室内外空气污染物关系研究

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3.0 赵德峰 2024-11-19 4 4 6.59MB 107 页 15积分
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I
目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 ............................................................................................................... 1
1.1 大气污染概述.....................................................................................................1
1.2 室内空气污染物的种类.....................................................................................1
1.2.1 悬浮颗粒物..................................................................................................1
1.2.2 燃烧产物......................................................................................................2
1.2.3 挥发性有机化合物......................................................................................2
1.3 室内空气污染物的主要来源.............................................................................2
1.3.1 来自于室外大气..........................................................................................2
1.3.2 来自建筑物..................................................................................................2
1.3.3 来自室内装饰..............................................................................................3
1.3.4 人工因素......................................................................................................3
1.4 室内外空气污染物关系研究现状.....................................................................3
1.4.1 国外研究现状..............................................................................................3
1.4.2 国内研究现状..............................................................................................5
1.5 室内空气污染模型的发展.................................................................................6
1.6 本文研究内容及其意义.....................................................................................7
第二章 采样点设置和采样、分析方法 ..................................................................... 9
2.1 采样点设置.........................................................................................................9
2.1.1 交通主干道及校园内采样点......................................................................9
2.1.2 杨浦大桥旁采样点......................................................................................9
2.1.3 清洁点........................................................................................................10
2.1.4 地下空间采样点........................................................................................10
2.2 TSP PM10 监测方法 .....................................................................................10
2.3 NO2监测方法 ...................................................................................................10
2.4 甲醛监测方法...................................................................................................11
2.5 CO CO2监测方法 ........................................................................................11
2.5.1 监测原理....................................................................................................11
2.5.2 采样方法....................................................................................................11
II
2.5.3 分析方法....................................................................................................12
2.6 苯、甲苯、二甲苯监测方法...........................................................................13
2.6.1 监测原理....................................................................................................13
2.6.2 采样方法....................................................................................................13
2.6.3 分析方法....................................................................................................13
第三章 室内外空气污染物比较分析研究 ............................................................... 17
3.1 监测时间气象参数...........................................................................................17
3.2 评价标准...........................................................................................................17
3.3 室内外空气污染物浓度监测结果与分析.......................................................18
3.4 室内外空气污染物浓度对比分析...................................................................19
3.4.1 军工路监测点室内外污染物对比分析....................................................19
3.4.2 校园与军工路监测点室内外污染物对比分析........................................20
3.4.3 杨浦建设集团与军工路监测点室内外污染物对比分析........................20
3.4.4 实验室与校园内监测点室内外污染物对比分析....................................20
3.5 室内外空气污染物浓度的日变化规律...........................................................21
3.5.1 军工路交叉路口监测点室内外 PM10 的质量浓度的日变化规律..........21
3.5.2 军工路交叉路口监测点室内外 CO 的质量浓度的日变化规律 ............ 22
3.5.3 军工路交叉路口监测点室内外 CO2浓度日变化规律........................... 23
3.5.4 军工路交叉路口监测点室内外 NO2的质量浓度的日变化规律 ...........23
3.5.5 军工路交叉路口监测点室内外三苯的质量浓度日变化规律................24
3.6 室内外主要空气污染物浓度相关性分析.......................................................26
3.6.1 PM10 浓度的相关性分析...........................................................................26
3.6.2 NO2浓度的相关性分析 ............................................................................30
3.6.3 甲醛浓度的相关性分析............................................................................31
3.6.4 CO 浓度的相关性分析 ............................................................................. 32
3.6.5 CO2浓度的相关性分析............................................................................ 33
3.6.6 苯、甲苯、二甲苯浓度的相关性分析....................................................34
3.7 地下空间污染物关系分析...............................................................................35
3.7.1 地下空间 PM10 关系分析..........................................................................35
3.7.2 地下空间 CO2关系分析........................................................................... 38
3.7.3 地下空间三苯关系分析............................................................................44
3.8 室内外空气污染物比较分析研究...................................................................46
III
3.8.1 室内外 TSP 关系分析 ...............................................................................46
3.8.2 室内外 PM10 关系分析..............................................................................46
3.8.3 室内外 CO 关系分析 ................................................................................ 47
3.8.4 室内外 CO2关系分析............................................................................... 48
3.8.5 室内外 NO2关系分析 ...............................................................................49
3.8.6 室内外苯、甲苯、二甲苯关系分析........................................................49
第四章 外部污染物在室内运动及分布的数值模拟 ............................................... 51
4.1 数值模拟的理论基础.......................................................................................51
4.1.1 数值模拟的物理模型................................................................................51
4.1.2 室内流场的微分控制方程........................................................................52
4.1.3 湍流及
k
模型 ...................................................................................... 53
4.1.4 数值计算方法............................................................................................54
4.2 外部污染物扩散到开窗室内的数值模拟及分析...........................................54
4.2.1 边界条件的确定........................................................................................54
4.2.2 浓度场模拟分析........................................................................................54
4.3 外部污染物扩散到关窗室内的数值模拟及分析...........................................61
4.3.1 边界条件的确定........................................................................................61
4.3.2 浓度场模拟分析........................................................................................67
4.4 室外污染物扩散到开窗和关窗室内数值模拟的对比分析...........................68
第五章 结论与建................................................................................................... 69
5.1 结论...................................................................................................................69
5.2 改善室内空气质量的建议...............................................................................70
5.2.1 室外措施....................................................................................................70
5.2.2 室内措施....................................................................................................70
参考文献 .........................................................................................................................72
附录 1:交通主干道旁室内外空气污染物监测数据 ................................................. 75
附录 2:地下空间空气污染物监测数据 ..................................................................... 99
在读期间参加的科研项目和公开发表的论文 .......................................................... 105
...........................................................................................................................106
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
1.1 大气污染概述
随着人民生活水平的提高,人们对生活环境的质量也提出了更高的要求。据
统计[1,2],从 20 90 年代初,室内环境与健康开始成为各国关心的环境问题之
一,尤其是发达国家对此问题更为关注。室内环境问题涉及千家万户,现代大多
数人约 7090%的时间在室内度过,老弱病残者和孕妇、婴幼儿在室内的活动时
间就更长。因此,室内空气质量(Indoor Air Quality,简称 IAQ)的优劣与人们的
健康密切相关。
我国大气环境污染程度的加剧己对室内空气环境质量的研究提出了新的
求,5年来,我国大气环境领域逐渐开始重视对 PM10 PM2.5(分别指空气动
力学当量直径小于 l0pm 2.5pm 的气溶胶粒子)两个指标的监测及其化学特性的
研究[3~5],原因是环境空气中的气、固态污染物不仅可能直接引起人体急性、慢性
中毒,致癌和致突变等,还可以在大气中(主要是在近地对流层中)长时间悬浮
并发生一系列复杂化学反应,这些反应物呈颗粒状或大分子琏状聚合体形式随大
气湍动,从而通过恶化环境间接对人体造成危害。
长期以来,人们大都是将加大房间通风量作为当然的改善室内空气质量的方
法。但近年来,随着城市建设步伐的加快,人口密度和机动车拥有量的不断增加,
人们在生产和生活中不断向室外排放废气,致使室外空气质量逐渐恶化,室外空
气中的某些指标己超过室内空气质量的控制指标[6~8]。显然,这种情况下,直接引
入的新风不仅不能起到稀释作用,而且还有可能会恶化室内空气品质。
在普通民居和设有集中式空调系统的商用建筑中,有害气体和大气微尘造成
的室内环境污染问题在大中型城市正日益突出。由于城市建筑密度和人口密度越
来越高,对街区环境和室内空气质量而言,街道内的交通废气对于普通民居和集
中空调系统的污染更是不容忽视的问题。有害空气污染物会通过门、窗和建筑物
上其它不严密缝隙渗透进入室内,或直接从新风引入口进入室内,通过人的呼吸
进入体内。按照现在机动车逐年增加的趋势,室外空气中 NOxCO 和超细颗粒污
染物背景浓度也会明显增大。
1.2 室内空气污染物的种类
1.2.1 悬浮颗粒物
较大的悬浮颗粒物如灰尘、棉絮等,可以被上呼吸道过滤掉,而肉眼无法看
见的细小悬浮颗粒物,如灰尘、纤维、细菌和病毒等,会随着呼吸进入人体危害
室内外空气污染物关系研究
2
健康。
1.2.2 燃烧产物
各种燃料、烟草的燃烧以及烹调油烟主要产生一氧化碳、二氧化碳、
NO
SO2
臭氧、香烟烟雾、多环芳烃等,大部分附着在颗粒物上而被人体吸入肺部。医学
证实这些气态污染物是造成肺炎、支气管炎和肺癌的主要原因。
1.2.3 挥发性有机化合
室内挥发性有机化合物是指在常温、常压下,能从室内各种物体中挥发出来
的有机化合物的总称。最常见的有甲醛、苯及苯系物、二异氰酸甲苯脂等。苯是
一种有毒的致癌物质,它容易挥发和燃烧,常用作燃料和溶剂。生产胶合板、细
工木板、中密度纤维板和刨花板等人造板材使用的胶粘剂脲醛树脂以甲醛为主要
成分,板材中残留的甲醛会逐渐释放出来,是室内空气中的主要来源。其他各类
装饰材料如贴墙布、贴墙纸、化纤地毯、泡沫塑料、油漆和涂料等也有可能散发
甲醛。
1.3 室内空气污染物的主要来源
1.3.1 来自于室外大气
室外大气污染物主要来源于燃料的燃烧、生产消费、交通运输等过程中产生
的污染物。如微生物、粉尘、氮氧化物、二氧化硫、二氧化碳、可吸入颗粒物、
部分植物的花粉等。这些污染物通过通风换气和渗透进入室内,成为室内污染的
一部分。主要室内污染气体的室外污染源如表 1.1 所示。
1.1 主要室内污染气体的室外污染源[9]
污染物
工厂排放所占的百分数(%
交通运输所占的百分数(%
32
65
一氧化碳
3
90
31
60
氮氧化物
38
49
颗粒物(PM10
56
25
二氧化硫
90
2
挥发性有机物
52
34
臭氧
1.3.2 来自建筑物
建筑装饰材料对空气的污染在国外早有研究报道,其主要污染物包括化学污
第一章 绪论
3
染物、微生物污染和放射性污染。建筑施工中使用的外加剂和氨水为主要原料的
混凝土防冻剂,这些含有大量氨类物质的外加剂在墙体中随着温度等环境因素的
变化而还原成氨气从墙体中缓慢释放出来,造成室内空气中氨的浓度大量增加。
另外,从建筑材料中析出的氡也会造成室内放射性物质含量过高。联合国原子辐
射效应科学委员会的报告中指出,建筑材料是室内氡的主要来源。当室内空气流
通不良时,氡气往往超过所规定的标准,人们长时间处于该环境中,易诱发肺癌。
目前,在装修新居中,花岗石、大理石等天然石材受到人们的青睐,但是不可忽
视其中部分产品所含天然放射性核素超过了国家规定的限制标准,会引起居室放
射性污染。
1.3.3 来自室内装饰
用作室内装饰的胶合板、细木工板、中密度纤维板,因为使用的胶粘剂以甲
醛为主要成分,主要原料是甲醛、尿素、苯酚和其他辅料,使用的涂料溶剂也是
极易挥发的有机化合物,材板中残留的和未参与反应的甲醛会逐渐向周围环境释
放,是形成室内空气中甲醛的主体。含有甲醛成分并有可能向外界散发的其他各
类装饰材料,比如贴墙布、贴墙纸、化纤地毯、泡沫塑料、油漆和涂料等等,会
造成室内苯超标。
1.3.4 人工因素
人体代谢过程中会产400 多种有害物质,包括呼吸排出的气体,通过尿、
汗及表皮排出的物质,主要有二氧化碳、水蒸气。燃烧和高温分解产物是主要室
内空气污染物,对人体健康影响的危害很大。无论是烹调还是采暖,都会产生大
量的污染性化学物质。任何燃料的燃烧以及烹调尤其是高温煎炸,不仅会产生致
癌物,而且还会产生氮氧化物、一氧化碳和颗粒物;室内吸烟是威胁现代人健康
的头号大敌,吸烟给室内增加了几千种有毒化合物,其中含有尼古丁等有害物质
达几百种。未经稀释的烟草烟雾中,含有如氰化氢之类的剧毒物质、酚类化合物
等致癌物;家用化学品,比如合成洗涤剂、杀虫剂等含有多种有机污染物,使用
不当会对人体产生多方面影响;生活用水中含有氯,可形成卤代烃,VOCS的来
源之一。
1.4 室内外空气污染物关系研究现状
1.4.1 国外研究现状
20 世 纪 60 年代末,荷兰 Biersteker[10]等人测量了鹿特丹的 60 间内
SO2和香烟颗粒物浓度,第一次指出民用建筑的 IAQ OAQ 之间存在着明显差异,
并且提出 IAQ 是影响人类健康的一个重要因素。这一研究促使更多的人把目光转
室内外空气污染物关系研究
4
向了 I/O 研究。
日本国立环境研究所 M.Ando 等对北京及东京主要道路及居住区进行了室内、
外空气质量监测。结果发现:不同粒径的颗粒物室内外浓度关系不同,粒径小于
10μm的悬浮颗粒物SPM的室内外浓度成正比关系;PAH 及致癌物质(如 B(a)P
等)的浓度也随着颗粒的粒径不同而不同,其中粒径小于 2μmPAH 及致癌物
质浓度最高;致癌物质的室内外浓度也成正比关系[11]
希腊雅典国立技术大学的 A.Chaloulakou 对某公立学校室内外一氧化碳浓度进
行了监测研究。通过对室内外一氧化碳日变化曲线的研究发现:室外一氧化碳浓
度峰值出现在早晨和晚上,室内一氧化碳浓度较室外具有时间延迟效应,且不同
季节的室内外一氧化碳浓度的日变化规律基本一致。室内一氧化碳浓度一般要低
于相应的室外浓度,测得的一氧化碳浓度的室内外比值呈现季节性变化[12]
Westlakes 科学咨询公司的 Steven Nylor 对室内氮氧化物的室内污染源和室外
污染源进行了定量研究。结果发现:在室内氮氧化物的主要污染源家用煤气灶
及热水器不燃烧的情况下,室内空气中的氮氧化物的变化趋势与室外一致。而当
室内煤气灶和热水器使用的情况下,室内空气中氮氧化物的污染主要是由室内源
所造成的[13]
Ilgen E.等对德国北部城市的一百个位于交通流量小的乡村地区以及交通流量
较大的街道两旁的家庭进行了空气中致癌物质芳香烃的监测。结果表明:位于交
通流量小的地区室内空气中的芳香烃主要来自于室内污染源,90%甲苯来自于室
内;随着交通流量的增加,室外机动车尾气则成为室内芳香烃的主要来源[14]
瑞典 Chalmers 技术大学的 Martin Kraenamer 通过模型及使用示踪气体,连续
监测不同通风条件下的室内空气来确定室内污染物的源和汇。通过研究发现室内
的一氧化氮、二氧化氮及臭氧等污染物主要来自于室外大气,同时室内存在着上
述气体的汇;而对 TVOCs 的监测表明:室内 TVOCs 既存在室内污染源又存在室
外污染源[15]
韩国 Yeungnam 大学环境工程系Sung-Ok Bark 等对韩国城市地区的家庭
办公室以及餐厅的室内与室外空气质量的相关性进行了研究。发现室内空气
VOCS主要来源于室外空气,而室外空气中的 VOCS的主要来源是机动车尾气;
内空气中主要的可吸入颗粒物的来源为室外机动车尾气、工业污染源以及室内取
暖和烧煮[16]
Yuguo Lia,Zhengdong Cheng 等人用平衡点法来评估了自然通风对于室内颗粒
物浓度的影响。通过模型的研究确定了一个室/室外微粒物的一个平衡点,当
外的粒子浓度比较高,与室内浓度的比值超过平衡点,户内的和户外的空气交换增
第一章 绪论
5
加,造成比较高的户内粒子浓度,反之亦然。用一个简单的不变模型研究一栋自
然通风的建筑物,室内的微粒子浓度,以及它和室外微粒浓度的关系。各种不同
因数的影响:渗透交换率,周围微粒浓度,室内污染源的浓度,室内外的人为活
动,室内外微粒浓度之间的关系也被调查,实际结果和预测的结果进行了很好的
比较[17]
S. C. Sekhar 等人运用一个由 CFD 和多空间污染物传播模型结合组成的模型来
研究机动车污染物对繁忙道路两边的影响。通过 12 个不同开放结构的窗口的数值
实验,用来研究气体变化率和室外污染物扩散对室内空气质量的影响。实验表明
迎风方向的窗口是对室内空气质量主要影响因素。一些交通污染严重的城市地区,
机动车排放的气体有可能以在街上的浓度通过窗口或空气入口进入到室内环境
中。并指出由于 CFD 模型建立了详尽的室内空气流通情况的数学模拟,因此为三
维建筑的概念提供了大量的信息。然而由于 CFD 计算中网格和解的收敛性的限制
使得 CFD 很难应用在房间多过两间的情况[18]
1.4.2 国内研究现状
近三年,国内各省市环保局和环境监测中心就室内主要空气污染物进行了监
测与分析,湘潭大学、南昌大学、福建师范大学、同济大学、东华大学、复旦大
学、上海环境科学研究院和中国疾病预防控制中心环境与健康相关产品安全所等
单位就室内空气污染及其影响因素与控制途径也进行了有益的探讨[19~21]
香港地区香港理工大学的 Christoper Y.ChaoKelvin K.Wong 对香港秋冬两季
室内外空气中颗粒物的污染水平进行了监测。结果发现:室内的 PM2.5 PM10
平均浓度要比西方国家高 24倍。并且室内外颗粒物浓度之间相关性不大[22]
香港地区香港理工大学的李顺成等于 1996 年至 1998 对香2个办公室
14 处公共场所、6个居民住宅进行了室内、外空气质量监测研究。研究表明:公
共场所的空气污染物的室内/I/O浓度比大于办公室及住宅;而室内一氧化碳、
二氧化碳、碳氢化合物及 PM10 I/O 主要是因为此类污染物的强穿透性及室内污
染源存在所致;同时发现位于道路两侧的监测点室内空气污染物浓度要高于位于
郊区的监测点;工作日办公室内的污染物浓度要高于休息日[23~25]
台湾地区国立台湾大学的李迟山对台北地区居民住宅空气中的多环芳烃
PAHs)进行了监测研究。结果表明:台北地区室内空气中 PAH 浓度高于室外,
而吸烟的家庭尤甚;由于冬季采暖增加,冬季室内空气中 PAH 浓度高于室外[26]
2003 年涂有、周志冲等人对选定的 14 间香港住宅的 PM10CONO2等主要
室内污染物浓度进行监测,通过建立多元线性回归模型,分析了室内外 PM10 浓度
与居民室内各种活动等其它有关因素之间的相关关系。结果显示:室内 CO 日平均
室内外空气污染物关系研究
6
浓度介于 03788.57g/m3之间,室内 NO2日平均浓度介于 18.78155.27g/m3
间。室内 CONO2日平均浓度满足香港政府推荐的室内空气质量指标的一级指标
的要求,但仍有个别住宅单元的 CONO2日平均浓度高于一级指标的要求,造成
浓度超过标准的原因依然是受住宅内吸烟与煮食活动的影响[27]
在上述研究的基础上,国内外专家又对不同类型的室内环境中的空气污染物
浓度进行对比研究。对比结果显示:厨房的 CO2PM10 的平均浓度分别高出客厅
14%67%。大多数客厅及厨房中的平均空气细菌浓度要高500CFU/m3厨房
的平均细菌总数比客厅高 23%,吸烟会加大苯、甲醛以及二甲苯对 IAQ 的消极影
响。使用 LPG 燃料比使用天然气对室内 VOCS的影响更大[28]。对住宅、办公室、
学校、购物广场以及餐厅等不同类型场所室内空气污染物进行了监测和对比研究。
发现空调教室、购物广场以及餐厅中的 CO2平均浓度及细菌总数要高于办公室和
住宅;住宅、购物广场及餐厅的室内 PM10 平均浓度高于室外;调查中室内 PM10
的最高浓度出现在餐厅,这主要是由于吸烟和烹饪造成的;餐厅、购物广场的甲
醛浓度比其它室内环境中的高得多;在室内外环境中的 VOCS主要是由汽车尾气排
放所造成的。且装修以及使用工业溶剂将会大大得提高室内 VOCS浓度[29]
1.5 室内空气污染模型的发展
连续监测室内空气污染物浓度存在着一定的困难,并且空气污染物的 I/O 浓度
的比值范围变化较大。这些原因都促使室内空气污染物浓度的预测模型的发展。
室内空气污染物的预测模型技术由简单的回归模型[30]发展到了现在的计算流体技
术(CFD[31]
理论上,传统的方法是根据污染物质量守恒,由以下方程得出污染物的浓度
分布:
cV
aFC
cV
C
cV
S
CF
dt
dC in
inoutB
in
)1(
(1-1)
Cin室内污染物浓度,mg/m3
FB因洗涤效应去除的污染物浓度分数,无量纲;
ν—空气交换率,次/h
Cout室外污染物浓度,mg/m3
S—室内污染物产生速率;
V—有效室内体积,m3
c—体积修正因子 c,无量纲;
λ—衰减速率,mg/h
q—通过空气净化装置的流量,m3/h
第一章 绪论
7
F—空气净化装置的效率,无量纲。
上述方程只是确定了室内污染物浓度随时间变化的规律,却无法描述空间上
的分布情况。一般情况下,污染物在建筑物内的分布并不是均匀的,具体分布形
式取决于室内污染源的位置和空气循环的情况。
对于空气流动的研究,CFD 技术Computational Fluid Dynamics已经有了实
际的工程应用,并且在大气环境的研究上也表现出了不俗的效果,在大气污染扩
散方面,CFD 软件有很多成功的应用案例。主要包括污染物扩散的数值模拟,烟
羽轨迹跟踪等。此外,在污染控制方面CFD 软件可用于模拟袋滤室、旋风除尘
器、电除尘器、烟气脱硫设备、有毒气体排放、SO2洗涤、颗粒物洗涤、工业污染
排放等过程和设备的模拟等[32]因此,CFD 技术研究室内污染的扩散规律是有
前途的方法之一,它能够从理论上给出室内污染物浓度时间和空间上的具体分布,
找到室内污染物的扩散规律。
1.6 本文研究内容及其意义
随着经济的发展,室内空气污染已成为城市面临的主要环境问题之一。上世
90 年代前,国内外都着重研究室内空气污染物,但影响室内空气品质的还有室
外空气污染物,特别是在一些城市典型场所,如城市交通主干道两侧、地铁、商
场、体育场(中心)等,室外空气污染物对室内的影响尤为明显,因此研究这些
典型场所室内外空气污染物之间的关系尤其重要。
为了控制好室内空气中的污染物,实现良好的室内空气环境。近年来,国外
对典型场所室内外空气污染物监测及分析、污染相关性进行了一些研究。研究表
明:不同场所由于建筑结构、通风方式及其室内污染源的不同,其主要室内污染
物的种类和浓度受室外的影响程度也有所不同。如商场、地铁站等人群密度高的
场所 COCO2浓度受室外影响较小。而交通主干道两侧室内的颗粒物、氮氧化物
受室外的影响就较大。但是,国内在这方面的研究较少,特别是在典型场所室内
空气污染源及其扩散,典型场所室内外空气污染物相关性及其室内污染物成分和
污染特性变化规律等方面的研究甚少。
目前,上海城市经济已达到国外中等发达城市水平,人们对城市环境、绿化、
居住环境也越来越重视,对所处地区的室内外空气环境质量要求也越来越高。为
此,上海每三年实施一个环保行动计划,其大气环境质量也在不断好转,但这并
不意味着室内空气环境质量已达到了令人放心的程度,尤其是典型场所,如城市
交通主干道两侧、地铁、商场的空气污染状况尤为严重。在典型场所室内外空气
污染及其净化方面,上海还没有系统完善的相关数据及其对策与措施。
摘要:

I目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论...............................................................................................................11.1大气污染概述.....................................................................................................11.2室内空气污染物的种类...............................................

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