在不同活动水平下人体释放的挥发性有机化合物——主要化合物及其排放速率

《BUILDING AND ENVIRONMENT》：Volatile organic compound emissions from human body at different activity levels - Key compounds and emission rates

本研究通过在受控环境中测试8名中国成年人的不同代谢强度，揭示了人类VOC排放特征，发现女性总排放量高于男性，尤其在高代谢水平时，醛类和烯烃类排放显著增加，并指出CO?浓度可能低估室内空气质量，强调量化VOC排放对优化通风设计的重要性。

　　

裴静静|曲美楠|董新月|徐晓|吕梦强|崔金鑫|王新生|赵若瑜|赵振振

中国天津市天津大学环境科学与工程学院室内空气环境质量控制重点实验室，天津300072

摘要

人类是室内挥发性有机化合物（VOCs）的重要来源，尤其是在人口密集的室内环境和封闭空间中。人体释放的VOCs与活动水平密切相关，因此也与新陈代谢强度有关；然而，以往的研究大多在静坐状态下进行。本研究在环境可控的实验舱（8立方米，换气率为0.005次/小时）中，对八名中国成年人在不同新陈代谢强度下的VOCs排放进行了测量。研究确定了六类主要的VOCs（酮类、醛类、烷类、BTEX、酸类和酯类）以及五种关键化合物（乙酸、丙酮、癸醛、壬醛和己醛），这些物质代表了人体VOCs的排放特征。对于男性和女性来说，主要VOCs类别及其排放量排名相同；然而，不考虑体重的情况下，女性的总VOCs（ΣVOC）排放量高于男性，尤其是在较高的新陈代谢水平下。主要VOCs类别、主要物质的贡献以及关键化合物在不同新陈代谢水平下的变化并不显著，但平均ΣVOCs排放量随着新陈代谢水平的提高而增加，范围从8989微克/小时到21163微克/小时。醛类和烷类的排放量随着新陈代谢水平的提高而显著增加。二氧化碳（CO₂）浓度可能会低估空气质量，尤其是在室内这种低新陈代谢水平的情况下。参与者释放的关键VOCs，尤其是具有气味的VOCs，需要被视为补充的空气质量指标。定量的人类VOCs排放数据可以更好地预测室内空气质量，并指导通风设计，特别是在封闭环境中。

引言

在人口密集的环境和封闭空间中，人类是污染物的重要来源[[1], [2], [3]]，例如地铁、空间站和潜艇。研究表明，人体排放的VOCs可占总浓度的25%甚至超过50%[[4], [5], [6]]。此外，在高密度人群的室内环境中，人体产生的VOCs是导致异味投诉的主要原因。一些低气味阈值的化合物也会影响人们对室内空气质量的感知[7]。因此，控制人体释放的污染物对于室内环境控制至关重要，甚至对于封闭舱室的通风和过滤系统也是如此[[8], [9]]。

二氧化碳（CO₂）浓度通常被用作室内或封闭舱室通风控制的关键参数[10]。然而，研究证实，即使CO₂浓度较低，VOCs浓度超过室内空气质量指南值的可能性仍然很高[11]，因为室内建筑材料会持续释放VOCs。关于CO₂浓度对室内空气质量的影响，目前尚无一致结论。Satish等人[12]报告称，暴露于1000-2500 ppm的CO₂会影响判断力，而另一项研究则显示，暴露于高浓度CO₂（3000 ppm）并不会导致任何不适或认知障碍[13]。目前还没有共识认为空气质量差与呼出的CO₂或生物释放的VOCs有关[7]。因此，为了室内空气质量控制和通风设计，需要详细了解人体释放的VOCs。

最近的一篇关于人体VOCs排放的综述[14]指出，大多数相关研究（185个样本中的79%）集中在对人体释放的VOCs种类进行定性识别。健康个体从人体释放出多达1840种不同的VOCs，其中872种来自呼吸系统，超过500种来自皮肤，主要是碳氢化合物和含氮化合物[15]。然而，人体VOCs的代表性物质及其定量排放强度尚未确定。

为了确定所需的通风率，需要明确人体的VOCs排放率。一些研究试图量化人体VOCs的排放率。孙等人[16]研究了人体呼出气体中的VOCs，识别出60种常见VOCs，其排放率在0到250微克/小时之间，并通过全谱GC-MS扫描将其定量为甲苯当量。邹等人[17]在受控条件下测量了人体全身皮肤的总VOCs排放率，测量结果为每人每小时164至518微克。何等人报告称，在实验舱中，全身皮肤的TVOC排放率（742.8微克/小时）显著高于呼出气体的排放率（41.4微克/小时）[18]。烯类和酮类占呼出气体中VOCs浓度的60%，而烷类占皮肤中VOCs浓度的75%以上。此外，包括呼吸和全身皮肤在内的总VOCs排放率估计在每小时500至1300微克之间[19]。然而，上述研究中的所有人体VOCs排放率几乎都是在静坐状态下测量的。在需要比静坐状态更高新陈代谢水平的高活动状态下，VOCs排放率尚未进行研究。

新陈代谢率是能量代谢和活动强度的指标[20]。已经证明，随着活动强度的增加，CO₂排放率显著增加[21]。以6公里/小时的速度跑步时的CO₂排放率是静坐状态的五倍[21]。在现实生活中的室内场景中，行走时人体产生的VOCs排放量（873微克/人/小时）[22]高于静坐状态（240-470微克/人/小时）[23]。加州大学伯克利分校的研究人员使用实时PTR-TOF-MS技术研究了大学教室内的VOCs浓度，发现坐着写字状态下的TVOC排放率为每人每小时6300微克[24]，这比实验室测得的要高得多。这些非静坐状态下的VOCs排放率高于上述静坐状态下的排放率。体力活动还会导致VOCs种类的变化，这可能是呼出气体冷凝物pH值升高的原因[25]。因此，可以预期在高新陈代谢状态下，VOCs的排放种类和排放率也会发生变化。

人体排放的VOCs也可能受到性别和年龄的影响[26]。先前的研究表明，不同性别和年龄段的CO₂排放量存在显著差异[21]。在各种活动水平下，女性产生的CO₂明显少于男性。此外，在20-30岁年龄组和较年长年龄组之间也检测到了CO₂排放量的显著差异，老年组的排放率更高。然而，不同性别和年龄段的人群的VOCs排放率尚未被报道。

总之，为了在室内和封闭环境中进行准确的通风设计，特别是在高密度人群和高活动水平的情况下，需要考虑不同新陈代谢强度下的人体VOCs排放。本研究在受控实验舱中测试了不同新陈代谢水平下人体VOCs的特征，研究了性别和新陈代谢强度对主要VOCs类别及排放浓度的影响，并确定了关键化合物及其排放率。

实验设置

实验在体积为8立方米（2米×2米×2米）的实验舱中进行，实验舱的环境参数受到严格控制。实验舱的大小确保能够容纳一名参与者进行30分钟的活动，并且不会过大，以保证足够的浓度以便准确检测。因此，本研究中的参与者密度确定为每人4平方米，这与ASHRAE 62.1标准中规定的教室高密度要求一致[27]。

不同活动水平下的二氧化碳（CO₂生成率和新陈代谢率

利用实时CO₂浓度计算了不同活动水平下32组测试的CO₂生成率和新陈代谢率。所得到的CO₂生成率分别为：静坐状态为0.18至0.30升/分钟，低代谢状态为0.42至0.76升/分钟，中等代谢状态为0.56至0.95升/分钟，高代谢状态为1.27至2.00升/分钟。表2显示了每组测试的CO₂生成率和代谢率。

结论

在环境可控的实验舱中，对八名中国参与者在不同新陈代谢水平下的人体VOCs排放进行了测量。研究了人体VOCs的排放特征，包括主要类别和种类，以及性别和新陈代谢水平的影响。此外，还确定了与人体VOCs排放相关的关键化合物。主要结论如下：

[1]

[1] 静坐状态、低代谢状态、中等代谢状态下的

作者贡献声明

裴静静：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。曲美楠：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据分析、方法论。董新月：数据分析、方法论。徐晓：数据分析。吕梦强：撰写、审稿、方法论。崔金鑫：数据分析。王新生：数据分析。赵若瑜：数据分析。赵振振：数据分析。

作者贡献声明

裴静静：撰写、审稿与编辑、监督、项目管理、概念构思。曲美楠：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论、数据分析。董新月：方法论、数据分析。徐晓：数据分析。吕梦强：撰写、审稿、方法论。崔金鑫：数据分析。王新生：数据分析。赵若瑜：数据分析。赵振振：数据分析。