一种评价挥发性有机物污染水平的室内空气质量健康指数

王超，赵彬，杨旭东

(清华大学 建筑技术科学系, 北京，100084)

摘要：为使室内人员更好地了解自己所身处的室内空气环境的品质，提出一种评价挥发性有机物(VOCs)污染水平的室内空气质量健康指数，该指数选取10种室内常见的挥发性有机物作为索引污染物，基于这些污染物的健康效应将室内空气质量分为6级，以实测数据为例对该指数的使用进行说明。实验结果表明：相比传统的报告浓度的方法，健康指数可更为清晰地指示室内空气品质。通过应用该指数，居住者可直观地了解自己所身处的室内环境中的空气品质，并且对于指导实际工程中改善室内空气质量的相关技术应用有一定指导意义。

关键词：室内空气品质(IAQ)；健康效应；挥发性有机物(VOCs)；健康指数

中图分类号：TU18          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)06-2099-06

Indoor air quality health index based on evaluation of volatile organic compounds pollution

WANG Chao, ZHAO Bin, YANG Xudong

(Department of Building Science, Tsinghua University, Beijing 100084, China)

Abstract: In order to help people have a better understanding about the indoor air quality, an indoor air quality index system based on the evaluation of people’s health was proposed. The index incorporated ten kinds of volatile organic compounds(VOCs)that commonly appeared indoors. Indoor air quality was divided into six levels based on the health effects of these pollutants. An example based on the measurement data was given to show how to use the index. The results indicate that using index can show the indoor air quality easily. It is expected that the index may indicate the indoor air quality levels in a straightforward way, and can guide the technology used to improve the indoor air quality.

Key words: indoor air quality(IAQ); health effect; volatile organic compounds(VOCs); health index

现代建筑常出现室内空气污染问题，危害人体健康，引发多种病症如病态建筑综合症(SBS)、与建筑有关的疾病(BRI)、多种化学污染物过敏症 (MCS)等^[1]。据世界卫生组织(WTO)统计，室内环境污染已经引起36%的呼吸道疾病、22%的慢性肺病和15%的气管炎、支气管炎^[2]。另外，室内空气污染也会造成巨大的经济损失，据美国环境保护署(EPA)统计，美国每年因室内空气质量问题造成的经济损失高达400亿美元^[3]。基于以上原因，很多国家制订了室内空气质量(IAQ)标准^[4-5]，但这些标准存在不足，包括：(1) 多数关注常见气体，如CO和CO₂等，对于挥发性有物(VOCs)关注较少；(2) 现存的室内空气质量标准多数以污染物浓度来衡量室内空气质量，浓度代表的意义不易理解，大众无法直观了解其对人体健康的影响。为此，本文作者提出一种评价VOCs污染水平的室内空气品质健康指数，以反映室内VOCs污染水平，并直观展示其对人体健康的影响。

1  方法

为提出易于被室内人员接受的评价VOCs污染水平的健康指数，需要将测试得到的VOCs浓度转化为指数。转化基于浓度与人群健康效应的对应关系，这要求首先要确定健康效应计算方法。但是，室内空气环境中存在的VOCs种类繁多，针对每一种污染物进行研究是不现实的，因此，需要确定特定的研究对象。在此基础上，结合不同人群的暴露参数，就可计算得到所选取VOCs对不同人群造成的健康影响，继而为提出健康指数奠定基础。

1.1  计算方法

选择目前被广泛使用的致癌风险度(R)和危害指数(I_HQ)^[6]分别对所研究的VOCs进行健康效应评估，其中，前者针对致癌风险，后者针对非致癌风险，计算公式分别如式(1)所示。Zhang等^[7]曾用该方法计算了宣威地区由于苯并芘暴露造成的肺癌发病率，结果与流行病学调查数据^[8]较吻合。

        (1)

其中：R为在暴露剂量下吸入某种化学物质的癌症风险率，无因次；I_Carcinogenic为人体吸入的化学物质剂量，mg·kg^-1·d^-1；F_{Cancer slope}为化学物质的致癌危险系数，mg·kg^-1·d^-1。

            (2)

其中：I_HQ为危险发生特定非癌症健康危害的终生危险指数，无量纲；I_{Non-carcinogenic}为人体吸入的化学物质剂量，mg·kg^-1·d^-1；D_Reference为化学物质的参考剂量，mg·kg^-1·d^-1。

1.2  研究对象

根据实测结果和已有文献报道[6, 9-11]，选取10种室内常出现的VOCs，其癌症斜率因子和参考剂量如表1所示^[12-13]。国际癌症研究学会(IARC)对物质致癌性的分类如表2所示^[14]。

1.3  参数选取

式(1)和(2)中剂量(I)的计算公式为^[6]

     (3)

其中：ρ为室内存在的某种化学物质的质量浓度，mg·m^-3；R为单位时间内的呼吸速率，m³·h^-1；t为每次暴露持续的时间，h；E为每年中暴露的次数，a^-1；

D为暴露的年数，a；m_Body为室内环境存在的人的缺省体重，kg；t_Averaging为致癌和非致癌的平均时间，对于非致癌风险来说，平均时间为3150 d，对于致癌风险来说，平均时间为25 550 d。

表1  选定化学物质的癌症斜率因子和参考剂量

Table 1  Cancer slope factor and reference dose for the selected VOCs

表2  国际癌症研究学会(IARC)对化学物质致癌性的分类

Table 2  IARC classification for carcinogenic of VOCs

由于目前我国缺乏官方的暴露标准，对于计算摄入量中所需的各种暴露因素主要采用已有文献中的数据^[15-16]，并结合美国环保署(EPA)的暴露手册进行设定^[17]，其中假定人在室内环境的暴露时间为每天12 h；对于暴露频率，认为人1 a中有2周不呆在室内，于是暴露频率可以认为是350 d/a；暴露的持续时间要因致癌风险和非致癌风险而进行区分：对于致癌风险，暴露持续时间为人的整个寿命，设为70 a^[6]，对于非致癌风险，暴露持续时间认为是9 a^[6]。另外，在暴露评价中要区分不同的人群，计算中用到的暴露参数如表3所示。

表3  暴露参数

Table 3  Exposure parameter

2  健康指数分级

这套指数系统主要的目的是实现污染物浓度与指数的转换，通过测试得到室内空气中VOCs的浓度，经过对应关系将浓度转化为指数，并且不同档次的指数对应有不同的描述，从而易于公众理解。参照美国环保部(US EPA)推出的空气质量指数分级(AQI)^[18]，其将室外空气分为6级，级别之间的节点分别是0，50，100，150，200，300和500，健康指数也分为6级，级别之间的节点同样依次选取为0，50，100，150，200，300和500，对致癌效应和非致癌效应区别对待。

2.1  致癌效应

对于化学物质的致癌效应来说，因其是线性多阶段模型，所以需要寻求1个可接受的癌症发病率与1个指数值对应，从GB/T 18883—2002编制说明^[19]中可知，在制定苯并芘的限值时，确定的可以接受的癌症发病率为1/万，即1×10⁴人中有1人发病，本文中提出的健康指数将用这一癌症发病率作为可以接受的癌症发病率，并将由式(1)计算得到的这种风险(R)下对应的化学物质浓度与指数50对应，依据前文所述线性多阶段模型，其余浓度与指数的对应关系通过线性插值得到。

2.2  非致癌效应

对于非致癌效应来说，因为危险指数等于1时即认为此时化学物质对人体已经产生了危害，故将由式(2)计算得到的危险指数(I_HQ)等于1时的浓度与指数500相对应，其余指数所对应的浓度由线性插值得到。

根据以上的分级依据，得到VOCs浓度与健康指数的对应关系如表4所示。

对选取的10种VOCs，在得到某种VOC的浓度后，可通过指数与浓度的对应的关系计算得到现在这种VOC对应的指数值，具体的计算公式如下：

                 (4)

其中：I_p为污染物p对应的指数；ρ_p为污染物p的质量浓度；B_Hi为指数对应的大于ρ_p的浓度；B_Lo为指数对应的小于ρ_p的浓度；I_Hi为与B_Hi对应的指数；I_Lo为与B_Lo对应的指数。

若浓度大于最大的与指数对应的浓度，则采用最后2个指数来进行计算。总的健康指数取致癌效应与非致癌效应分别计算得到的指数值中的严重的1个。指数与级别的对应关系如表5所示。

表4  VOCs浓度与健康指数的对应关系

Table 4  Mapping between VOCs mass concentration and index

表5  健康指数与级别的对应关系

Table 5  Level in index system

3  应用与讨论

为进一步说明健康指数的使用方法和优点，对深圳地区的实测数据进行分析。该测试从2008-01-09—2010-02-08，测试对象包括34所住宅的卧室、客厅以及另外10所住宅的卧室。测试的污染物主要包括甲醛和苯，并且同时记录温度湿度等物理参数。

甲醛的测试主要采用Interscan便携式甲醛仪(Interscan，美国)，可实时显示所测位置的甲醛质量浓度，精度为13 μg/m³；苯的测试使用Tenax采样管采样，采样量为5 L，然后通过气象色谱质谱(GC/MSD，Angilen，美国)分析得出苯的质量浓度，采样时采样点的高度保持在呼吸带1~1.5 m，与墙壁的距离大于0.5 m，采样之前房间关闭门窗12 h，符合GB/T 18883—2002^[19]对于室内空气检测的要求。客厅和卧室中甲醛和苯的测试结果如图1和2所示。

从测试结果可见：住宅的整体情况较好，整体基本达标^[19]。从污染物之间比较可知，甲醛的污染情况远远超过苯的污染情况。从不同房间之间的对比可知，卧室的污染情况比客厅严重，这可能是由于在卧室中建材的负荷率较大所造成的。表6所示为客厅和卧室中甲醛和苯浓度的平均值和最大值。

取得测试数据后，结合暴露数据，可使用上述计算方法对深圳的污染物测试数据进行健康效应计算，计算中的质量浓度使用表6中的质量浓度平均值。将质量浓度代入式(1)和(2)并结合式(3)可以得到致癌效应和非致癌效应的计算结果如表7所示。

从计算结果可知，对于客厅来说，甲醛所导致的非致癌效应较小，致癌效应较大，而苯与甲醛相反，非致癌效应远大于致癌效应，最终发布的健康指数以最差的健康指数为准，为Ⅳ级；对于卧室来说，甲醛导致的健康效应与在客厅的一致，但是苯导致的非致癌效应更严重，最终发布的健康指数以最差的健康指数为准，为Ⅴ级。

图1  客厅浓度统计结果

Fig. 1  Mass concentration of formaldehyde (a) and benzene (b) in living room

图2  卧室浓度统计结果

Fig. 2  Mass concentration of formaldehyde (a) and benzene (b) in bedroom

表6  甲醛和苯在客厅和卧室中质量浓度的平均值和最大值

Table 6  Mean and maximum concentration of formaldehyde and benzene in living room and bedroom  μg·m^-3

表7  深圳数据对应的健康指数

Table 7  Health index data from Shenzhen city

通过对本应用可知，原来测试数据仅为浓度数据，并不能直接被大众理解，但转换为健康指数后，人们可直观方便地看到室内空气品质，并了解对自身健康的影响。

4  结论

对通过实测和文献调研的10种室内常见代表性VOCs的健康效应进行了计算，提出并建立了一种应用于评价室内空气VOCs污染的健康指数体系。通过本体系可将室内空气质量分为与人体健康效应直接关联的6个级别，通过此体系居住者可以直观地了解自己所身处的室内环境中的空气品质，并且对于指导实际工程中改善室内空气质量的相关技术应用有一定指导意义。

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[19] GB/T 18883—2002, 室内空气质量标准编制说明[S].

GB/T 18883—2002, Explanation to Indoor air standard[S].

(编辑  邓履翔)

收稿日期：2013-08-15；修回日期：2013-10-10

通信作者：赵彬(1974-)，教授，博士，云南会泽人，从事室内空气品质研究；电话：010-62779995；E-mail：binzhao@tsinghua.edu.cn