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2018, 35(1):33-38.doi:10.13213/j.cnki.jeom.2018.17538

北京市冬季采暖期家用空气净化器净化效果评价


北京大学医学部公共卫生学院劳动卫生与环境卫生学系, 北京 100191

收稿日期: 2017-08-29;  发布日期: 2018-05-14

基金项目: 国家科技部十三五重点研发计划(编号:2017YFC0702700);国家自然科学基金(编号:91543112,81571130090);美国中华医学基金会项目(编号:CMB 15-228)

通信作者: 邓芙蓉, Email: lotus321321@126.com  

作者简介: 胡大宇(1992-), 男, 博士生; 研究方向:分子环境医学; E-mail:

[目的] 了解北京市采暖期住宅室内外颗粒物浓度,并评估家用净化器对室内颗粒物的净化效果。

[方法] 2015年11月-2016年1月间,选择北京市某区15户住宅,采用粉尘仪实时监测每户在开启家用型高效颗粒物空气(HEPA)净化器前后各24 h室内外PM2.5和PM10质量浓度,并在净化器开启后采用多通道仪监测室内PM2.5、PM10及其他多种粒径颗粒物浓度;采用室内外颗粒物浓度比值(I/O值)描述室内颗粒物相对室外的污染水平,并用配对样本的Wilcoxon符号秩检验比较净化前后I/O值差异;采用颗粒物清除率评价短时净化效率,并采用Friedman M检验和Wilcoxon符号秩检验进行比较。

[结果] 各户净化器运行前后的日均PM2.5浓度的I/O值中位数及四分位数间距分别为1.79(2.63)和0.46(0.49),PM10的I/O值中位数及四分位数间距分别为1.44(1.65)和0.40(0.46)。PM2.5和PM10净化前后的I/O值差异均有统计学意义(P < 0.05)。净化器开始运行到室内颗粒物浓度达稳定水平的时间约为3 h,对空气动力学直径≤ 0.3 μm的颗粒物平均清除率为59.03%;> 0.3~0.5 μm的颗粒物为63.08%;> 0.5~1 μm的颗粒物为67.00%;PM2.5为63.60%;PM10为71.91%。不同粒径颗粒物的清除率差异具有统计学意义(P < 0.05)。

[结论] 家用型HEPA净化器可降低室内PM10、PM2.5及更小粒径颗粒物浓度,在3 h内降低不同粒径颗粒物浓度60%以上,其对不同粒径颗粒物的去除效果有所不同。

关键词: 颗粒物;  空气净化器;  室内空气;  I/O值;  净化率 

大气颗粒物是我国大部分城市的首要污染物,也是近年来造成我国大范围雾霾天气的主要原因。现有研究表明,大气颗粒物可以直接对呼吸系统产生危害,如引起肺损伤、诱发哮喘;此外,大气颗粒物还与心脑血管疾病的发生相关[1-4],并且不同粒径颗粒物对健康的影响存在差异[5]

北方地区冬季采暖期燃料燃烧增加,加上部分时段气象条件不利于颗粒物扩散,导致我国以京津冀地区为代表的北方大城市秋冬季雾霾天气频发[6-7]。研究表明,城市居民(尤其中老年人或慢性病患者)一天中约有80%以上的时间在室内度过[8],室内空气质量对其健康有明显影响。在短期内无法降低大气颗粒物浓度的情况下,采用人工空气净化装置降低室内颗粒物浓度是减少人群颗粒物暴露所致健康风险的有效手段之一。在较封闭的试验仓或较稳定的室外颗粒物背景浓度条件下,可采用颗粒物短时净化效率评价空气净化器对微环境的短时净化效果。既往试验仓研究表明,高效颗粒物空气(high-efficiency particulate air,HEPA)净化器对PM2.5的净化效率可达80%以上[9-10],但针对其在更为复杂的实际住宅环境中净化效率的研究尚不多见。HEPA净化器能否有效净化家庭住宅环境中的颗粒物?其净化效率以及对不同粒径颗粒物的净化效果是否存在差异?目前尚不十分清楚。

本研究拟通过对北京市冬季采暖期15户住宅中HEPA净化器运行前后室内外颗粒物浓度的比较,评价家用净化器对居民住宅室内颗粒物的净化效果。

1   材料与方法

1.1   测量对象及时间

本研究初始招募21户北京市海淀区居民配合研究。排除非自然通风、临近建筑工地、室内有吸烟者或饲养宠物的住宅后,共纳入15户住宅。在2015年11月—2016年1月间完成对全部住宅的监测。

1.2   监测仪器

采用AM510型粉尘监测仪(后文简称“粉尘仪”) (TSI,美国)同步监测住宅室内外PM2.5及PM10浓度。为进一步了解净化器对室内不同粒径颗粒物的净化效果,采用PC3016-IAQ型多通道颗粒物检测仪(后文简称“多通道仪”)(Graywolf,美国)监测净化器运行前后室内不同粒径的颗粒物浓度。空气净化器为经国家质检机构检验合格并上市的某款过滤颗粒物、洁净空气输出比率在200~299范围内的家用型HEPA净化器,厂家声明的适用面积为31~40 m2

所有监测仪器在测量后均进行维护、调零和校准,监测期间内可保证数据准确性。整个试验过程中保证每台净化器的使用时长一致。

1.3   监测方法

在所监测的15户住宅中,净化器均置于起居室内,档位开至中档,距离室内监测仪器采样头3 m以上。净化器开始运行后3 h内告知住户勿进行室内打扫并减少走动。叮嘱住户在监测期内勿开窗通风,并尽量减少居室内打扫次数。采用时间活动日志对起居室内打扫活动进行记录,用于比较净化器运行前后打扫的强度是否接近。

监测仪器安装于研究对象的住宅起居室内较开阔、距离地面1m高的位置。在每户住宅室内,采用2台粉尘仪分别实时监测PM2.5和PM10质量浓度;并采用1台多通道仪监测不同粒径颗粒物的数量浓度和质量浓度,但受限于多通道仪的数量,仅监测其中10户住宅。每户住宅同时另采用2台粉尘仪对室外PM2.5和PM10同步监测,开关机时间与室内粉尘仪相同。均连续监测净化器运行前后室内外颗粒物浓度各24 h,共48 h。所调查住宅的住户均签署知情同意书。

1.4   监测指标

采用室内外颗粒物浓度比值(I/O值)作为参数,对同一住宅净化器运行前后室内颗粒物污染水平进行分析。I/O值=Cin/Cout。其中,Cin为室内某粒径颗粒物浓度,Cout为相应的室外浓度。净化器运行前后,室外颗粒物浓度可能存在差异,直接比较室内颗粒物浓度的绝对值会存在偏倚。I/O值可用于比较净化器运行前后室内颗粒物的相对浓度,该指标可在一定程度上控制偏倚[6, 11],更准确地反映净化器在1 d内净化颗粒物的总体效果。

当分析净化器对颗粒物的短时净化效率时,I/O值不够灵敏,此时采用颗粒物清除率η进行分析[9-10]η=[(C0-C1)/C0]。其中,C0为净化器开始运行时室内颗粒物的浓度,C1为运行2~3 h后室内颗粒物降至的稳定浓度,该浓度由颗粒物“浓度-时间曲线”获得。

1.5   统计学分析

应用Excel 2013进行数据整理及图表绘制,SPSS 20.0进行统计分析。所有住宅室内PM2.5和PM10监测数据汇总后呈非正态分布,用中位数(M)和四分位数(P25~P75)描述;各户住宅日均PM2.5和PM10水平用均值和标准差描述。以日均值数据计算各户I/O值,采用配对样本比较的Wilcoxon符号秩检验比较净化前后I/O值差异。采用多个相关样本比较的Friedman M检验比较多种粒径颗粒物的清除率,并采用Wilcoxon符号秩检验比较PM2.5和PM10的清除率。检验水准α=0.05。

2   结果

2.1   室内颗粒物污染现状

15户住宅基本情况如表 1

表1

15户住宅起居室的基本参数

Table1.Basic information of living rooms in selected 15 houses

净化器运行前,监测得到的15户住宅室内PM2.5质量浓度的变化范围为2~655μg/m3(M为21μg/m3P25~P75为10~63μg/m3);PM10的室内质量浓度变化范围为8~668.2μg/m3(M为39μg/m3P25~P75为15.3~68.4μg/m3)。运行后,PM2.5的室内质量浓度变化范围为1~308μg/m3 (M为18 μg/m3P25~P75为7~41 μg/m3);PM10的室内质量浓度变化范围为3~730 μg/m3(M为30.8 μg/m3P25~P75为14~61.8μg/m3)。

各户室内PM2.5和PM10日均质量浓度见图 1。净化器运行前,PM2.5和PM10日均值存在高于100 μg/m3,甚至高于150 μg/m3的情况;运行后,PM2.5和PM10日均值则均低于100μg/m3

图 1

各户净化器运行前后室内PM2.5(A)和PM10(B)日均质量浓度

2.2   净化器对室内颗粒物的总体净化效果

2.2.1   对室内PM2.5和PM10的净化效果

净化器运行前后,PM2.5和PM10的I/O值差异均有统计学意义(P<0.05)。净化器运行后,PM2.5的I/O值呈现明显下降趋势:其中,第1、2、3、9、10和14户下降幅度在70%以上,第4户和第6户下降幅度在55%~60%,第5、8、11、12和15户下降幅度在20%~45%。第7户和第13户的净化器运行后PM2.5的I/O值略高于运行前。同样,净化器运行后,第1、2、3、9、10和15户的PM10的I/O值下降幅度均在70%以上,第4、5、6、7、11、12和14户下降幅度在14%~46%。第13户净化器运行后PM10的I/O值与运行前相同。见表 2

表2

净化器运行前后PM2.5和PM10日均质量浓度I/O值

Table2.I/O ratios of daily averages of PM2.5 and PM10 without and with air purifiers operating

2.2.2   呈现不同特征的两住宅室内外颗粒物质量浓度

第7户和第13户净化器运行后PM2.5的I/O值升高,第7户PM2.5的I/O值降幅低于20%,第13户未发生变化。两户的室内外颗粒物浓度监测数据显示:第7户净化器运行前的24 h室外PM2.5和PM10质量浓度较高,运行后的24 h室外PM2.5和PM10质量浓度很低;第13户净化器运行前的24 h室外PM2.5和PM10质量浓度较低,运行后的24h室外PM2.5和PM10质量浓度明显较高。见表 3

表3

第7户和第13户住宅室内外PM2.5和PM10质量浓度(μg/m3

Table3.Indoor and outdoor mass concentrations of PM2.5 and PM10 of No.7 house and No.13 house

2.3   净化器对室内颗粒物的短时净化效率

净化开始后不同时点PM2.5净化率如图 2所示,其余粒径颗粒物净化率曲线的趋势与PM2.5相似。随着时间增加,净化开始后约150 min,10户的PM2.5平均净化率可达到60%~70%。

图 2

10户住宅启动净化器后短时间内(<3h)的PM2.5平均净化率

通过对不同粒径颗粒物的“浓度-时间”曲线进行分析可发现,净化器运行后,采用多通道仪监测的10户住宅室内颗粒物浓度均在3 h内降至稳定浓度C1。结合净化器运行时的初始浓度C0,可计算η。在3h的监测期间内,各户室外PM2.5浓度变化范围较小,且室外PM2.5浓度低于室内浓度。监测结果显示,各粒径颗粒物的10户平均清除率在59%~72%,3种小粒径颗粒物的平均清除率差异存在统计学意义(χ2=6.89,P=0.032),PM2.5和PM10的平均清除率差异也存在统计学意义(Z=-2.19,P=0.028)。见表 4

表4

10户住宅室内不同粒径颗粒物3h清除率及相关数据

Table4.Three-hour purification rates and relevant data of different size-fractionated particulate matters in 10 houses

3   讨论

冬季采暖期,北京城区采取自然通风的住宅在门窗关闭条件下也会出现室内颗粒物污染。在本研究中,净化器运行前住宅室内PM2.5和PM10日均质量浓度存在高于150 μg/m3的情况。我国现行的GB/T 18883— 2002《室内空气质量标准》未对住宅环境与其他室内环境进行区分,同时没有针对室内PM2.5的相应标准,标准中仅规定室内PM10日均值需小于0.15 mg/m3,即150 μg/m3[12]。GB 50325—2010《民用建筑工程室内环境污染控制规范》虽将住宅归入I类民用建筑工程,但并未对住宅室内颗粒物浓度设置限值[13]

在本研究中,净化器运行后,所研究住宅室内PM2.5和PM10日均值均低于100 μg/m3。与GB/T 18883—2002标准进行比较,HEPA净化器运行后,即使在北京冬季采暖期的高颗粒物污染背景下,室内PM10日均值在各户也均未超100μg/m3。运行净化器后室内PM2.5和PM10的I/O值明显下降,但第7户及第13户PM2.5的I/O值与总体趋势相反,PM10的I/O值则降幅较小,甚至未发生变化。进一步分析发现,第7户在净化器运行时,室外颗粒物质量浓度较前一天出现大幅下降,渗透进入室内的质量浓度骤减。该低质量浓度下,净化器对室内颗粒物质量浓度的降低幅度很小,其I/O值甚至高于室外颗粒物浓度高时单纯靠关闭门窗阻挡颗粒物穿透进入室内所形成的I/O值。第13户净化器运行前一天,室外颗粒物浓度已相当低。该质量浓度下,若住户门窗紧闭,室外颗粒物向室内的渗透更少,造成颗粒物的I/O值低于净化器净化后的I/O值。由此总结:与高颗粒物浓度时相比,低浓度时HEPA净化器的净化效率较低。

除可明显降低I/O值外,HEPA净化器可在3 h内将住宅室内颗粒物降至稳定水平。比较不同粒径颗粒物的短时净化效率,发现随着粒径的减小,净化效率下降。本研究中监测的颗粒物最小粒径为≤0.3 μm,其各户平均短时净化率约60%,说明HEPA净化器能在颗粒物经门窗缝隙向室内不断渗透的情况下,短时间内降低不同粒径颗粒物质量浓度60%以上。

采用净化器作为颗粒物暴露干预手段的几项研究结果与本研究结果一致。有研究发现,采用空气净化器干预可降低大学生宿舍内PM2.5浓度达57%[14],而在面积更大的学校教室中PM2.5浓度可降低40%~ 50%[15]。此外,有研究发现净化器的使用与人群健康的改善相关,如与哮喘儿童呼吸系统症状的改善[16-17]、小学生呼气峰流速的增加[15]及健康大学生外周静脉血中炎症和血栓标志的降低存在关联[14]。了解空气净化器的净化效率,对进一步研究采用净化器干预对人群健康的影响有一定的参考价值。

本研究也存在一些局限性。第一,颗粒物的I/O值与多种建筑相关参数有关,尽管研究期间限制了住户的开窗通风及室内打扫活动,但由于未能对房屋结构、室内空气的换气次数及室内颗粒物的自然衰减速率进行采集,故未能建立针对净化器净化效率的详细数学模型;第二,本研究纳入的住户数量较少,由于研究监测对象为实际的家庭住宅,为控制相应的混杂因素及分析影响净化效率的因素,未来研究中可进一步增加对不同建筑结构的房屋、不同室外颗粒物污染水平的监测;第三,由于仪器使用条件限制,未能对室外除PM10和PM2.5外其他粒径的颗粒物浓度进行同步监测。

综上,在冬季采暖期,采用HEPA空气净化器作为干预手段,可有效降低北京居民室内PM10、PM2.5及更小粒径颗粒物的暴露水平。在雾霾天气中应合理使用空气净化器以降低人群颗粒物暴露水平,从而在一定程度上保障人群健康。

表1

15户住宅起居室的基本参数

Table 1 Basic information of living rooms in selected 15 houses

图 1

各户净化器运行前后室内PM2.5(A)和PM10(B)日均质量浓度

Figure 1 Daily average mass concentrations of PM2.5(A)and PM10(B)without and with air purifiers operating

[注]*:第8户监测室内PM10质量浓度的粉尘仪故障。 [Note]*: The PM10 monitor in No.8 house was identified as malfunction.
表2

净化器运行前后PM2.5和PM10日均质量浓度I/O值

Table 2 I/O ratios of daily averages of PM2.5 and PM10 without and with air purifiers operating

表3

第7户和第13户住宅室内外PM2.5和PM10质量浓度(μg/m3

Table 3 Indoor and outdoor mass concentrations of PM2.5 and PM10 of No.7 house and No.13 house

图 2

10户住宅启动净化器后短时间内(<3h)的PM2.5平均净化率

Figure 2 Average short-term(< 3 h)purification rates of PM2.5 in 10 houses

表4

10户住宅室内不同粒径颗粒物3h清除率及相关数据

Table 4 Three-hour purification rates and relevant data of different size-fractionated particulate matters in 10 houses

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[基金项目] 国家科技部十三五重点研发计划(编号:2017YFC0702700);国家自然科学基金(编号:91543112,81571130090);美国中华医学基金会项目(编号:CMB 15-228)

[作者简介] 胡大宇(1992-), 男, 博士生; 研究方向:分子环境医学; E-mail: hdy@bjmu.edu.cn

[收稿日期] 2017-08-29 00:00:00.0

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