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基于空气负离子浓度的城市环境空气清洁度评价

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生态环境学报2013,22(2):298-303 Ecology and Environmental Sciences http://www.jeesci.com E-mail:editor@jeesci.tom 基于空气负离子浓度的城市环境空气清洁度评价 王薇L ,余庄 ,冀凤全 1.安徽建筑工业学院建筑与规划学院,安徽合肥230022;2.华中科技大学建筑与规划学院,湖北武汉430074 摘要:选取安徽合肥和广东深圳为研究对象,收集其空气正、负离子浓度、风速、空气温度、相对湿度、材料和植物负离子 浓度等数据并分析。结果显示,空气负离子浓度与风速、水、植物、相对湿度等有较为密切的关系,其中最主要的影响是水, 其次是风,最小的是气温;并根据对城市室内外环境的实测研究,利用空气离子单极系数及安倍空气离子评价指数对城市室 内外环境的空气质量进行初步评价,结果表明,从城市室内环境到城市居住区环境、城镇、自然生态环境空气清洁度逐步变 好。城市居住区环境中,以低层高密度住区的空气质量最好,空气负离子浓度为289个/cms,空气质量达到1.7,空气清洁 度为最清洁;而高层居住区最差,空气负离子浓度为139- ̄'*/cm0,空气质量达到0.O8,空气清洁度为重污染。城市室内环 境中以自然通风和有新风进入的房间空气质量最好,同时放置负离子发生器对室内空气质量也有显著提高。因此,建议在城 市规划建设中采取有效措施以提高空气负离子浓度的分布,从而改善城市生态环境以创造舒适宜居的空气环境,并把空气负 离子浓度列为室内环境的监测和评价指标,为今后城乡建设规划、城市林业规划和环境能源保护提供科学依据和设计思路。 关键词:空气负离子浓度;城市环境;空气质量;空气清洁度;评价指数 中图分类号:X16 文献标志码:A 文章编号:1674.5906(2013)02.0298.06 引用格式:王薇,余庄,冀凤全.基于空气负离子浓度的城市环境空气清洁度评价[J】.生态环境学报,2013,22(2):298-303. WANG Wei,YU Zhuang,JI Fengquan.Evaluation of air cleanness degree of the urban environment based on negative air ion concentration[J】.Ecology and Environmental Sciences,2013,22(2):298-303. 空气负离子具有杀菌、降尘、清洁空气、提高 免疫力、调节机能平衡的功效,因而被誉为“空气 维生素和生长素” ]。它是德国科学家Elster和Geital 于1889年首次发现的。1902年Aschkinass和Caspari 等肯定了空气负离子存在的生物学意义,1931年一 位德国医生发现了空气负离子对人体的影响,1932 年美国CRA公司的汉姆逊发明了世界上第一台医 用空气负离子发生器,此后空气负离子的科研在一 些发达国家普及。我国对空气负离子的研究起步较 晚,1978年由伊朗沙哈瓦特博士引进的一台电子仪 器——生物滤器(biological filter),即是我国负离子 发生器的前身,开启了我国对空气负离子的研究工 作;历经20世纪80年代初和90年代初2个负离子的 研究发展高潮【2J,取得了许多研究成果。在这些科 研工作中,空气负离子浓度的研究主要集中林业工 作者和医学工作者之列,他们关注人为干扰和自然 环境中空气负离子水平以及空气负离子在医疗保 健中的作用及其机理、空气负离子资源的开发利用 等p】方面。 随着以煤炭为主的能源消耗的大幅攀升和机 准》已不能完全适应空气质量管理要求。面对逐渐 恶化的环境状况,人们在世界范围内掀起了一股空 气负离子研究的热潮,开始了空气负离子与环境关 系的研究。目前,国内外关于空气负离子的研究内 容主要包括不同城市绿地结构、不同植被类型、不 同树种、不同生态结构、城市森林结构等不同生态 环境对空气负离子浓度的影响,以及森林旅游资源 评价中空气负离子研究等 ]。研究发现,空气负离 子浓度越高,空气越清洁,感觉就越舒服;空气负 离子含量少,且正、负离子浓度比例大,空气就越 差L5J。因而在环境评价中,空气负离子浓度被列为 衡量空气质量好坏的一个重要参数【6J,又称为空气 清新程度的指南针。 空气负离子的含量水平已作为公园建立森林 浴场、森林别墅区、度假疗养区、负离子吸收区的 重要依据 】。但是城市和建筑环境中的空气负离子 研究属于应用基础研究,在我国尚无系统的研究, 处于初步探索阶段。根据国内外学者的研究并结合 学科特点,本文课题组开展空气负离子与城市室内 外空气质量的研究,通过观i贝4分析自然环境和城市 动车保有量的急剧增加,现行的《环境空气质量标 级教学团队项目(2011TX01) 环境的空气负离子浓度、热环境主要影响因子以及 基金项目:2013安徽省教育厅自然科学项目(KJ2013A069);2012.2013年安徽省教育基本建设学会科研项目(1211-3);安徽建筑工业学院校 作者简介:王薇(1975年),女,副教授,国家一级注册建筑师,博士生,研究方向建筑技术和人居环境。E-mail:vivi.gan@126.corn 收稿日期:2012—06.23 王薇等:基于空气负离子浓度的城市环境空气清洁度评价 周边环境因子等数据,利用单极系数和安倍空气质 量评价指数进行分析,旨在找出街区城市适宜的规 划布局、建筑空间形态、建筑外部形体和材料以及 下垫面类型等,从而在城市的规划层面,进行符合 气候和生态资源运行状态的设计,不仅可以形成较 好的城市空气质量,同时对于优化城市生态环境和 城乡规划建设的水平有着重要的意义。 1 研究概况及方法 1.1研究对象概况 根据201 1年1O—l1月对城市居住区环境和办 的标准,常规采用单极系数和安培空气质量评价系 数这2个应用最广的评价指标,课题组根据测定的 空气负离子浓度数据,对单极系数和安倍空气离子 评价指数进行了分析。 1.3.1单极系数(g) 在正常大气中,空气正、负离子浓度一般不相 等,这种特征被称为大气的单极性【们。单极性用单 极系数来表示,即空气中正离子与负离子的比值, 即g 一。单极系数越小,表示空气中负离子浓度 比正离子浓度高得越多,对人体越有利。日本学者 公楼室内环境进行空气负离子浓度的测定。 I.1.1城市居住区环境 安徽省合肥市属亚热带湿润季风气候,全年气 温夏热冬冷,春秋温和,年平均气温15.7℃。测 试区域选取高层小区、多层小区、低层高密度小区 等3种具有代表性的不同居住模式小区。观测期间 气象稳定,晴天,平均气温在21℃左右。 1.1.2办公楼室内环境 广东省深圳市龙岗区某办公楼地处亚热带季 风气候,雨热同期,降水充沛,夏季高温多雨,冬 季寒冷少雨。最热月平均温一般不超过30℃,最 冷月平均温一般不低于10℃。 该办公楼总裁办公室位于顶层走道尽端,采用 可再生能源技术制冷,可再生能源是一种清洁且可 持续利用的能源,在环境日益恶化的情况下,促进 可再生能源应用是节约能源、减少排放的最佳途 径。即将采集的地下冷热源(室内地板散热器的循 环水与地下冷热源集水管中的水进行循环)来调节 进入室内的新风温度,并通过与新风冷热交换系统 进行热交换;然后,收集建筑内部已经使用后的废 风,与新鲜空气交换热量后,排出室内 。 普通办公室则采用空调制冷,无新风进入。底 层门厅无空调设备,为自然通风状态。 1.2研究方法 主要观测项目有空气正、负离子浓度、风速、 空气温度、相对湿度、室内空气等。空气正、负离 子浓度(个/c )用日本原产的KEC.990负氧离子 测试仪,距地面1.5 m处,与成人呼吸高度基本一 致。用KEc.R2型高智能记录仪使之与PC相连, 实时显示空气正、负离子浓度与温度并记录。每天 9:00---15:00进行观测,每次采气10 arin,其中5 arin 负离子和5 rain正离子,间隔l s读数1次,每次 取前50个极值计算平均值;温度和风速每次采气 10 min,间隔1 S读数1次,取平均值;空气相对 湿度每次采气5 min,取平均值。 1.3评价方法 目前国内外对空气负离子的评价还没有统一 研究表明,当n大于1 000个/cm ,且 值小于1 时,空气清洁舒适,对人体健康最为有益【们。 1.3.2安倍空气质量评价系数(CZ) 日本学者安倍通过对城市居民生活区空气离 子的研究,建立了安倍空气离子评价指数【8】0安培 空气质量评价系数反映了空气中离子浓度接近自 然界空气离子化水平的程度,即CI=(n/l 000)× (1幻)[9】o C _一空气质量评价指数;/I-——空气负离子 浓度( ̄'/cm ); —_单极系数;1 00O一满足人 体生物学效应最低需求的空气负离子浓度(个 /cm )。 空气质量评价指数把空气负离子作为指标,同 时又考虑了正、负离子的构成比,较为全面和客观, 因此,在国外的城市空气离子评价中已经得到了广 泛的应用【l们,其评价标准见表1,按空气清洁度指 数可以将空气质量分成5个等级。 表1 空气清洁度与空气质量评价指数(CI】 Table 1 Aircleanlinessand airquality assessmentindex(CI) 等级 空气清洁度 指标(CI) A 最清洁 >1.O0 B 清洁 1.00-0.70 C 中等清洁 O.69 ̄o.5O D 允许0.4 .3O E1 轻污染 O.29-0.19 E E2 中等污染 O.18-0.I E3 重污染 <0.09 2实测分析 2.1 实验结果 2.1.1 自然生态环境 2011年9月22—28日期间,课题组对不同自 然生态环境场所的空气负离子浓度进行观测研究, 观测结果见表2。由表2可以看出,地面上的空气 负离子浓度随着地理环境因素(瀑布、海边、峡谷 等)不同差别很大,但不因地域变异,即只要具有 相似的地理环境因素都呈现出规律性的分布【ll】:瀑 300 生态环境学报表2 自然生态环境的空气离子浓度与风速、湿度、气温观测记录 Table 2 Me ̄第22卷第2期(2013年2月) ement record ofair ion concentration and wind speed,relative humidity,air temperature in natural environment 布比海边高,山林比平地高,郊外比县城高,有水 的地方比无水的地方高,有植物的地方比无植物的 地方高,其中瀑布口的空气负离子含量最高,从高 到低的排序为:瀑布>海边>峡谷>溪流>县城。 2.1.2城市居住区环境 观测结果见表3。低层高密度、多层和高层代 表目前城市居住区中比较典型的3种居住模式,空 气负离子浓度随着不同居住模式而呈现不同变化。 其中低层高密度居住区的空气负离子含量最高,达 到289个/cIn3,从高到低的排序为:低层高密度居 住区>多层居住区>高层居住区。 2.1-3 办公楼室内环境 械通风状态下的要高,可再生能源技术制冷的室内 空气负离子比普通空调制冷的要高,而放置空气负 离子发生器对室内空气负离子浓度有明显增大作 用。据有关研究表明,空气负离子浓度达到700个 /cm 以上时有益于人体健康。因此,总裁办公室和 自然通风状态下的办公室内空气负离子浓度对人 体健康有益。 2.2结果分析 2.2.1城市室外环境评价 空气负离子浓度的大小是空气清新程度的指 南针。空气负离子的含量水平已作为公园建立森林 浴场、森林别墅区、度假疗养区、负离子吸收区的 重要依据,对游客有很大的吸引力【5】。根据课题组 前期对自然生态环境的测试可以看出,自然生态环 境明显高于城市居住区环境,在有水和绿化环境丰 富的地方,空气负离子浓度很高,尤其瀑布的空气 负离子浓度最高,平均值达到26 500个/cm3,空气 观测结果见表4。普通办公室在自然通风状况 下空气负离子浓度最高,平均值为806个/cm ,机 械通风(普通空调制冷)状况下则最低,平均值为 147 ̄'/cm 。在室内温湿度较舒适的情况下,总裁 办公室的空气负离子浓度最大,平均值769个/cm3, 比普通空调制冷房间的高出5倍多。 由此可见,自然通风状态下的空气负离子比机 质量最清洁,超过最高等级标准值370倍以上。这 是由于瀑布口的Lenard效应强烈,产生的空气负离 表3城市不同模式居住区空气离子浓度与风速、湿度、气温观测记录 Table 3 Me ̄ement record ofair ion concentration and wind speed,relative humidity,air temperature in diferent settlement patterns ofurban residential areas 表4办公楼室内各观测点空气离子浓度与风速、湿度、气温观测记录 Table 4 Meas ̄emem record ofair ion concentration and wind speed,relative humidity,air temperature in diferent office interior nvieronments 注:主点I与主点2在同一个方位,上下层的关系;主点1与主点3分列走道两端 王薇等:基于空气负离子浓度的城市环境空气清洁度评价 301 子影响距离最远【l引,水速流动的越快,空气负离子 浓度越高,空气就越清洁。而城市作为人口聚集区, 尘埃、废气、各种微粒组成的气溶胶等污染物含量 较高,这些物质与空气负离子结合,影响了空气负 离子的存活时间;同时城市中的树木和绿地明显少 于县城和自然环境,市区内的路面多以水泥和沥青 路面为主,阻隔了来自土壤的电离源【l引,从而空气 质量大大下降。 城市居住区环境的安倍空气质量评价情况如 表5所示,低层高密度居住区空气质量最好,达到 最清洁等级,不仅具有高负离子含量,同时也具有 适宜的温湿度,对人体健康有利,适宜居住。而高 层居住区的空气质量最差,为重污染级别。这是由 于高层居住区容积率高,建筑群在空间布局较为紧 凑,景观格局不如低层或者多层住区理想,而人口 密度又相对较大,树木绿化率低于低层高密度居住 区,因而空气负离子损失消耗增多,空气正离子浓 度增大,空气质量下降。研究发现,适宜的温度、 湿度以及风速能提高空气负离子浓度,同时绿化好 的地方负离子浓度也高,这主要是由于树叶的尖端 效应和树木产生的萜烯类物质具有增加空气中负 离子的功能pJ。 2.2.2城市室内环境评价 由表6可见,总裁办公室的单极系数为1.62, 空气质量评价指数为0.47,空气质量允许;普通空 调制冷的办公室的单极系数最高,达到2.69,空气 质量重污染;房间内放置负离子发生器后明显降 低,单极系数为最小值0.58,空气质量达到中等清 洁以上。由此可见,自然通风或者有新风进人的室 内单极系数小,空气清洁舒适,人们在室内有一定 的舒适感;放置负离子发生器的室内空气质量和空 气清洁度具有显著改善。这是因为:一是当空气负 离子浓度增大时,空气正离子浓度也会增大,随着 新风的不断进人,空气负离子浓度增大的幅度要比 正离子浓度增大的幅度大很多L6 ;二是普通空调制 冷在送风前有冷却或加热、加湿、滤尘等处理,这 种通风措施对于改善微小气候有一定的效果,但在 滤尘的同时也滤掉了空气负离子【5J。 研究表明,长期在空调环境中工作,眼—脑一 手反应相对迟钝,会使人们的神经系统受到一定程 度的损害,易发生“空调综合症”,不易于人体的健 康【J…。201 1年10月29日,在合肥市某高层居住区一 门窗关闭的客厅内测得单极系数达到21.7,而同时 在打开门窗的状态下测得的单极系数有所减小。 目前,越来越多的人们在封闭的空调环境下工 作,室内环境由于空气负离子浓度低,常常使长期 在这一环境内工作的人员有头痛、恶心、眩晕、昏 睡的感觉。据有关报道,在南非一家银行数据处理 室工作的91名女职工每天处理大约2亿英镑的支 票,2年的统计表明,她们的工作出错率一直在2.5% 左右,工作人员经常抱怨空气“沉闷”,但安装了空 气负离子发生器6周后,出错率下降到0.5%,职员 表5自然生态环境和城市居住区环境下空气离子浓度与空气质量评价指标 Table 5 Assessment ofair ion concentration and air quality in natural environment nd aurban residential environment 表6 各测试房间的空气负离子浓度和空气质量评价指标 Table 6 Assessment ofair ion concentration nd aair quality in diferent office interior 302 的情绪也有很大提高 J。观测中放置负离子发生器 后办公室内空气质量大大改善,空气负离子含量比 普通空调办公室增大2倍多,空气质量最好。这是 由于负离子发生器大多采用高压放电方式产生负 离子,这种产生负离子的方法虽然与自然环境中负 离子发生的方式不同【】4J,但是能大大增加空气中负 离子浓度,从而提高空气质量,同时刺激人们的兴 奋点,提高工作积极性和工作效率。 3结论与建议 3.1 结论 (1)空气负离子浓度由城市中心—郊区一乡村 呈逐渐增大的趋势,同时空气负离子浓度增大的速 度大于空气正离子。 (2)有风时空气负离子含量比无风时高,且风 速与空气中负离子浓度成正相关。 (3)水与空气负离子的高低有密切的关系,尤 其动态水能显著增加周边环境的空气负离子浓度。 (4)植物零星分散配置容易降低植物群体的生 态效益 。 (5)相对湿度与空气负离子具有良好的相关 性。适宜的温度、湿度以及风速会使人感到舒服, 从而有益于人体的健康。 3.2建议 随着全球气候变化和城市办公自动化的逐步 更新,使得室内外的空气负离子浓度逐渐降低。空 气负离子浓度的大小直接影响室内外空气清洁度 和空气质量,因此,通过提高室外内负离子浓度来 创造舒适的空气环境越来越引起人们的重视。 (1)空气负离子浓度为居住区规划设计提供科 学依据。随着城市经济发展、人口增长以及城市建 设,需要关注如何通过合理的城市布局和空间配置 来缓解因城市化引起的城市生态环境问题,因而建 议针对不同居住模式的小区,从规划和设计的角度 开展空气负离子浓度与气候变化因子、不同规划布 局和设计方法等之间的观测研究,从而为综合地评 价城市居住区生态环境状况提供科学依据和设计 思路。 (2)空气负离子浓度列为室内环境的监测和评 价指标。空气负离子在密闭式空调(或机械通风) 场所,由于空气经过滤后,负离子浓度大大衰减, 所以对这样的环境,应增加负离子浓度作为监测和 评价指标,如果发现浓度过低时,应采取适当措施 来增加舒适度Ll 。 3.2.3在城市中心和高密度居住区要扩大绿地或 多开发绿地,在植物配置时尽可能地集中片状配置 【l7】,并采用复层结构,即乔木、灌木、草类等组合。 同时减少不必要的硬质广场或铺装,适当增加喷泉 生态环境学报第22卷第2期(2013年2月) 和活动水面等,以减少空气污染,提高空气质量, 构建理想的城市景观格局,为居民提供良好的生活 环境。 3.2.4加强自然通风和主导风向的引导,使周边负 离子浓度增大,调节室内外生态和热量循环,有效 地改善室内外微气候和舒适度,达到建筑节能和和 谐自然室内外环境的共生要求 ]。尤其在封闭的场 所设置有效的通风系统和人工离子化设备,采取加 强通风换气、改善室内绿化以及合理布置办公设备 等措施,送人负离子多的空气,创造适宜的温度、 湿度以及风速,从而改善室内空气清洁度和室内工 作环境,提高工作人员的积极眭和身心健康。 参考文献: [1]倪军,徐琼,石登荣,等.城市绿地空气负离子相关研究:以上海公园 为例册.城市林业,2004,2(3):30-33. 【2】章志攀,俞益武,盂明浩,等.旅游环境中空气负离子的研究进展[J】. 浙江林学院学报,2006,23(1):103.108. 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Based on the measurement and research of indoor and outdoor of urban environments,air quality was assessed using ion polarity ratio and air ion assessment index (CI).The results show htat air cleanness de ̄ee increases gradually from rbaun indoor environment to rbaun residential environment to countryandnatural environment.Inurban residetinal environment,the airqualiy toflowhigh-densiy tresidential environmentis he bestt,the NAI concentration reaches to 289 N/em at average value,and its air qualiy rteaches to 1.7 for the cleanest;but high—level residential environment is the worst,the air qualiy of tlow higl1一densiy rtesidential environment is the best,the NAI concentration reaches to 139 N/cm3 at average value,and its air qualiy reaches to 0.t08 for threshold,maybe heavy pollution.In rbaun indoor environments,the air quality wih naturalt ventilation nd faresh air into the room is the best,and placed the negative ion generator has improved indoor air quality significantly.So he tarticle suggests taking effective measures to increase the distibutrion of NAI concentration in urban planning and construction in order to improve the urban ecological environment to create a omfortcable air environment,and taking the negative air ion concentration as a monitoring and evaluation indicators ofthe indoor environment,SO as to provide a scientiifc basis and design concept for urban planning and construction,urban forestry planning, energy planning and environmental protection in he ftuture. Key words:negative air niaon(NAI)concentration;urban environments;air qualiy;aitr cleanness degree;assessment index 

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