）情况下，在不同窗户状态下的I/O比没有显著的差别，可以认为来自同一个样本。
表4 自然通风用户在开窗和关窗状态下的I/O比显著性检验
根据房间内污染物浓度的质量守恒方程
（1）
式中，为房间体积；CADR为空气净化器的洁净空气量；为室内污染物浓度；C0为室外污染物浓度；为室外通风量；污染物自然衰减系数；为室内污染物恒定的散发效率；为时间。考虑稳态情况，即(dC)/(dτ)=0；绝大多数情况下室内没有恒定的污染物，即=0；所研究的自然通风用户都没有长期使用空气净化器，即CADR=0。那么式（1）可以简化为
（2）
很容易通过式（2）发现I/O比与通风量之间的关系，从理论角度说明了I/O比与窗户状态有着一定的相关性。但是这却与利用统计学进行分析得出的结论相矛盾。
图2 I/O延滞性及室内外PM2.5浓度变化
得出这种矛盾的原因可能是I/O比，具有延滞性的特性而导致的。有很多专家学者对I/O比的延滞性进行了讨论[10]。图2显示在室外PM2.5浓度增加时，室内PM2.5浓度倾向于在一段时间之后发生相应的变化，并且变化幅度出现了相应的减少；同样的，在室外PM2.5浓度减少的时刻，室内PM2.5浓度并不会立即随之减少。例如在图2中，5月18日13:00-14:00期间，室外PM2.5已经显著减少，其质量浓度达到优的等级，并在之后保持稳定；但是在此期间，室内浓度并没有相应下降，而是和上一时刻基本持平。因为室内外质量浓度的变化，I/O比急剧升高，超过了之前一直稳定在的数值，达到了7.8，尽管此时的室内PM2.5浓度并没有明显的增高。
图3 室外存在污染时一段时间内的室内外PM2.5浓度和I/O比变化
而针对同一个用户，在室外空气污染严重的时候，尽管室内PM2.5浓度可能较高，但是在I/O比上并没有较好的反应。图3反应了当室内和室外空气质量都不佳时，I/O比并没有出现明显的增大，尽管此时室内PM2.5浓度的最高值达到了148μg/m³，相比图2中的最高值增加了50%左右。
结合图2和图3，室外空气质量的突变可能需要一定时间才能在室内PM2.5浓度表现出来，导致出现变化不同步或者是变化不同向的现象。这种现象会导致I/O比发生大幅变化，在一段时间后I/O比才会恢复到正常范围内。
3.3 多种统计参数对质量浓度和I/O比的影响
图4(a)展示了室内PM2.5质量浓度的分布状况。两条红色点划线分别代表中国国家标准GB3095-2012 《环境空气质量标准》所规定的PM2.5一级和二级浓度限值，即35μg/m³和75μg/m³。图4(b)展示了不同住户的I/O比分布状况。可以看出在自然通风的房间内，由于窗户状态的改变和气流的不稳定性对室外颗粒物的穿透力的影响，I/O比的变化范围很大。
图4 (a) 室内PM2.5浓度分布 (b) 室内I/O分布状况
通过观察PM2.5浓度和I/O比分布状况，三种通风形式住户的结果可以表示出来。从图中可以明显目测得出机械通风净化效果优于其他两种通风方式。而针对分布情况相似的住户，如Z1和H1住户，如何评价判断它们净化效果的优劣呢？从图中可以看出，这两户住户的质量浓度分布范围类似，H1拥有更多的异常值，两者平均值（Z1为31.54μg/m3，H1为31.59μg/m³）近似相等。然而Z1的PM2.5浓度的四分位数分布范围更大，上四分位数为45.40μg/m3，大于H1的38.81μg/m³。Z1的下四分位数为12.78μg/m3，小于H1的14.01μg/m3。总的来看，Z1的四分位数分布范围达到了H1的131.53%。相同地，通过观察Z1和H1住户的I/O比，Z1住户的I/O比的平均值为1.31，大于H1的0.94。但是H1的中位数为0.55，却略大于Z1的0.62。那么对于Z1和H1住户通风效果的优劣，有中位数、平均值等多种统计参数可以作为评价指标，究竟使用哪一个或者其中哪些进行评价呢?多参数在可操作性方面增加了评价的难度，需要通过某一确定的评价标准来衡量各个用户的通风效果。
3.4 净化时间达标率的提出
室内PM2.5浓度和I/O比都存在自身的局限性，而这种局限性是由它们自身的特性决定的，因此需要一种新的指标来衡量室内的空气通风净化效果。由于室外PM2.5源对室内PM2.5浓度起着重要的影响作用，并且考虑到室外PM2.5量化的可操作性及量化结果较为可靠，本研究按照PM2.5污染等级归类，提出了各个室外PM2.5污染等级下室内PM2.5净化时间达标率的概念，即在各个相同的室外PM2.5污染等级下，以测试总时长为分母，以室内PM2.5质量浓度小于35μg/m³的时长为分子，两者比值定义为在该室外PM2.5污染等级下的室内PM2.5净化时间达标率，计算公式为
（3）
式中Pd为室内PM2.5净化时间达标率；Nd为某个相同室外PM2.5污染等级下室内PM2.5质量浓度小于35μg/m³的时长，min；Md为某个相同室外PM2.5污染等级下的测试总时长，min。
图5 室内空气净化时间达标率
由此，针对各个室外PM2.5污染等级，计算得出房间室内空气净化时间达标率，结果如图5所示。净化时间达标率越高，表明通风净化效果好，当前的通风净化手段比较恰当。反之，净化时间达标率越低，则表明室内空气质量不佳，需要调整和优化通风净化的措施。净化时间达标率从长时间平均的角度，利用一个单值规避了以上三方面的问题，客观公正地反映了通风净化效果，并且具有较高的可操作性。净化时间达标率的提出，优势主要在于：
1）通过单一指标对空气质量进行衡量，更加直观，评价过程中的可操作性强，避免了多参数比较中可能出现的相互掣肘的问题；
2）对室内空气净化效果的评价是将不同污染等级下进行的比较，更具有针对性。住户可以根据评价的结果在不同的室外空气状况下进一步优化自己的行为，改善室内空气状况；
3）净化时间达标率是反映总体效果的一个综合评价指标，通过区分污染等级，考虑了室外空气的影响，同时通过这种方式，考虑了滞后性的问题。
4 结论
室内PM2.5浓度对居住者的健康有着重要影响，特别是对于自然通风建筑。本研究探索了一种评估室内PM2.5净化结果的新方法——净化时间达标率。现场实测的气象和行为数据被用于说明传统方法的局限性和新方法的优点。本文的主要结论总结如下：
1）室内PM2.5质量浓度与室外浓度存在着强相关关系，而I/O比存在着延迟滞后的问题。因此传统的评价方法都存在着局限性。
2）本文提出的净化时间达标率考虑了室外空气的影响和滞后性的问题，在表现方式上具有直观性的特征；同时还可以指导用户的通风净化行为，改善公寓的室内空气质量。
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备注：本文收录于《建筑环境与能源》2020年10月刊总第37期（第22届全国暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有，任何形式转载请联系作者。
