自然通風教室內CO2濃度調查與新風量測定

廖梅 解曉健 胡彎

南京師范大學能源與機械工程學院

自然通風教室內CO2濃度調查與新風量測定

廖梅 解曉健 胡彎

南京師范大學能源與機械工程學院

于2012年12月和2013年3月對南京市某自然通風高校教室內CO2濃度進行連續檢測，從中挑選兩間典型教室207（中型教室）和326（小型教室）對其室內CO2濃度變化規律進行詳細分析；并以人體呼出的CO2為示蹤氣體，采用濃度衰減法計算不同教室、不同通風形式下室內新風量大小。

自然通風高校教室CO2新風量

0 前言

學校教室作為師生進行教學活動的主要場所，其室內環境問題備受各界關注。相關學者指出[1～2]，教室空氣質量的好壞會影響教師的教學質量、學生的學習效率及師生身心健康。對于教室內空氣品質的評價，一般用室內CO2濃度和新風量作為其評價指標。國標GB/T18883-2002規定：CO2濃度日平均值應不大于0.1%，室內新風量應不小于30m3/(h·人)[3]。普通高校教室人員密集且通風方式簡易，室內CO2濃度極易超標，Coley指出[2]教室內CO2濃度超標將影響學生上課表現，CO2濃度超出標準一倍學生注意力降5%左右。

學校教室的通風方式對室內熱舒適性、室內空氣品質均有影響[4]，調查顯示學校師生在控制通風狀態時，首先考慮的是室內熱舒適性[5]。另有研究指出[6～7]，學校病態建筑綜合癥與不合理的通風方式相關，且不斷引起學生的抱怨。

本文對長江流域、夏熱冬冷地區自然通風教室內的CO2濃度進行連續檢測以了解室內空氣品質狀況，并以人體呼出CO2為示蹤氣體，采用濃度衰減法計算不同教室、不同通風形式下室內新風量。

1 實驗方案

檢測教學樓建于2001年，本文采取現場連續檢測，檢測初期，先對整棟教學樓的使用情況進行詳細調查，選出使用頻率較高的教室。實驗期間對18間教室進行25組實驗，選擇代表教室207和326的5組數據進行重點分析。教室基本情況如表1，圖1、2為207和326教室布局圖，編號ABCD為外窗，編號MA、MB為門，編號LA、LB為廊窗。

表1 教室基本信息

圖1 207教室布局圖

圖2 326教室布局圖

據《室內空氣質量標準》（GB/T18883-2002）[3]中對室內空氣采樣點的要求，儀器避開風口放置于教室課桌上，采樣高度為1m且以對角線形式均勻分布于上課教室人群中，每隔1min記錄一次數據，室內室外檢測同步進行。參照GB/T18204.24《公共場所空氣中二氧化碳測定方法》[8]，用便攜式紅外線分析儀進行檢測，使用EA80型空氣質量檢測儀對教室內CO2濃度進行檢測。實驗人員同時記錄上課教室門窗開啟狀態、室內外人員活動情況及氣象情況等，檢測時間為7:30～12:30、13:30～16:30。圖3、4為實驗現場檢測情況。

圖3 室內CO2濃度檢測

圖4 室外CO2濃度檢測

2 實驗結果分析

2.1自然通風教室冬季和春季CO2水平

圖5、6給出了中型教室207和小教室326冬季和春季教室內檢測的CO2濃度數據對比圖，從圖中可以看出，冬季和春季教室內CO2濃度變化趨勢相同，其濃度值均隨課時的增加而增加，課間休息時段室內CO2濃度呈下降趨勢。無論冬季或春季，上課期間教室人員密度大且教室門窗緊閉使得室內CO2濃度超標嚴重，冬季超標現象更甚，小教室326比中型教室207超標更為明顯，小教室326冬季CO2濃度最高值達5199ppm，是標準值的5.2倍。測試期間教室悶熱，通風不暢，氣味難聞、外窗玻璃有水汽，室內空氣品質較差。

圖5 春季和冬季207教室內CO2濃度對比

圖6 春季和冬季326教室內CO2濃度對比

2.2教室內CO2濃度變化分析

為了解不同大小、不同季節教室內CO2濃度的變化情況，將對五組數據進行詳細分析，圖7、8分別為2012年12月18日對教室326和2013年3月15日對教室207檢測的數據分析圖，主要目的是了解冬季和春季不同教室內CO2濃度的變化情況。因教室門窗一整夜緊閉使得室內前一天聚集的CO2不能及時散出，清晨進行實驗前需先開門窗通風一段時間，約半小時左右，如此才能使所測數據更加準確。

圖7 326教室冬季CO2濃度變化曲線

圖8 207教室春季CO2濃度變化曲線

從圖7可以看出：8:00～9:25三節課連上，326教室門窗緊閉上課人數60人，人員密度0.63人/m2，CO2濃度從1400ppm升至5199ppm，漲幅為2.71倍，CO2濃度超標嚴重，室內較悶熱，外窗玻璃有水汽產生；9:25下課開AB門、BC窗15分鐘，CO2濃度下降1549ppm，溫度下降約1℃，降幅0.42倍；10:20～10:35三節課結束，下課開AB門、AD窗通風，CO2濃度下降2249ppm，降幅1.39倍，其中溫度下降2.21℃；10:35～12:00上課教室門窗緊閉，教室上課人數27人，人員密度0.28人/m2，CO2濃度平均值1733ppm，室內人員密度比前三節課低，CO2濃度平均值同比下降1.09倍。

表2 CO2濃度變化情況匯總

從圖8可以看出：8:00～10:20三節課連上，207教室門窗緊閉，上課人數78人，人員密度0.73人/m2，CO2濃度從882ppm升至2552ppm，漲幅為1.89倍；10:20下課開AB門、BD窗15分鐘，CO2濃度下降1206ppm，降至1130ppm，降幅1.30倍，溫度下降3.3℃；10:35～12:00上課開AB門、BD窗，教室上課人數52人，人員密度0.44人/m2，CO2濃度平均值為1299ppm，最大值為1560ppm，室內CO2濃度與標準值相差無幾，室內空氣品質較好；13:30～15:10上課教室門窗緊閉，教室上課人數56人，人員密度0.47人/m2，CO2濃度從894ppm升至2779ppm，上升1784ppm，漲幅為2.11倍；課間15分鐘開B門、BD窗，CO2濃度從2779ppm降至1587ppm，降低1192ppm，降幅為0.75倍；15:20～15:55開B門、BD窗上課，室內CO2濃度一直呈下降趨勢，平均值為1447ppm，上課期間適當地開門窗通風對改善室內空氣品質有明顯幫助。

表2為五組數據的詳細分析統計。

3 新風量的計算

本文以教室內人體呼出的CO2為示蹤氣體來測定教室內新風量。示蹤氣體法測新風量遵循質量守恒原理，計算公式如下：

式中：V為房間空氣體積，m3；Cout為室外環境示蹤氣體濃度，mg/m3；Cτ為瞬時測量的示蹤氣體濃度，mg/m3；為示蹤氣體釋放速率，mg/s；Q為通風量，m3/s；為氣體濃度隨時間的變化值，mg/m3。

本文采用下降法（濃度衰減法）來測定課間教室新風量，即待教室內示蹤氣體濃度達穩定且均勻分布后，通過開啟門窗使教室處于穩定的通風狀態，此時觀察示蹤氣體濃度衰減的變化規律，采用解析法計算新風量，式（1）的解析解為：

式中：C0為初始時刻CO2濃度值，mg/m3。

當F(τ)=0時，室內無人，式（2）變為

采用疊代法計算新風量值：根據式（2）與式（3），使用Origin8自定義函數擬合的方法以C對t作圖，先假設一個Q值然后進行各種形式的擬合計算出實際的Q值。表3為根據教室實際情況計算出的新風量值。

表3 課間教室新風量計算

室內人員密度會影響新風量的大小，相同通風狀態，室內有人比無人時新風量大。對教室207而言，室內有人情況下，課間開兩扇門可適當改善室內空氣品質，在此基礎上多開兩扇窗可使新風量增加33.4%，只開一扇門兩扇窗比開兩扇門兩扇窗的新風量降低16.7%，而比只開兩扇門時的新風量增加14.3%，建議課間在開門通風基礎上，盡量開窗，如此室內氣流流通更順暢，對改善室內空氣品質十分有利。

課間適當地開啟門窗能有效祛除室內污濁空氣為教室帶來新鮮空氣，但計算所得的人均新風量卻達不到國家標準規定的30m3/(h·人)，雖326教室在課間15分鐘開兩扇門兩扇窗可使人均新風量達到國家標準，但此時室內溫度下降3.2℃，室內多數人員抱怨冷，以犧牲熱舒適性來改善室內空氣品質不是解決問題的關鍵，如何更為合理地改善教室內空氣品質是今后研究的重點。

4 結論與分析

1）檢測結果顯示，夏熱冬冷地區冬季和春季教室內CO2濃度超標嚴重，冬季和面積較小教室超標現象更為突出。相同教室，冬季室內CO2濃度最高達5199ppm，春季最高值達3593ppm，分別超標準值4.2和2.6倍。

2）南京市12月和3月份室外氣溫較低，現場觀察記錄結果顯示上課期間教室門窗基本全關，尤其是冬季，在門窗緊閉情況下，教室內CO2超標嚴重，中型教室207冬季室內CO2濃度平均值為2546ppm，春季平均值為2015ppm，小教室326冬季室內CO2濃度平均值為2868ppm，春季平均值為2190ppm。教室人員密度和新風量不足是影響室內CO2濃度的主要原因，應適當控制教室上課人數，盡量開門窗通風為教室注入新鮮空氣，對改善室內空氣品質十分有利。

3）下課期間，室內有人比無人情況下測定的新風量大，但差別不大；開門窗通風能使室內氣流流通順暢，對祛除上課期間積累的污濁空氣十分有利，在只開兩扇門通風情況下多開一扇窗能使新風量增加24.6%，多開兩扇窗可使新風量增加33.4%。如何從根本上協調自然通風教室內的通風和熱舒適性問題是今后研究的重點。

[1]翟金霞,張錢龍,胡瓊.某地區高校教室內空氣污染狀況的研究[J].安徽醫科大學學報,2004,39(3):231-232

[2]D A Coley,R Greeves.The Effect of Low Ventilation Rates on the Cognitive Function of a Primary School Class(Report R102 for DfES)[R].Exeter(UK):Exeter University,2004

[3]中華人民共和國衛生部.室內空氣質量標準(GBT18883-2002) [S].北京:中國標準出版社,2002

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[8]國家質量技術監督局.公共場所空氣中二氧化碳測定方法(GB T18204.24-2000)[S].北京:中國標準出版社,2001

Expe rim e nta l Inve s tiga tion of Indoor Ca rbon Dioxide Conc e ntra tion a nd De te rm ina tion of Ve ntila tion Ra te in Cla s s room s w ith Na tura l Ve ntila tion

LIAO Mei,XIE Xiao-jian,HU Wan
Energy and Mechanical Engineering Academy,Nanjing Normal University

A naturally ventilation classroom in Nanjing was investigated to continuous monitor the CO2concentration. No.207 classroom(middle classroom)and No.326 classroom(small classroom)were chosen as the typical classroom to analysis the indoor CO2concentration in detail.In this paper,the gas of CO2which obtained from human breathing was selected as the trace gas to measure the air ventilation rate.

natural ventilation,university classroom,carbon dioxide,ventilation rate

1003-0344（2014）06-027-4

2013-9-18

廖梅（1987～），女，碩士研究生；南京市玄武區板倉街78號南京師范大學動研信箱（210042）；E-mail:lnna_mei@163.com

國家自然科學基金青年項目（No.E51008161）