教室空氣凈化器的試驗研究

王炳琰

【摘 要】在學校上課時，為解除學校教室在無風情況下所產生的悶熱、潮濕等情況，根據生物凈化原理，采用單因子梯度法，在窗外沒有風的情況下，該系統也能將外面的空氣吸進來，形成自動換氣的效果。試驗結論：室內換氣系統的意義在于“使空氣達到所要求的狀態”或“使空氣處于正常狀態”，是通過自然或者機械通風的原理，給室內通風換氣，從而改善室內環境。據此，一個內部受控的空氣環境，一般是指在某一特定空間內，對空氣溫度、濕度、空氣流動速度及清潔度進行人工調節。本文主要概述了室內系統換氣方式的分類，給出了換氣量的計算方法，并對室內換氣方式進行了論述。研究目的：該裝置可以在密閉的內部空間中當氧氣的含量低于人類正常呼吸的需求時，可以適時更換室內的空氣，使教室內的空氣達到自然空氣的水平并提高教室內空氣質量，保證人類的正常呼吸需求的氧氣。

【關鍵詞】教室；凈化；過濾；空氣

0 引言

1）研究問題由來

冬季門窗緊閉的環境下教室內二氧化碳的含量是多少呢？可能沒有多少人特意關注這個問題，或者因為各種原因不能深入的研究這個問題，筆者為了研究這個問題，并得到有效的解決方案，在網上查閱了有關教室空氣如何通風換氣的一些知識，繼而產生了一個利用二氧化碳傳感器，解決空氣凈化的想法。在老師的幫助與指導下，采用設定上限值、下限值和室內溫度等方法，在幾個不同的房間內，分別放入二氧化碳傳感器實測的濃度的液晶屏，同時觀察與測定二氧化碳傳感器的效果設定上下限的值，開展了室內空氣凈化的試驗研究。

2）實驗目的意義

通過筆者調查發現：采訪對象中超過50%的人每天早上的開窗通風時間都到不了15分鐘。雖然大多數人對所處的室內空氣質量存在著不同程度的不滿，但是對于室內通風換氣重要性的重視度并沒有因此而提高。

二氧化碳與人體健康：

二氧化碳是人體代謝的產物，它本身并不具有毒性，人每天要呼出大約1kg的二氧化碳。大氣中二氧化碳的正常含量值約為0.03～0.04%，超過0.1%即為輕微污染。二氧化碳含量超過正常含量值的空氣被人體吸入后，二氧化碳在體內滯留使人體血液中二氧化碳含量超過一定濃度，就會造成人體呼吸性酸中毒，中樞麻醉窒息等一系列不良反應。

當二氧化碳濃度為1000000ppm時，可引起人的意識模糊，接觸者如不移至正常空氣中或給氧復蘇，將因缺氧而致死亡。二氧化碳達到窒息濃度時，人不可能有所警覺，往往尚未逃走就已中毒或昏迷。

低濃度的二氧化碳可使呼吸中樞神經系統產生興奮，使呼吸加深加快，長時間處于低濃度二氧化碳環境中，則會造成人體二氧化碳中毒，主要表現為頭暈頭痛、耳鳴心悸、胸悶嗜睡、視力模糊、注意力不集中、記憶力減退等。

高濃度的二氧化碳對中樞神經系統有抑制和麻痹作用，突然進入高濃度二氧化碳環境中也會引起人體二氧化碳中毒，主要表現為腦缺氧癥狀，可引起反射性呼吸驟停而突發死亡。在正常情況下，人體呼出的氣體中二氧化碳含量約為4.2%，血液二氧化碳的分壓高于肺泡中二氧化碳的分壓，因此，血液中的二氧化碳能彌散于肺泡。但是，如果環境中的二氧化碳濃度增加，則肺泡內的濃度也增加，PH發生變化，由此刺激呼吸中樞，最終導致呼吸中樞麻痹，使機體發生缺氧窒息。

因此，室內空氣質量需引起足夠重視！在人群密集的室內，應注意通風換氣。人一生中一半以上的時間是在室內度過的；尤其現代社會條件下一天中的絕大部分時間實在室內度過的，因此，室內空氣質量也成為決定人體健康的重要因素之一。研究表明，甚至室內空氣質量問題反而更加嚴重，改善室內空氣質量的重要性和迫切性可見一斑。一個人每天需要補充1公斤食品、2公斤飲水，而所需空氣則高達10公斤，室內空氣質量的好壞直接決定著人的身體健康指數、感受舒適度以及工作學習效率。在封閉的室內環境中氧氣的含量是有限的，而通過人的呼吸會逐漸消耗掉空氣中的氧氣并將之轉化成二氧化碳，導致空氣中二氧化碳含量上升，而氧氣含量越見稀少，從而引起人呼吸不暢，睡眠質量下降等現象。所以科學的通風是非常重要且必要的。在歐美發達國家，通風指數一直是家居舒適度的重要參數指標，甚至一些發達國家已把住宅通風作為強制執行的條款。

3）實驗資料和原理

隨著國民經濟水平的提高，人們對生活質量的要求也隨之提高，如何科學的進行室內通風換氣已經受到越來越多的關注。長時間處于密閉空調環境下的人常常會感到胸悶、氣短，但在一些安裝中央空調的房間內人們往往會覺得舒服很多，這是因為這些中央空調配置了“換氣”裝置，一則，可以將室內“被污染”的空氣排出室外；二則，可以將室外的新鮮空氣“吸”進室內，這樣就起到了給密閉房間通風換氣的作用，這就是我們所說的“換氣系統”。因為“換氣系統”的進風口裝有過濾裝置，可以有效避免因為通過開窗通風換氣而流進室內的煙塵、有害氣體等污染物，所以被稱作健康的室內通風換氣方式。根據調查數據顯示，在普通城鎮的室外大氣的負離子含量為400～500個/m3，但在密閉房間中的負離子含量僅有40～50個/m3。當教室內二氧化碳含量不超過1500PPM，在適宜的溫度下合理通風，將室外的新鮮空氣引入室內，并借助通風設備在房間健康呼吸。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

（1）C02傳感器；（2）控制系統（含開關）；（3）液晶顯示器；（4）電線；（5）電路板；（6）電焊條；（7）溫度計；（8）記號筆和記錄本。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗設計原理

根據預備實驗初步了解，在教室內放入通風換氣系統。是通過二氧化碳濃度傳感器，安裝在換氣系統上面，什么是二氧化碳濃度傳感器呢？二氧化碳傳感器是有機電設備監控（BAS）智能化工程能進行信號的采集，利用采集回來的信號，來自動化的調節空調的風量，啟停狀態的。

1.2.2 換氣方式的分類

從廣義上來劃分，換氣主要有自然式換氣和機械式換氣兩種方式。通過門、窗的自然開啟來進行室內外通風換氣的方式稱為自然式換氣（圖1）。在衛生間或水房、廚房等場所安裝換氣扇使空氣流通的換氣方式稱為機械式換氣，機械式換氣更有效。

根據建筑物標準法的內容得出結論為：必須采取機械換氣方式針對化學物質的發散進行換氣。機械式換氣分為：通過機械同時進行吸氣和排氣；強制吸氣、自然排氣；強制排氣、自然吸氣方式三種方式。

1）通過機械同時進行吸氣和排氣是通過吸氣以及排氣的兩側，或者其中一側使用機械（送風機）強制進行換氣的方法（如圖2所示），可以自由平衡室內空氣及二氧化碳含量，這種方式多應用于辦公大樓或大型商場等場所。而空氣交換器+換氣扇，全熱交換器，帶直膨線圈的外部調節機等設備可以有效節約能源，更更符合現代社會發展的要求。

2）強制吸氣、自然排氣是指只用機械吸氣而通過門、窗的自然開啟來排氣的方式（如圖3所示）可以保持室內空氣處于正壓狀態并保持室內空氣壓力的正常并可以防止灰塵及被污染的空氣進入室內，可以保持室內空氣的清潔，這種方式多用于對空氣清潔度要求較高的房間比如醫院手術室等。

3）強制排氣、自然吸氣是指通過門窗等自然開啟來是室外空氣流通到室內，并強制使用換氣扇等工具進行排氣的方式（如圖4所示），這種方式下室內空氣處于負壓狀態中。這種方式也是目前被廣泛應用的一種換氣方式，如家庭、學校、小型辦公室和店鋪等眾多場所都普遍應用。

1.2.3 換氣量的計算方法

建筑物施工相關法規和暖通空調規范中明確規定了建筑物內對人體呼出的二氧化碳進行有效換氣以及對有毒化學物質所散發出的有害氣體進行換氣的標準及換氣量。二氧化碳的換氣方式根據建筑物的構造不同而采用的換氣方式不同。如住宅、小型商鋪和學校等有能開啟的門窗的建筑物多采用自然換氣的方式。有毒化學物質散發的有害氣體的換氣方式不會因為建筑物的構造不同而產生變化，多采取強制安裝符合要求的機械換氣設備來達到不同的換氣次數的方式以保證有效的對室內污染空氣進行換氣。換氣量的計算方法分為按換氣次數計算和按人均換氣量計算兩種。

1）換氣次數的計算

房間內空氣每小時之內的換氣的次數成為換氣次數，例如換氣次數0.5次每小時是指一小時內這一房間進行半次即每2小時進行1次的空氣交換。換氣次數的計算方法：換氣量除以房間面積等于換氣次數，若吸氣量與排氣量不同時則取其中較大的數值做為換氣量（如圖5所示）。

2）人均換氣量的計算

建筑物標準法中明確規定人均換氣量為20到30立方米每小時為正常換氣量（因人的運動量而發生變化），因此，人均換氣量作為計算室內換氣量的基本依據。在此我們探尋一下人均換氣量確定的理論根據。

人均換氣量（人均必要換氣量已室內的二氧化碳為基準）是所處室內二氧化碳的容許濃度減去室外空氣的二氧化碳濃度除人均的二氧化碳發生量所得出的值。

3）換氣量的計算公式

通常情況下房間的換氣量都是以人為對象來進行計算的，因此室內換氣量是由房間內人均換氣量和房間內人數來決定的。

方法1：按人均占有室內面積N（m2）計算換氣量。

V（m3/h）=20（m3/h·人）×■

公式中的A代表室內地板的面積（m2）。

方法2：按室內人均換氣量和室內收容人員數量計算換氣量。

室內人均換氣量乘以室內人數（室內地板面積除以室內人均占有面積）所得出的結果為室內換氣量。參考方法一中的計算公式和建筑福標準法中的室內標準換氣量（20～30m3/h·人）可以發現此數值對室內換氣來說是越大越好的，但同時也會增加空調的負荷，由此可見，室內換氣量已使用建筑物標準法規定的數值為最佳（如表1所示）。

方法3：按房間的必要換氣次數n（次/h）計算換氣量。

按房間的必要換氣次數n（次/h）計算換氣量應注意以下兩點：

（1）一般起居室應確保室內換氣次數在每小時0.3次以上，有化學物質散發的房間室內換氣次數應確保在每小時0.5次以上；

（2）符合2010年《全國中小學校室內空氣質量標準》規定的學校空氣質量的標準。

教室換氣次數測定方法如表2所示：

1.3 通風換氣系統

由抽風機、二氧化碳傳感器和配套監控軟件等組成的室內空氣轉換系統稱為通風換氣系統。其作用原理是通過二氧化碳傳感器和配套監控軟件監測室內的二氧化碳濃度，進行數據分析，根據軟件預設值，當室內二氧化碳濃度高于軟件上限值時將自動開啟抽風機進行換氣，通過補充室外空氣降低室內二氧化碳的濃度。

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[責任編輯：王楠]