缓解策略对居住环境中野生地区与城市交界处火灾烟雾暴露的影响及其后果

《ACS ES&T Air》：Implications and Impacts of Mitigation Strategies for Wildland–Urban Interface Fire Smoke Exposure in Residential Environments

　　

本研究探讨了在野火-城市交界区域（WUI）火灾烟雾事件期间，各种室内空气质量污染物缓解策略的有效性。研究人员在现场通过燃烧设计为替代物的混合燃料堆，在测试房屋外模拟了WUI火灾烟雾条件，并使用多种仪器在房屋内部测量了颗粒物浓度。增加部署便携式空气净化器的数量在颗粒物去除效率方面提供了非线性效益，当多个设备同时运行时，每单位效率显著提高。暴露于单次重烟雾负荷（峰值浓度C_peak 为 210 μg m^–3 至 1300 μg m^–3）的过滤器与新过滤器相比，其颗粒物去除性能未出现显著下降。本研究还评估了在测试房屋内创建“清洁空气空间”的有效性，结果显示其能显著降低峰值颗粒物浓度。研究结果强调了在确定空气净化器尺寸和位置时，考虑整个房屋内空气流动和混合的重要性，以确保最佳性能。如果内部房门打开且中央供暖和制冷系统正在运行，则空气净化器的尺寸必须与整个房屋容积相匹配，而不仅仅是其所在房间。相反，如果内部房门关闭且供暖和制冷通风口密封，则单个尺寸合适的空气净化器可以在WUI火灾事件期间提供一个“清洁空气空间”。

**论文解读：住宅环境中野火-城市交界区域火灾烟雾暴露缓解策略的含义与影响**

**研究背景**

野火-城市交界区域（Wildland–Urban Interface, WUI）火灾发生在人类聚居地与野地植被交汇处，对公众健康构成独特威胁。与纯粹的野火不同，WUI火灾燃烧的生物质之外，还包含建筑材料、车辆、塑料和废弃物，产生的烟雾是化学物质和颗粒物的复杂混合物。当这些烟雾渗入住宅时，会显著升高室内颗粒物（Particulate Matter, PM）和化学物质浓度，可能引发从呼吸道刺激到心血管并发症等不良健康效应。建筑物在WUI火灾烟雾事件中提供的保护并不完全。对于无机械通风的建筑，其防护能力可通过渗透因子来描述。众包和现场测量报告显示，在野火烟雾事件期间，渗透因子的几何均值接近0.2至0.4，并在污染最严重时期随着住户关闭窗户和运行过滤设备而下降。这种渗透与长时间的暴露相结合，使得有效的室内空气质量（Indoor Air Quality, IAQ）缓解策略变得至关重要。推荐的方法包括：升级中央供暖、通风和空调（Heating, Ventilating, and Air-Conditioning, HVAC）系统的过滤设备、使用便携式空气净化器以及创建隔离的“清洁空气空间”。然而，在WUI火灾典型的高浓度和复杂颗粒混合物条件下，现有指南（如美国家电制造商协会AHAM推荐的2/3经验法则）可能不足。此外，催化剂实验室清洁空气输送率（Clean Air Delivery Rate, CADR）能否有效预测针对WUI烟雾的性能尚不清楚；过滤器在长时间烟雾暴露后的负载影响及更换频率也缺乏研究；室内颗粒物在缓解措施实施过程中的空间分布同样关注不足。为解决这些知识空白，研究人员在NIST（美国国家标准与技术研究院）室内空气质量测试屋开展了实验评估。

**关键技术方法**

研究人员在NIST的IAQ测试屋（140 m2，324 m3）进行现场实验。通过燃烧由木质框架、定向刨花板、石膏板、塑料（ABS、PVC）和聚氨酯泡沫组成的混合燃料替代物来模拟WUI火灾烟雾。烟雾源位于测试屋车库外约3米处，利用风扇将烟雾导向车库并促使烟雾通过部分开启的车库-室内门渗入。实验中使用了光学颗粒物计数器（OPC）、浊度计/光度计和扫描电迁移率粒径谱仪（SMPS）等多种仪器，在卧室2和早餐厅等位置监测颗粒物浓度。通过SF₆示踪气体衰减实验测量了换气速率。数据分析基于颗粒物浓度衰减率计算，并与实验室获得的CADR进行比较。

**研究结果**

**3.1. 实验室量化的清洁空气输送率与WUI烟雾现场测量的清洁空气输送率是否一致？**
研究人员发现，当按照AHAM 2/3经验法则在房屋中部署多个空气净化器时，现场测量的每个净化器的CADR（460 m3 h^–1 ± 25 m3 h^–1）显著高于实验室KCl气溶胶测得的CADR。当在密封的卧室中使用单个空气净化器时，现场CADR与实验室CADR一致。结果表明，如果空气净化器尺寸合适，实验室CADR可以预测其在真实场景中的性能，但必须是针对实际混合空气的容积进行尺寸计算，而非仅放置净化器的房间体积。

**3.2. 多个便携式空气净化器**
部署多个空气净化器显示出非线性效益，即每单位设备的效率随着设备数量的增加而显著提高。对于PM_2.5，每单位平均衰减率从1台净化器时的0.69 h^–1 增加到2台时的1.65 h^–1 和4台时的1.79 h^–1。对于PM_0.4，每单位衰减率从1台时的0.79 h^–1 增加到2台时的1.20 h^–1 和4台时的1.51 h^–1。这表明，在复式住宅平面布局中，分布式放置多个空气净化器能提供更均匀的保护。

**3.3. 过滤器负载性能退化**
暴露于单次重烟雾负荷（约4小时）的过滤器，在所有测试颗粒物尺寸（PM_0.4、PM₁、PM_2.5）上，其颗粒物去除性能与新过滤器相比均未出现显著退化。便携式空气净化器在烟雾暴露前后的流量变化极小。这表明，在短期WUI烟雾事件后，无需立即更换过滤器。

**3.4. 测试的MERV 13和MERV 12A过滤器产品的性能**
对于PM_2.5，统计显示过滤器类型有显著影响，特定MERV 12A产品（平均衰减率2.00 h^–1）的性能优于特定MERV 13产品（1.56 h^–1），提升约28%。对于PM_0.4，新过滤器无显著差异，但使用过的MERV 12A过滤器性能显著优于MERV 13。然而，由于不同产品间性能差异巨大，此结果不应被解读为MERV等级间的普遍优势。

**3.5. 利用“清洁空气空间”策略的效果**
通过关闭房门、密封HVAC通风口和门缝来创建“清洁空气空间”，可将卧室的峰值PM_0.4浓度降低约95%-97%（从430 μg m^–3降至22 μg m^–3或12 μg m^–3）。在密封房间内添加一个便携式空气净化器，可将PM_0.4衰减率从0.26 h^–1 提升至10 h^–1，提高约40倍，并且在25分钟内实现95%的颗粒物削减，而开敞房间则需要超过2小时。这验证了密封空间与空气净化器相结合的两阶段保护策略的有效性。

**讨论与结论**

**讨论部分总结：** 研究结果表明，分布式部署多个空气净化器优于单个大容量设备，能提供更均匀的保护。在短期烟雾事件中，紧急更换过滤器无必要，因为过滤器在单次重负荷后性能未退化。创建“清洁空气空间”是资源有限时非常有效的策略，即使密封不完全也能提供显著保护。研究强调了多点监测对评估整个住宅暴露的重要性，并指出当前单点监测不足以表征空间异质性。工程设计中，应考虑网络化控制或策略性放置点以创建局部清洁区。对于过滤器选择，在应急响应中应优先考虑可用性和系统兼容性。实验室性能与现场性能的差异源于房间条件差异，因此AHAM尺寸计算应考虑空气混合的总体积，而非仅净化器所在房间的体积。

**研究结论部分翻译：** 总体而言，研究结果为缓解WUI火灾烟雾暴露提供了关键信息。在住宅内，部署多个便携式空气净化器能产生非线性效益，即分布式策略优于单台高容量设备。在维护方面，急性烟雾事件期间无需紧急更换过滤器，因为单次重烟雾负荷后未观察到显著的颗粒物去除性能退化。此外，创建一个“清洁空气空间”是一种在资源有限情况下非常有效的策略；一个配有便携式空气净化器的密封房间可在25分钟内达到95%的颗粒物削减，而开敞房间则需要超过2小时。这些发现强调了在确定空气净化器尺寸和位置时，必须考虑整个房屋内的空气运动与混合，以确保最佳性能。如果内部房门打开且中央HVAC系统运行，空气净化器的尺寸需针对整个房屋容积，而非仅其所在房间。相反，如果内部房门关闭且HVAC通风口密封，一台尺寸合适的空气净化器就能在WUI火灾事件期间提供一个“清洁空气空间”。