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管理儿童呼吸区的室内空气质量：风险分析和减缓
Eeshan Tripathii1和Joseph Laquatra博士2
摘要：在建筑环境中，建筑过程中使用的材料和技术，这些空间内的活动以及与外部环境的连接，会对人体健康造成不利影响。 包括儿童，孕妇和有限资源家庭在内的一些群体由于室内污染物暴露而受到不利健康影响的风险高于其他群体。 特别是有限资源家庭没有必要的资源来测试室内空气污染物的存在并减轻它们。 本文
（1）回顾了弱势人群特别是儿童接触室内空气污染物的情况;
（2）证明廉价的智能手机应用程序和附加硬件可以检测室内空气污染物的可行性; 和（3）说明了一种简单的通风系统，用于改善儿童呼吸的空气质量。
介绍
在构建的环境中，人类健康会受到多种条件的不利影响。 这些元素源自建筑过程中使用的材料和技术，从这些空间内的活动，以及连接到外部环境。 当检查室内空气质量（IAQ）时，这些因素尤其受到关注，因为大多数人在家中的室内空气中花费了大约75％的时间。 许多条件导致室内污染物的水平高于室外相应的水平。 包括儿童，孕妇和有限资源家庭在内的一些群体因室内污染物暴露而受到不利健康影响的风险高于其他群体。 本文的目的是为了演示廉价的智能手机应用程序的可行性，该应用程序可以检测室内空气污染物，并轻松地突出适用的实用管理策略，可以改善儿童呼吸的空气质量。
由于生理和行为原因，儿童暴露于环境毒物以及这些毒物对健康的不良影响比成年人风险更高。儿童比成人更容易接触环境污染物，因为他们每磅体重呼吸更多空气，咀嚼或吮吸与污染物接触的玩具和手。婴儿暴露于从婴儿床床垫和婴儿床床罩排出的高浓度挥发性有机化合物（VOC）.
儿童比成人更容易受到空气污染的不利影响的另一个原因是80％的肺泡在出生后形成，并且肺中的变化持续到青春期。 在产后早期，发育肺部非常容易受到污染物的影响。儿童有不成熟的免疫，肺部和神经系统，可能受到环境毒素的显着影响，例如长期用于住宅用途的杀虫剂。
年幼的婴儿口中呼吸，一些年龄较大的婴儿和幼儿通过口腔继续呼吸的次数多于成年人。美国医学毒理学院的一项研究表明，通过口腔呼吸的这种差异可能增加儿童肺部暴露于可吸入颗粒的风险，对于通过鼻子呼吸的成年人而言，其可能通过上呼吸道气道.婴儿爬上或幼儿走路，跑步，玩耍; 因此，儿童的呼吸区要低得多（离开或距离1米）。 该区域将被称为儿童呼吸区（CBZ）。 可吸入颗粒物的再悬浮是由房间内步行引起的紊流引起的，较短的人暴露于比较高的人更多的再悬浮颗粒物。 这项研究表明，CBZ的IAQ在成人呼吸区（ABZ）中可能明显较差，并且室内环境中均匀污染物浓度的假设可能是呼吸集中风险的错误假设。 尽管人们越来越意识到儿童很容易受到室内空气质量差的影响，但科学界对于室内空气质量的研究非常有限。 目前没有专门关注改善CBZ室内空气质量的IAQ管理体系。
空气污染物的负面影响在孩子出生之前就开始了。 斯坦福大学斯坦福大学最近的一项研究表明，吸入空气污染物，特别是一氧化碳的孕妇，几乎是婴儿出生缺陷的两倍。 奥巴德和马格纳（2000）报告说，当母亲碳氧血红蛋白水平超过20％时，胎儿处于危险中。对洛杉矶的孕妇进行的一项研究表明，通气不良导致IAQ差，导致婴儿早产率（PTB）和低出生体重。 日常烹饪污染物水平上升，使用燃烧替代品，吸烟，清洁化学品和空气清新剂。 此外，低收入家庭的风险更为明显有限资源家庭已被证明面临室内空气污染物的过度暴露，并且由于与污染物测试和缓解相关的成本而不利于解决该问题
由于室内空气污染，每年有430万人死亡（WHO 2014年）。 贫穷的室内空气质量是本世纪最大的环境杀手。 流行病学研究表明，儿童在胎儿发育和出生后早期接触空气污染物与许多类型的健康问题有关，包括异常发育，LBW，非常LBW（VLBW），PTB，宫内生长受限（IUGR），先天性缺陷，宫内和婴儿死亡率，肺生长减少，呼吸道感染率增加，儿童哮喘，行为问题和神经认知缺陷（虽然室外空气质量大大超出了个人的控制范围，但室内空气质量更受住户的控制。 2015年国际节约能源法规定了室内空气质量标准，规定通过鼓风机门测试测得的每小时换气次数少于5次的建筑物必须有机械通风（建筑规范援助项目2017).
对室内空气质量的担忧导致室内空气管理成为消费者技能。 涉及这一过程的步骤包括确定一种令人关切的污染物; 从源头上控制它; 如果失败了，缓解。 本文将通过展示廉价智能手机应用程序的可行性来探测室内空气污染物的测试方法，并探讨室内空气污染物的可行性以及以儿童呼吸空气为目标的通风系统，从而满足了低成本测试室内空气污染物的需求。 这种测试方法是对现有开源建筑科学传感器的改进，它比智能手机应用程序更昂贵.
研究目标
本研究的目标是研究在CBZ中提供更好的室内空气质量的方法，以减少儿童和其他居住者的短期和长期健康风险。
作者试图证明CBZ需要特别关注，因为以下几点：
- 儿童比成年人更容易受到室内空气污染物的影响，因为他们的系统仍在发育，他们每分钟吸入的空气量比成年人的每体重更多。
建筑和通风系统设计主要基于空气污染物均匀分布的假设。 由于这个简化的假设，目前的通气 系统和设计不关注CBZ,住宅
排气扇位于墙的顶部或天花板上因为通常假定所有的污染物都依靠浮力进入上部区域
这项研究试图通过实证证明，由于以下原因，假定污染浓度均匀不一定成立：
- 对策：大气污染物通常会随着较重的颗粒物沉降，
- 儿童爬行、跳跃和玩乐时，这些行为导致沉淀可吸入颗粒物在CBZ中重新悬浮
·污染风险取决于与来源的距离，这意味着CBZ中的VOCS、杀虫剂和重金属浓度增大。
方法和设计
本研究通过收集CBZ和房间内ABZ的实时数据，重点关注CBZ中的IAQ。 为了研究平静和重新悬浮，进行了多次实验以获得关于不同高度水平的IAQ的信息。
选择了一个面向车辆交通工具的住宅房间，并将窗户保持开放24小时，以使房间内有颗粒物质（PM）。 一个由成人陪同的机械机器人（R2D2）被用来模拟儿童在10分钟内的动作。 在不同的或者表面上收集CBZ和ABZ中的IAQ数据60分钟。 使用Shinyei PPD42NS，Grove MQ5和Figaro TGS2600气体传感器在CBZ和ABZ中测量重悬的可吸入颗粒和VOC的水平。 所有数据都使用Secure Digital（SD）卡和Intel Edison进行记录。 提出了一种简单的通风系统来改善CBZ中的空气质量。
CBZ和ABZ中污染物分层的测量
针对CBZ和ABZ测量污染物浓度作为高度和一段时间的函数的传播。
实验在新泽西州的Tripathii家进行。 实验装置，如图1所示。 1，是为了调查成人和儿童暴露于气态和颗粒污染物的情况。 所有的测量都是在室内温度设定为20.6℃的情况下进行的。 在实验过程中，我们采取了特别的措施，尽量减少房间条件的不慎变化。 所有数据都以30秒为间隔进行记录
OC测量设置
对于CBZ和ABZ记录，传感器被放置在房间的中央，并安装在处理过的表面上方150和45厘米处，相距约2米。 对于每个试验，将15g通用商店品牌室清洁剂和洗手液应用于铝箔正方形（30.48cm，Reynolds Wrap）（表格 1).
这些结果显示了污染物的实质性状况。 CBZ中的VOC水平大幅提高，并在整个测试过程中保持如此。 与CBZ相比，CBZ的VOC传播，持续性和持续时间几乎增加了20％。 这种较高的浓度表明儿童暴露于较高的污染物浓度
CBZ重新评估风险
这是一个很好的观察现象，扰乱沉降微粒的活动会导致这些微粒重新悬浮（钱 等人。 2014）。 人类活动，例如在地毯或移动家具上行走，可能会导致CBZ中的颗粒重新悬浮。 儿童的活动，如爬行，玩耍和跳跃，很可能会在CBZ中重新悬浮。 选择了一间面向车辆的交通工具，并且窗户一直开着。
为了改善CBZ中的室内空气质量，本研究的下一阶段是通过创建经济有效的工具来监测和测量空气质量参数，并利用监测机制创建一个解决方案，以自动改善室内空气质量，从而“揭露”室内空气污染物要么自动去除悬浮的颗粒，要么通过鼓励积极的补救措施（图1和图2）。 8 和 9）。 整个系统的设计是为了响应不断变化的污染水平并执行以下任务。
数据采集
置于CBZ中的空气质量传感器用于获取CBZ的环境指标，如空气温度，PM和VOC浓度。 这些数据通过Wi-Fi传输到通风和排气装置。
实时响应数据分析
收集到的数据用于评估IAQ。 在当前的解决方案中，使用阈值（基于室内污染物风险）来比较和确定空气质量。 数值被转换成用于自动操作控制，数据可视化和信息的决策参数。 下一节将介绍这一决策过程。
“智能”运营管理优化IAQ和能源使用
认识到可怜的室内空气质量是为能效设计的气密建筑的意外后果，这个系统的设计目标是实现改进室内空气质量的目标。
污染物行为的蒙特卡罗模拟
建立黑箱蒙特卡罗模型来检验不同通风情景下污染物浓度与其对CBZ的影响之间的关系。 该模型用于确定减少暴露风险的通风运行时间：
- 该模型认识到唯一的可控变量是排气和通风的使用; 所有其他变量如此
如房间大小，炉灶排放和厨房特征不能改变，并被视为给定或依赖于占用者。
- 在对数正态分布和一阶衰减的假设下，实验结果形成了确定通风系统运行时间的随机模型的基础。 图3显示了在不同条件下进行烹饪的逐分钟厨房浓度示例：无通风烹饪; 用排气烹饪排出污染物，用排气烹饪排出污染物，并使用外部空气来稀释室内污染物。 根据实验观察，可以总结出，蒸煮可以通过室内空气质量的快速下降和蒸煮开始时PM和VOC浓度的增加来描述，当损失率等于排放贡献时达到稳定状态，然后在烹饪事件结束后衰减（图3和4）。 10–12).
- 根据室外空气质量，触发一个“智能”决定，运行排气/风扇系统T分钟。 该“T分钟”持续时间基于“半衰期”估计进行预编译。 连接到控制排气/风扇的继电器的接收器用于从室内排出空气或从外部吸入空气。
- 确定减少污染所需的时间范围意味着可以向居住者（怀孕母亲和父母）提供特定建议以避免浓度较高的地方。 特定的行为改变策略可以被选择并组合以实现使用和通风的目标，通风（排气或风扇），并在相当短的时间内达到安全阈值。
- 此外，取决于外部空气的温度，通风单元中的加热元件可以被激活以保持环境温度并且使能量/热效率成本最小化。 或者，可以安装热量回收通风机。 这个选项将在未来的研究中探索。
用户授权
无处不在的智能手机已整合到整个系统中，为乘客提供支持。 触发一条短信通知居民在IAQ水平返回之前预计的时间
平均。 短信旨在鼓励和提高孕妇或母亲保护婴幼儿的意识，方法如下：
1.用于决策的可视化：乘员将能够在其智能设备/ PC上看到空气质量报告，并在需要时收到建议。 根据质量评估，可能会执行几项操作。 例如，排风扇可以开始排空受污染的空气，并且通风单元可以开始引入外部过滤的空气。 在严重的情况下，如高浓度的一氧化碳，警告信息可能会同时发送给乘员和911以及位置详情。 这个冗余度将是传统一氧化碳探测器提供的额外警报，并因此提供针对这种致命气体的更高水平的保护。
2.通过打开或关闭手机来管理室内空气质量的能力。
对发病率和死亡率风险的变化进行精算评估超出了本研究的范围。 但是，注意到其他研究人员认为pm 2.5浓度下降10 mg / m3与0.35年平均预期寿命增加有关[标准差（SD）= 0.16年，P = 0.033]。 在更多的城市和人口密集的县。 此外，产前暴露于贫穷的室内空气质素与抑郁症和注意力问题有关，预计使用该系统可以减少短期和长期健康风险。
修复过程会降低曝光量和曝光时间。 化学品的人体暴露已被定义为人体界面浓度的时间积分。 这在数学上被描述为
t2
E frac14; Ceth;tTHORN;dt
t1
其中C（t）=时间间隔t1至t2的浓度与时间的函数关系; E =（浓度）单位（时间）。 图。 12 是不同情景下的浓度与时间的关系曲线，并显示如何在5分钟内使用通风系统导致暴露量减少10-15％。
x
讨论：评估和后续步骤
结果显示，随着CBZ空气污染物浓度显着升高，儿童面临更高风险，并且这些较高浓度持续较长时间。 这种较高的风险在被动和主动状态下依然存在。 在所有情况下，污染物的排放和接近污染源意味着更高的风险。 然而，当孩子爬行，跳跃或移动并由于再悬浮而产生更高的PM浓度时，这种风险得到放大。 然而，健康风险的严重性可以被遏制。 而不是让整个一代成为贫穷的室内空气质量的受害者，可以创建可实施的解决方案。 加利福尼亚大学洛杉矶分校的医学研究得出结论，窗户通风可能减少室内空气污染物对孕妇的负面影响（Ritz等人 2007年; 戈什 等人。 2013）。 同样，马萨诸塞州梅德福的塔夫茨大学的研究表明，空气质量的改善导致婴儿死亡率降低20％，最大
新生儿期间死亡率降低（田中 2015).
以前的研究已经强调了这样一个事实，即由于家庭中的空气泄漏已经减少，通风已经成为住宅设计问题，因为过量的湿气和其他室内空气污染物引起的问题（Laquatra等人 2008年）。 最终的结果是任何纠正措施都需要显着的成本。
然而，研究还指出，
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