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陈紫光1，陈 超1，赵 力1,2，王清勤1,2，万亚丽1，王亚峰1，吴玉琴1
1. 北京工业大学建筑工程学院；2. 中国建筑科学研究院建筑环境与节能研究院
［摘 要］相关研究表明，即使关闭建筑外窗，大气中PM2.5 仍可以通过渗透通风方式进入室内，建筑外窗缝隙和房间结构对室内PM2.5 浓度水平有显著影响。定量评价不同结构特征建筑外窗对室外PM2.5 拦截特性，并通过被动防控措施有效地降低室内人群细颗粒物污染暴露剂量的研究具有重要科学意义。本研究基于课题组关于分布在北京市东城区、朝阳区5 个办公建筑与学校建筑的室内外PM2.5 质量浓度与数浓度的实时监测结果，重点比较分析了房间渗透通风且无室内污染源条件下，不同结构缝隙结构、不同气密性等级建筑外窗的房间室内外PM2.5质量浓度与数量浓度关联特性。研究及实测结果表明，大气空气质量为优良或PM2.5 污染水平较低时，不同气密性等级建筑外窗对室外PM2.5 阻隔效果差异性不明显；随着室外大气PM2.5 污染程度的不断加重，高气密性等级建筑外窗对室外PM2.5 阻隔性能明显提高，特别是对粒径＞ 0.5μm 细颗粒物的阻隔性能显著增强。通常情况下，建筑外窗气密性等级每提高1 级，对应的室内PM2.5 浓度水平可下降约10%。
［关键词］PM2.5 污染；气密性等级；室内PM2.5 浓度水平；实测
近年来，随着我国经济快速增长带来的人口与能耗增加，以及工业、交通运输与城镇居民生活废气的排放，导致大气环境细颗粒物PM2.5 污染问题日益严峻，也直接影响了建筑室内空气品质[1, 2]。我国环境保护部发布的《2015 年全国城市空气质量状况》[3] 表明，全国大气首要污染物为PM2.5，首都所在的京津冀地区污染最为严重，其中北京全年PM2.5 质量浓度平均值为80.6μg/m3，较2014 年与2013 年分别下降了6.2% 与9.9%，大气污染治理工作初见成效，但整体形势仍有待加强。
室外PM2.5 侵入室内的主要途径分为三类：机械通风、自然通风、建筑外窗缝隙渗透通风[4]。现代城市居民在室内生活时间已接近90%，对于大多数办公或住宅建筑来讲，关闭外窗是阻挡大气PM2.5 侵入室内的重要被动措施。然而大量研究表明，由于建筑外窗缝隙渗透通风作用而进入的PM2.5 足以导致室内颗粒物浓度超标危害人群健康。根据国内外学者开展的大量关于渗透通风条件下室外颗粒物向室内传输渗透过程研究表明，影响室内PM2.5 浓度水平的重要指标是渗透通风换气次数a，颗粒物穿透系数P 与室内自然沉降率k[5]。当室内外压差引起的渗透通风换气次数一定，且房间内无污染源时，室内PM2.5 浓度水平主要取决于颗粒物向室内传输过程中在外窗缝隙内的穿透能力以及在室内的沉降特性[6, 7]。
为了把握建筑外窗缝隙结构与不同气密性等级对室内外PM2.5 浓度关联特性的影响规律，本文基于细颗粒物穿透与沉降机理，并结合研究团队2015 年11 月到2016 年2 月关于北京市东城区、朝阳区5 个临街办公建筑与学校建筑室内外PM2.5 质量浓度、数量浓度及室外气象参数（空气干球温度、相对湿度、风速）的实时监测，重点研究了建筑外窗关闭且无室内源条件下，不同缝隙结构特征与不同气密性等级建筑外窗关于室外PM2.5 的传输渗透特征与影响规律，以期为通过提高建筑外窗气密性等级阻止室外PM2.5 侵入的被动防控方法研究提供方法与基础数据参考。
1 材料与方法
1.1 实测调研
1.1.1 实测对象与条件
本研究重点对北京市东城区、朝阳区的5 个办公建筑与学校建筑的室内外PM2.5 质量浓度与数浓度等进行了实测调研，5 个实测对象地理位置如图1。其中，测点1 位于北京市东城区东直门大街，毗邻东二环北路，房间距地面高度约30m；测点2 位于北京市朝阳区和平西桥，毗邻北三环东路，房间距地面高度约35m；测点3,4, 5 均位于北京市朝阳区北京工业大学校园内，毗邻东四环南路，测点3 距地面高度约10m，测点4 距地面高度约20m，测点5 距地面高度约25m，其它条件见表1。实测期间所有测点房间均保持外窗及内门关闭，无人员出入，不开启机械通风或净化过滤系统，除测试仪器外不开启任何电子设备以保证无PM2.5 发生源。
图1 实测点地理位置
表1 测试点概况
注：（1）使用皮尺直接测量所得；（2）缝高难以使用工具测量，因此采取依据其气密性等级折算当量缝高法求得（审稿中）。
1.1.2 数据采集与处理
室内外PM2.5 质量浓度测量采用LD-5C(R) 型在线式激光粒子监测仪，仪器测量范围1～104μg/m3，灵敏度1μg/m3，1～103μg/m3 量程内误差不超过测量值的5%；室外颗粒物粒径分布采用测量采用Y09-301 型激光尘埃粒子计数器，粒径通道分别为0.3μm、0.5m、0.7μm、1.0μm、2.0μm 和5.0μm，两仪器测试时间间隔均为20min 自动记录一次并保存。
本研究重点对测点1、2 的2015 年11 月1 日～12月30 日和测点3～5 的2016 年1 月1 日～2 月29 日的实测数据进行研究分析。分析过程中，PM2.5 质量浓度与粒径分布数据均采用小时算术平均值，为了确保数据的可靠性，后期处理时剔除了因测量仪器断电、人为干扰等原因造成的坏值，以及残差绝对值大于标准偏差3 倍的数据。如图2 所示，实测期间，室外温度变化范围-16.8～16.0℃，平均值-0.4℃；相对湿度变化范围10%～95%，平均值56.3%；风速变化范围0～8m/s，平均值1.9m/s，主导风向为北风。
图2 实测期间室外相对湿度与风速
1.2 评价指标
1.2.1 建筑外窗气密性等级
本文采用建筑外窗气密性等级作为评价其对渗透通风阻止能力的基准，以研究建筑外窗对大气PM2.5侵入室内的阻隔性能。我国于2008 年颁布的GB/T7106—2008《建筑外门窗气密，水密，抗风压性能分级及检测方法》给出了建筑外窗气密性分级标准（表2）。该标准的测试方法为，将测试条件下（持续10s 或以上，±100Pa 作用压力）测得的建筑外窗两侧渗透通风量折算为标准状态（1 个标准大气压，20℃）10Pa 作用压力下的单位缝长空气渗透量q1（m3(m·h)）和单位面积空气渗透量q2（m3/(m2·h)），取二者较不利值进行划分，分级值越大气密性等级越高。
表2 建筑外门窗气密性分级表（GB/T 7106—2008）
考虑到单位面积空气渗透量q2 易造成评价混乱[8]，因此本研究重点以单位缝长空气渗透量q1 评价实测建筑外窗对缝隙渗透通风的影响。
1.2.2 室内外PM2.5 浓度I/O
室内外PM2.5 浓度I/O 直接反应了室内外颗粒物（质量、数量）浓度关联关系，由于其物理意义简单且容易测得，因此被广泛应用于相关研究中。根据质量守恒原理可建立基于渗透通风稳态条件下的室内外颗粒物浓度I/O 计算公式[5]：
式中：Cin, Cout 分别为室内、外PM2.5 质量浓度（μg/m3）；a 为渗透通风换气次数（h-1）；P, k 分别为颗粒物穿透系数（无量纲）与室内自然沉降率（h-1）。
当室外气象条件一定时，式（1）中渗透通风换气次数a 主要决定于建筑外窗气密性等级；而穿透系数P以及自然沉降率k 则主要受建筑外窗缝隙结构和房间空间结构影响[6, 7]。
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