中國建筑科學研究院      馮昕   張惠   張彥國

北京市建筑設計研究院   柏婧

摘   要：大氣顆粒污染物（Particulate Matter，PM）是中國以及世界其它發展中國家目前所面臨的突出環境問題。在我國，對于大氣顆粒污染物的廣泛關注促進了各類空氣凈化設備市場的迅速發展。但與之不協調的是，目前的國內外標準化測試手段對于如何客觀真實的評價各類空氣凈化設備實際使用性能存在不足與偏差。本研究通過對北京地區在不同PM_2.5濃度水平下室內外10nm~10μm粒徑區間大氣顆粒物粒徑分布進行長期監測，對不同氣象污染條件下的大氣顆粒污染物粒徑分布特征進行了研究。研究結果表明不同污染條件下的大氣塵粒徑分布具有特征性規律，這使得在本研究基礎上開發新的PM_2.5試驗粉塵以及試驗方法具有可能性。此外，對于室內外大氣塵計徑I/O的研究表明，100nm~300nm區間粒子相比較與其它粒徑粒子更容易穿透圍護結構進入室內，因此可作為室內用便攜式凈化設備性能評價的重點考察粒徑范圍。

關鍵詞：空氣凈化；PM_2.5；大氣顆粒物；粒徑分布

基金項目：政府間國際科技創新合作重點專項：凈零能耗建筑關鍵技術研究與示范（項目編號：2016YFE0102300）。

       0   前言

       對于各類的空氣凈化設備，其對于顆粒污染物的凈化功能是基于慣性、擴散、靜電吸附等多種凈化機理的綜合與疊加，因此其對于不同粒徑粒子會呈現出不同的凈化效率^[1]。此外，在對空氣凈化元件以及材料進行生命周期模擬與性能評價時，試驗粉塵的分布特征將會對于粉塵在凈化材料內部的堆積情況具有極大影響。因此，試驗粉塵的粒徑分布特征，對于科學評價空氣凈化設備凈化性能以及生命周期綜合能效性能具有關鍵影響。但與此需求相不適應的是，現有的國內外標準試驗方法體系中，所采納各種試驗粉塵粒徑分布特征均與大氣塵實際分布特征存在較大差異^[2]。

       在大氣環境研究領域，對于大氣塵粒徑分布的研究并非新興課題，但傳統的研究興趣集中在大氣塵粒徑分布受氣候^[3]、季節^[4]、^[5]、交通狀況^[6]、時間及海拔高度^[7]等諸多方面的影響。傳統研究更關注大氣塵粒徑分布的動態及區別性特性，以探究其生成、輸運以及演變轉化等機理以明確室外大氣環境治理、減少人員健康暴露等的主要技術措施。但仍缺乏對于不同氣象條件下，尤其是不同大氣污染狀態下的大氣塵粒徑分布是否存在共性特征的研究，而這些共性特征的存在與否將決定我們是否能夠發展出下一代更為科學的空氣凈化設備凈化性能以及生命周期綜合能效表現評價方法。

       本研究以一項21個月的長期室內外大氣塵粒徑分布特征監測結果為基礎，通過對不同室外大氣PM_2.5濃度下的大氣塵粒徑特征分布進行總結與研究，探索其規律性及室內外穿透影響，從而為我國下階段新的標準測試方法研究建立基礎。

       1   試驗設備與試驗方法

       1.1   試驗設備

       本研究使用一臺寬范圍粒徑頻譜儀（WPS）對室內外大氣塵粒徑分布進行實際測試，該粒徑頻譜儀采用電遷移率粒徑分析儀（DMA）配合凝結核計數器對10nm~500nm區間粒子粒徑分布進行測試，采用光散射粒徑頻譜儀（LPS）對350nm~10μm區間粒子粒徑分布進行測試。圖1給出了WPS的工作原理圖。

圖1   本研究用于大氣塵粒徑分布測試的WPS工作原理圖

       為同時獲得大氣PM_2.5質量濃度，本研究另采用1臺粉塵測試儀（TSI Dusttrack 8532）同時進行測量，圖2為兩臺測試儀器同時進行測量。

圖2   WPS與Dusttrack同時測量布置

       1.2   采樣監測方法

       本研究在北京地區某辦公樓內沒有空氣凈化裝置運行及機械通風系統的辦公室內進行，每次采樣環節均首先用過濾器對各儀器設備及采樣管道進行自凈處理。對于每次采樣，先使用兩臺測試儀器利用伸至室外的采樣管同時進行室外大氣采樣，采樣時間約1h30min（WPS采樣30周期），而后關閉辦公室門窗，自凈測試儀器及采樣管15~20min，隨后進行室內大氣采樣測試，采樣時間以及采樣周期與室外大氣監測一致。監測采樣從2015年5月進行至2017年2月，在工作日內隨機選擇，每采樣日的室內外平均粒徑分布以及平均PM2.5濃度作為當日的監測結果匯總并用于后續數據分析。

       2   試驗結果與分析

       監測采樣共持續21個月，獲取監測日數據107組， 監測日室外PM_2.5平均質量濃度涵蓋范圍包括低于50μg/m³至高于400μg/m³的廣泛區域。所有監測數據依據當日室外PM_2.5質量濃度進行分組為便于分析，本研究將所有監測數據按室外PM_2.5濃度分為0~50μg/m³、50~100μg/m³、100~150μg/m³、150~200μg/m³、200~250μg/m³、250~300μg/m³、300~400μg/m³、and＞400μg/m³共8個組別，并進行特征歸納。表1給出了所有107個監測日在不同季節的分布情況，圖3給出各PM_2.5濃度范圍內的監測日數量情況。

表1   本研究所有監測日的季節性分布情況

圖3   本研究各PM_2.5濃度范圍的相應監測日數據情況

       2.1   室外大氣塵粒徑分布特征監測結果分析

 

圖4   不同室外PM_2.5濃度條件下的室外大氣粒徑平均分布

       圖4（a~i）給出了本研究所監測得到不同室外PM_2.5濃度條件下的平均室外大氣塵粒徑分布特征。傳統上被廣為接受的觀點是，大氣塵在可懸浮顆粒物范圍內的粒徑分布函數可視為3個對數正態分布函數的疊加，在不同的氣象以及污染條件下，相應的會在計數粒徑分布特征曲線上呈現出1~3個特征峰值^[8]。從本研究的監測結果可以看出，目前我國大氣塵分布特征中對應粗模態（coarse mode）區域的特征峰值并不明顯，在大多數情況下，大氣塵呈現出較為明顯的雙峰分布。但在PM_2.5濃度較低時，聚集模態（accumulation mode）區域所對應的曲線峰值也并不明顯，整體的粒徑分布特征只在核模態（nucleation mode）區域呈現單峰模態，文獻[3]也得到類似的監測結果，該文的研究將其歸于在空氣干燥、日照強烈的早晨等氣象條件影響。而從另一方面，由于此類情況只發生于PM_2.5濃度較低時，而此時一般的氣象背景是城市內空氣流通條件好，空氣質量好，因此我們也可以將其理解，城市內所生成的污染物會迅速被流通空氣所轉移、稀釋，因此其相互聚集、凝并以形成更大尺度顆粒物的幾率被大大降低了。    

       盡管大氣塵實際粒徑分布受采樣點地理位置、時間、氣象條件等諸多條件影響，但通過本研究我們仍可以發現其存在某種共性特征：

     （1）在大多數情況下（PM_2.5濃度＞50μg/m³），大氣塵粒徑分布可用兩個對數正態分布函數的疊加描述。

     （2）在不同PM_2.5質量濃度條件下，上述兩個對數正態分布的峰值粒徑范圍相對固定，其中，對應核模態的峰值粒徑范圍約為20~50nm，對應聚集模態的峰值粒徑范圍約為100~140nm。表2給出了不同PM_2.5質量濃度范圍內的雙峰分布峰值粒徑位置以及峰值粒徑濃度比。

表2   不同PM_2.5質量濃度范圍內的雙峰分布峰值粒徑位置以及峰值粒徑濃度比

       通過對國際上其它國家如德國^[3]、希臘^[9]、巴西^[6]以及西班牙[4]等的類似監測數據進行比對，發現上述結論具有一定的普遍規律性。這表明基于上述粒徑分布特征研發新的空氣凈化裝置性能試驗粉塵具有可能性和普遍應用意義。

       2.2   室內大氣塵粒徑分布特征以及室內外大氣塵計徑I/O比

       室內大氣塵粒徑分布特征以及計徑I/O比對于研究室外大氣對室內環境的細分影響，明確室內用便攜式凈化設備性能評價方法具有突出的實際意義。本研究中，針對沒有空氣凈化措施以及機械通風系統的普通辦公室環境進行研究，以明確自然滲透條件下室內大氣粉塵的粒徑分布特征以及室外大氣如何影響室內的特征規律。圖5給出了不同室外PM_2.5質量濃度下的室內外大氣塵粒徑分布比對，圖6給出了基于所有監測日數據得出的計徑I/O比。

圖5   不同室外PM_2.5濃度下的室內外大氣粒徑分布比對

圖6   基于所有監測日數據得出的計徑I/O比

       由上述監測研究結果可以看出，即使在門窗關閉的條件下，室外懸浮顆粒物中的大部分仍能隨著自然滲透通風進入進而影響室內空氣環境，室內大氣塵粒徑分布特征規律與室外大氣類似，即在大多數情況下也表征為核模態和聚集模態的兩個對數正態分布的疊加。但在進入室內過程中，隨著顆粒物粒徑的變化，其計數濃度存在不同程度的衰減，其中100nm~300nm區間顆粒物的損失最小，計徑I/O比約為0.9，而無論對于尺度更小的顆粒物還是尺度更大的顆粒物，其計徑I/O比都呈現衰減趨勢，這一現象與纖維過濾器去除懸浮顆粒物的規律一致，是由顆粒在空氣中的空氣動力特性以及凈化去除機理所決定的。在顆粒物隨滲入空氣穿越建筑圍護結構的過程中，基于慣性運動機理的顆粒物重力沉降及撞擊損失，以及基于顆粒物擴散運動所導致的擴散機理是導致粒子損失的最主要兩個因素。其中，對于小粒子，擴散機理起主要作用，粒子越小，則擴散運動強度越大，對于直徑為10nm的粒子，其擴散運動速度要比10μm粒子快20000倍[1]。而對于大粒子，慣性機理起主要作用，并且與粒徑尺度正相關。其綜合作用的結果則呈現出對于100nm~300nm這一中間粒徑范圍粒子的凈化去除效果最差，而這一范圍粒子因此也最容易穿透各類凈化材料與建筑縫隙^[10]。

       3   結論

       本研究對北京地區某辦公室在21個月內共107個監測日的室內外大氣塵粒徑分布進行監測與特征規律分析，研究結果表明，即使室外大氣PM2.5濃度在不足50μg/m³直至400μg/m³以上的較大范圍內進行變化，大氣塵的粒徑分布仍具有一定普遍規律，這體現在大多數情況下，大氣塵粒徑分布可采用雙峰對數正態分布的疊加加以描述，分布函數的峰值粒徑相對固定，其中核模態范圍對應峰值粒徑約為20~50nm,聚集模態對應峰值粒徑約為100~140nm，峰值粒徑濃度比約0.74~2.02，并且上述規律與國外類似監測研究結果具有可比性。這表明基于上述研究成果，研發新的空氣凈化裝置性能試驗粉塵以及相應的性能評價方法具有可能性以及普遍意義。

       另一方面，對室內外大氣塵粒徑分布比對以及計徑I/O比監測研究結果表明，即使在門窗關閉條件下，室外懸浮顆粒物仍能隨自然滲透通風過程對室內空氣產生影響，而對于不同粒徑顆粒物而言，其穿透圍護結構進而影響室內環境的能力具有差異性，100~300nm范圍內的顆粒物在進入室內的過程中數量損失最小，也最容易影響室內環境。

參考文獻

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注：本文收錄于《建筑環境與能源》2019年10月刊總第26期。
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