环境教授教你轻松防护PM2.5
2015-03-04
作者简介：
翟志强，美国科罗拉多大学伯德分校土木环境建筑工程系终身教授，建筑工程专业主任教授。清华大学工程力学学士（1994）、流体力学硕士（1995），流体力学博士（1999），美国麻省理工学院建筑技术博士（2003）。主要研究领域：可持续性建筑和能源技术发展以及室内外空气环境质量评估和优化。
文章导读：
§ 国家发展策略：发电-供热燃煤燃油和车辆尾气（尤其重油车辆）是颗粒污染物主要成因，因此节能减排是唯一出路。
§ 个人实用攻略：
· 登高：到20米以上的地方工作睡觉。靠近马路（50米内）的建筑在5-10米高度处空气最毒，一定减少或不要开窗。
· 远离马路：至少100米，最好300米。
· 可以中午开窗透气：12-14点最安全，晚上最毒，18点之后千万不要开窗。低温潮湿气候时空气最毒。
· 尽量待在密闭室内：室内浓度是室外的一半。
· 使用合适过滤器：滤网过滤器对大颗粒和超细颗粒物效率高。
PM2.5定义
空气中颗粒污染物主要以固体颗粒和液滴的形式存在。一些颗粒物是直接排放出来的，而有些颗粒物是在大气中由互相（物理或化学的）作用而形成的。颗粒物的尺寸变化很大，从纳米到毫米都有，其形成、传播和危害机理都不同。一般来说，直径在10微米以下的颗粒物能够经过呼吸系统进入人体肺部，从而影响人体健康，因此往往被作为一个主要的空气颗粒物污染指标（称为PM10）。直径小于2.5微米颗粒物（PM2.5）被成为细颗粒物，因为更容易进入人体（包括呼吸甚至是体液系统），一般认为对于人体有更大的危害。细颗粒物很难被肉眼看见，只能在电子显微镜下可以清楚看到（图1）。直径在2.5-10微米之间的颗粒物被称作粗颗粒物，一般的工艺、道路和施工扬尘应该在这个大小范围。
图1：PM2.5和PM10的大小
(http://www.epa.gov/air/particlepollution/basic.html)
大气中存在各种尺寸的颗粒物，从几个纳米到几十毫米，但一般来说，其质量浓度在10微米和0.2微米会出现两个峰值，而真正直径在2.5微米的并不多（图2）。
(http://www.intechopen.com/books/current-topics-in-public-health/atmospheric-nanoparticles-and-their-impacts-on-public-health)
PM2.5传播
颗粒物在空气中的存在和传播随环境因素影响很大，比如说风速、风压、温度、湿度、以及高度等。一般认为无风、湿润和低温的环境更容易具有高的细颗粒物浓度。高温干燥天气颗粒物散播的可能性最小。图3显示了北京市中心PM2.5和PM10浓度在一天内随温度和湿度的变化情况。可以看到，整体来说，夜间呈现低温高湿的气候状况，夜间的颗粒物浓度要比白天高。美国环境署（EPA）的研究也指出了相同的结论（图4）。
（http://ies.jrc.ec.europa.eu/Units/cc/events/torino2001/torinocd/Documents/Urban/UP25_files/image007.jpg
图4：颗粒物浓度随温度和湿度的变化
（http://www.epa.gov/ncer/progress/images/R827352C006_04_017.gif）
另外，细颗粒物的浓度分布随高度也发生变化，一般来说近地面浓度最高，20米以上基本较小（图5）。在靠近主要交通道路的地区（50米内），5-10米高度处的颗粒物浓度最高（图6），当然这个结论会受当地具体风向和风速（以及地表面温度等）的影响。很多研究显示靠近交通路段100米以内的地区颗粒物浓度显著增加，而在100米之外会随着风向迅速衰减（图7）。
图5：颗粒物浓度随高度变化
(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969707002999)
图6：颗粒物浓度在距离交通道路50米下风向时的浓度随高度变化情况
（http://www.epa.gov/ncer/progress/images/R827352C006_04_018.gif）
(http://cfpub.epa.gov/ncer_abstracts/index.cfm/fuseaction/display.abstractDetail/abstract/6984/report/2004
PM2.5成因
细颗粒物的来源非常复杂，主要来自各种燃烧过程，比如工业燃烧、汽车尾气、发电燃煤、野火、和民用炊事等。不同国家地区的主要成因也因为社会生产生活形态的不同而不同。图8显示在美国80年代农业燃烧、民用实木燃烧、燃油燃烧和重油车辆尾气是主要的细颗粒物的成因。在中国城镇，原油或煤炭燃烧和重油车辆尾气是当前主要的污染源。欧洲的研究也确认了产生建筑所需的能源是造成细颗粒物的主要原因，其次是交通（图9）。北京大学和中国环境科学研究院在2002年的一个报告分析了北京颗粒物的来源分布，指出燃煤和车辆尾气是两个主要的成因，同时也指出了其他一些污染源如扬尘（图10）。另外一个北京的研究指出重油车辆尾气是城区夜间颗粒物浓度显著增加的主要原因（重油车辆只被允许夜间在城区运行）（图11），而郊区浓度明显低于城区。南京的一个实测研究也发现了同样的现象（图12），但除了交通的影响外，该研究还指出早上7点之前地表空气温度反层的存在是导致凌晨颗粒物高浓度的主要原因，随着太阳辐射的增加，正向大气对流逐渐带走污染物，在午后达到最低点。
（http://www.badwaterjournal.com/Bad_Water_Journal/airport_ultra_files/particulate%20size%20emissions.jpg）
）
（http://wwws1.eea.europa.eu/data-and-maps/figures/sector-contributions-of-emissions-of-2/image_xlarge）
图10：北京PM2.5的主要来源
（http://www.giss.nasa.gov/meetings/pollution2002/figs/d1_zhang_1.gif）
(http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1352231013003191)
（http://www.intechopen.com/books/advanced-air-pollution/observational-study-of-black-carbon-in-the-north-suburb-of-nanjing-china）
PM2.5危害
细颗粒物对于人类和动物都有严重的负面影响。极细颗粒物可以进入人体的肺部，甚至是血液系统（心血管系统），对于纳米级的颗粒物，研究甚至发现它们可以进入动物的大脑和神经系统。而这些细颗粒物一旦进入脏器，将很难或基本不可能再逸出。
短期（几小时到几天）的吸入细颗粒物会加速肺部疾病，引发哮喘和急性支气管炎，并易感染呼吸性疾病。有心脏疾病的人群还可能导致心肌梗塞和心律不齐。短期吸入细颗粒物对于健康成人和小孩应该不会产生严重的后果，可能出现短暂的咽喉不适。然而长期（多年）居住在该地区会导致肺功能衰竭、慢性支气管炎、甚至早逝。
PM2.5防护
众多的研究表明，室内的细颗粒物浓度明显低于室外（图14），这是因为细颗粒物主要来自于室外，而经由通风和渗漏进入室内。如果能够保持建筑的密封性（减少门窗的开启和渗漏），而室外空气有空调过滤系统引入室内，有效的过滤系统应该可以较好地过滤不同尺寸的颗粒物。现有的吸附性过滤材料对于大颗粒和超细颗粒的过滤效果比较好，而对于0.1-1微米的颗粒物的过滤效果较差（高性能过滤器也就是50%左右效率）（图15）。静电除尘系统在某种程度上弥补了吸附性过滤器的缺陷。图16给出了不同等级吸附性过滤器的效率，由图可见要有效过滤细颗粒物必须选用MERV13以上的过滤材料，而MERV数越大的过滤材料意味着更厚更密的滤网，也就意味着更大的空气流动阻力，因此需要更大的风机，从而需要消耗更多的电能并产生更大的噪音。
图14：室内外不同粒径颗粒物浓度对比
（http://www.epa.gov/ncer/progress/images/R827352C006_04_043.gif）
图15：不同过滤器对于不同粒径颗粒物的过滤效率
(http://energy.lbl.gov/IED/viaq/v_filtration_1.html)
图16：针对不同粒径颗粒物的过滤材料选择
（http://www.ontimeairfilters.com/air-filter-merv-rating）
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