野生地-城市交界区域（WUI）中小型住宅建筑替代物燃烧产生的非甲烷有机气体烟量

《ACS ES&T Air》：Wildland-Urban Interface (WUI) Smoke Yields of Nonmethane Organic Gases from Combustion of Small-Scale Residential Building Surrogates

本研究通过燃烧混合燃料建筑替代物模型，量化了野火-城市界面（WUI）结构火灾中201种非甲烷有机气体（NMOGs）的排放特征，发现通风条件对NMOGs总排放影响较小，而燃料成分（如木材、合成聚合物）和燃烧状态（如不完全燃烧）是主要影响因素。PMF因子分析揭示了三种主要排放源：合成聚合物、木材及混合燃料灰烬，并比较了与生物质燃烧和建筑火灾的文献数据差异。

　　近年来，随着美国城市和郊区的发展不断向自然区域扩展，野火发生的频率显著增加，这使得野地-城市界面（WUI）火灾的风险也随之上升。WUI火灾的燃料来源不同于纯野火，还包括建筑物、车辆和室内家具等结构材料。住宅建筑作为重要的燃料来源，其燃烧产生的烟雾可能污染邻近区域甚至更远的建筑物，从而对空气质量与公众健康造成影响。因此，理解WUI火灾中燃烧产生的非甲烷有机气体（NMOGs）的排放特征对于评估火灾对人类健康的潜在影响至关重要。

NMOGs是烟雾中关键的成分之一，对局部和区域范围内的室外及室内空气质量都有显著影响。尽管关于生物质燃烧所产生的NMOGs已有大量研究，但对于WUI火灾中结构材料燃烧所释放的NMOGs，相关数据仍较为有限。这主要是由于住宅建筑本身是一个复杂的混合燃料系统，包含结构材料（如框架和外墙）以及内部材料（如家具、电线和涂料），这些材料的化学组成各异，使得烟雾成分难以准确预测。此外，结构火灾的燃烧过程可能受到空气流通条件的影响，尤其是在封闭空间中，氧气供应不足可能导致不完全燃烧，从而生成不同的烟雾成分。

为了弥补这一研究空白，本研究设计并测试了小型住宅建筑替代品，这些替代品可用于火焰燃烧实验（如在通风罩式热量计中进行燃烧），以模拟WUI火灾产生的烟雾特征。通过调整替代品的燃料种类和填充密度，研究人员能够模拟不同燃烧条件下的空气流通情况，并探讨其对NMOGs排放的影响。实验结果显示，燃烧产生的NMOGs种类和浓度与燃料种类密切相关，而空气流通条件的影响相对较小。例如，芳香族化合物（如苯和萘）在结构材料燃烧时显示出比生物质燃烧更高的排放量，而含氧NMOGs（如甲醛和乙醛）的排放量则相对较低。这表明，在WUI火灾中，由于燃烧条件的变化，NMOGs的组成和浓度可能与纯生物质燃烧有所不同。

在实验设计方面，研究团队使用了多种方法来量化燃烧过程中释放的NMOGs。首先，他们通过管式炉和锥形热量计等装置对住宅建筑的不同组成部分（如木材、塑料和地毯）进行了燃烧实验。这种方法虽然可以控制燃烧条件，但其结果可能无法完全代表真实住宅建筑的燃烧情况，尤其是对于除二氧化碳和一氧化碳以外的烟雾成分。为了克服这一限制，研究人员还对全尺寸建筑进行了燃烧实验，但由于资源和技术限制，此类实验较为罕见。

本研究的替代品设计使得研究人员能够在实验室条件下更精确地模拟住宅建筑的燃烧过程。通过使用不同填充密度的木材和塑料棒，研究人员可以调节空气流通情况，从而模拟不同燃烧条件下的烟雾特征。此外，替代品的结构设计还考虑了燃烧过程中的热释放率、烟雾消散率等关键参数，使其更接近真实建筑的燃烧行为。实验过程中，燃烧产生的烟雾被采集并进行分析，以确定其化学组成和排放特征。

在数据处理和分析方面，研究人员采用了正矩阵因子分解（PMF）方法对NMOGs的时间序列数据进行了分析。这种方法能够将复杂的烟雾成分分解为不同的来源，从而帮助研究人员识别燃烧过程中产生的不同化学物质。例如，通过PMF分析，研究人员发现三种主要的NMOG来源：合成聚合物（如ABS和聚氨酯橡胶）、木材以及混合燃料炭。这些来源的识别基于燃烧过程中的化学成分特征和时间序列相关性。合成聚合物燃烧产生的NMOGs主要包含氰化物（如丙烯腈和乙腈）和芳香族化合物（如苯和苯乙烯），而木材燃烧则主要释放含氧芳香族化合物（如甲醛和乙醛）。混合燃料炭则可能来源于多种材料的不完全燃烧，其化学组成较为复杂，难以单独归因于某一来源。

研究还发现，NMOGs的排放量与替代品的填充密度和尺寸密切相关。随着填充密度的增加，空气流通条件变差，导致燃烧过程更加不完全，从而增加了NMOGs的排放量。例如，在高填充密度的替代品中，芳香族化合物的排放量显著增加，而含氧化合物的排放量则相对较低。这表明，在WUI火灾中，由于燃烧条件的变化，NMOGs的组成可能更加复杂，并且某些化合物可能成为指示火灾污染的潜在标志物。

此外，研究人员还对NMOGs的排放量进行了与其他研究的对比分析。他们发现，某些NMOGs（如苯和丙烯腈）的排放量在结构火灾中显著高于生物质燃烧，这可能与合成聚合物和木材的燃烧特性有关。例如，ABS和聚氨酯橡胶的燃烧过程中会产生大量含氮化合物，而木材燃烧则可能产生较多的芳香族化合物。这些发现为评估WUI火灾对室内空气质量的影响提供了重要的数据支持。

本研究的替代品设计和实验方法为未来研究提供了新的思路。通过模拟不同燃烧条件下的住宅建筑，研究人员能够更全面地了解NMOGs的排放特征，并为制定有效的空气质量管理和健康防护措施提供科学依据。然而，尽管替代品实验提供了有价值的数据，仍需进一步研究全尺寸建筑的燃烧情况，以更准确地评估NMOGs的排放量及其对环境和健康的影响。未来的研究可以结合实验室实验和现场监测，以获取更全面的NMOGs排放数据，并探索其在不同环境条件下的变化规律。

总体而言，本研究通过设计和测试小型住宅建筑替代品，揭示了WUI火灾中NMOGs的排放特征。这些发现不仅有助于理解火灾对空气质量的影响，还为评估火灾对人类健康的潜在危害提供了重要的科学依据。通过对比分析不同燃烧条件下的NMOGs排放，研究人员能够识别出可能作为火灾污染标志物的化合物，并为未来的空气质量和健康研究提供参考。