教室空氣凈化器的試驗研究

王炳琰

【摘 要】在學(xué)校上課時，為解除學(xué)校教室在無風(fēng)情況下所產(chǎn)生的悶熱、潮濕等情況，根據(jù)生物凈化原理，采用單因子梯度法，在窗外沒有風(fēng)的情況下，該系統(tǒng)也能將外面的空氣吸進(jìn)來，形成自動換氣的效果。試驗結(jié)論：室內(nèi)換氣系統(tǒng)的意義在于“使空氣達(dá)到所要求的狀態(tài)”或“使空氣處于正常狀態(tài)”，是通過自然或者機(jī)械通風(fēng)的原理，給室內(nèi)通風(fēng)換氣，從而改善室內(nèi)環(huán)境。據(jù)此，一個內(nèi)部受控的空氣環(huán)境，一般是指在某一特定空間內(nèi)，對空氣溫度、濕度、空氣流動速度及清潔度進(jìn)行人工調(diào)節(jié)。本文主要概述了室內(nèi)系統(tǒng)換氣方式的分類，給出了換氣量的計算方法，并對室內(nèi)換氣方式進(jìn)行了論述。研究目的：該裝置可以在密閉的內(nèi)部空間中當(dāng)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(nèi)的空氣，使教室內(nèi)的空氣達(dá)到自然空氣的水平并提高教室內(nèi)空氣質(zhì)量，保證人類的正常呼吸需求的氧氣。

【關(guān)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(huán)境下教室內(nèi)二氧化碳的含量是多少呢？可能沒有多少人特意關(guān)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(wǎng)上查閱了有關(guān)教室空氣如何通風(fēng)換氣的一些知識，繼而產(chǎn)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(dǎo)下，采用設(shè)定上限值、下限值和室內(nèi)溫度等方法，在幾個不同的房間內(nèi)，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(shè)定上下限的值，開展了室內(nèi)空氣凈化的試驗研究。

2）實驗?zāi)康囊饬x

通過筆者調(diào)查發(fā)現(xiàn)：采訪對象中超過50%的人每天早上的開窗通風(fēng)時間都到不了15分鐘。雖然大多數(shù)人對所處的室內(nèi)空氣質(zhì)量存在著不同程度的不滿，但是對于室內(nèi)通風(fēng)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(chǎn)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(nèi)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(yīng)。

當(dāng)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(fù)蘇，將因缺氧而致死亡。二氧化碳達(dá)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(jīng)系統(tǒng)產(chǎn)生興奮，使呼吸加深加快，長時間處于低濃度二氧化碳環(huán)境中，則會造成人體二氧化碳中毒，主要表現(xiàn)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(jīng)系統(tǒng)有抑制和麻痹作用，突然進(jìn)入高濃度二氧化碳環(huán)境中也會引起人體二氧化碳中毒，主要表現(xiàn)為腦缺氧癥狀，可引起反射性呼吸驟停而突發(fā)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(huán)境中的二氧化碳濃度增加，則肺泡內(nèi)的濃度也增加，PH發(fā)生變化，由此刺激呼吸中樞，最終導(dǎo)致呼吸中樞麻痹，使機(jī)體發(fā)生缺氧窒息。

因此，室內(nèi)空氣質(zhì)量需引起足夠重視！在人群密集的室內(nèi)，應(yīng)注意通風(fēng)換氣。人一生中一半以上的時間是在室內(nèi)度過的；尤其現(xiàn)代社會條件下一天中的絕大部分時間實在室內(nèi)度過的，因此，室內(nèi)空氣質(zhì)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(nèi)空氣質(zhì)量問題反而更加嚴(yán)重，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量的重要性和迫切性可見一斑。一個人每天需要補(bǔ)充1公斤食品、2公斤飲水，而所需空氣則高達(dá)10公斤，室內(nèi)空氣質(zhì)量的好壞直接決定著人的身體健康指數(shù)、感受舒適度以及工作學(xué)習(xí)效率。在封閉的室內(nèi)環(huán)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(zhuǎn)化成二氧化碳，導(dǎo)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(zhì)量下降等現(xiàn)象。所以科學(xué)的通風(fēng)是非常重要且必要的。在歐美發(fā)達(dá)國家，通風(fēng)指數(shù)一直是家居舒適度的重要參數(shù)指標(biāo)，甚至一些發(fā)達(dá)國家已把住宅通風(fēng)作為強(qiáng)制執(zhí)行的條款。

3）實驗資料和原理

隨著國民經(jīng)濟(jì)水平的提高，人們對生活質(zhì)量的要求也隨之提高，如何科學(xué)的進(jìn)行室內(nèi)通風(fēng)換氣已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。長時間處于密閉空調(diào)環(huán)境下的人常常會感到胸悶、氣短，但在一些安裝中央空調(diào)的房間內(nèi)人們往往會覺得舒服很多，這是因為這些中央空調(diào)配置了“換氣”裝置，一則，可以將室內(nèi)“被污染”的空氣排出室外；二則，可以將室外的新鮮空氣“吸”進(jìn)室內(nèi)，這樣就起到了給密閉房間通風(fēng)換氣的作用，這就是我們所說的“換氣系統(tǒng)”。因為“換氣系統(tǒng)”的進(jìn)風(fēng)口裝有過濾裝置，可以有效避免因為通過開窗通風(fēng)換氣而流進(jìn)室內(nèi)的煙塵、有害氣體等污染物，所以被稱作健康的室內(nèi)通風(fēng)換氣方式。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，在普通城鎮(zhèn)的室外大氣的負(fù)離子含量為400～500個/m3，但在密閉房間中的負(fù)離子含量僅有40～50個/m3。當(dāng)教室內(nèi)二氧化碳含量不超過1500PPM，在適宜的溫度下合理通風(fēng)，將室外的新鮮空氣引入室內(nèi)，并借助通風(fēng)設(shè)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(tǒng)（含開關(guān)）；（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(shè)計原理

根據(jù)預(yù)備實驗初步了解，在教室內(nèi)放入通風(fēng)換氣系統(tǒng)。是通過二氧化碳濃度傳感器，安裝在換氣系統(tǒng)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(jī)電設(shè)備監(jiān)控（BAS）智能化工程能進(jìn)行信號的采集，利用采集回來的信號，來自動化的調(diào)節(jié)空調(diào)的風(fēng)量，啟停狀態(tài)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(jī)械式換氣兩種方式。通過門、窗的自然開啟來進(jìn)行室內(nèi)外通風(fēng)換氣的方式稱為自然式換氣（圖1）。在衛(wèi)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(jī)械式換氣，機(jī)械式換氣更有效。

根據(jù)建筑物標(biāo)準(zhǔn)法的內(nèi)容得出結(jié)論為：必須采取機(jī)械換氣方式針對化學(xué)物質(zhì)的發(fā)散進(jìn)行換氣。機(jī)械式換氣分為：通過機(jī)械同時進(jìn)行吸氣和排氣；強(qiáng)制吸氣、自然排氣；強(qiáng)制排氣、自然吸氣方式三種方式。

1）通過機(jī)械同時進(jìn)行吸氣和排氣是通過吸氣以及排氣的兩側(cè)，或者其中一側(cè)使用機(jī)械（送風(fēng)機(jī)）強(qiáng)制進(jìn)行換氣的方法（如圖2所示），可以自由平衡室內(nèi)空氣及二氧化碳含量，這種方式多應(yīng)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(diào)節(jié)機(jī)等設(shè)備可以有效節(jié)約能源，更更符合現(xiàn)代社會發(fā)展的要求。

2）強(qiáng)制吸氣、自然排氣是指只用機(jī)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(nèi)空氣處于正壓狀態(tài)并保持室內(nèi)空氣壓力的正常并可以防止灰塵及被污染的空氣進(jìn)入室內(nèi)，可以保持室內(nèi)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(yī)院手術(shù)室等。

3）強(qiáng)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(nèi)，并強(qiáng)制使用換氣扇等工具進(jìn)行排氣的方式（如圖4所示），這種方式下室內(nèi)空氣處于負(fù)壓狀態(tài)中。這種方式也是目前被廣泛應(yīng)用的一種換氣方式，如家庭、學(xué)校、小型辦公室和店鋪等眾多場所都普遍應(yīng)用。

1.2.3 換氣量的計算方法

建筑物施工相關(guān)法規(guī)和暖通空調(diào)規(guī)范中明確規(guī)定了建筑物內(nèi)對人體呼出的二氧化碳進(jìn)行有效換氣以及對有毒化學(xué)物質(zhì)所散發(fā)出的有害氣體進(jìn)行換氣的標(biāo)準(zhǔn)及換氣量。二氧化碳的換氣方式根據(jù)建筑物的構(gòu)造不同而采用的換氣方式不同。如住宅、小型商鋪和學(xué)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(xué)物質(zhì)散發(fā)的有害氣體的換氣方式不會因為建筑物的構(gòu)造不同而產(chǎn)生變化，多采取強(qiáng)制安裝符合要求的機(jī)械換氣設(shè)備來達(dá)到不同的換氣次數(shù)的方式以保證有效的對室內(nèi)污染空氣進(jìn)行換氣。換氣量的計算方法分為按換氣次數(shù)計算和按人均換氣量計算兩種。

1）換氣次數(shù)的計算

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

2）人均換氣量的計算

建筑物標(biāo)準(zhǔn)法中明確規(guī)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(fā)生變化），因此，人均換氣量作為計算室內(nèi)換氣量的基本依據(jù)。在此我們探尋一下人均換氣量確定的理論根據(jù)。

人均換氣量（人均必要換氣量已室內(nèi)的二氧化碳為基準(zhǔn)）是所處室內(nèi)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(fā)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(jìn)行計算的，因此室內(nèi)換氣量是由房間內(nèi)人均換氣量和房間內(nèi)人數(shù)來決定的。

方法1：按人均占有室內(nèi)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(nèi)地板的面積（m2）。

方法2：按室內(nèi)人均換氣量和室內(nèi)收容人員數(shù)量計算換氣量。

室內(nèi)人均換氣量乘以室內(nèi)人數(shù)（室內(nèi)地板面積除以室內(nèi)人均占有面積）所得出的結(jié)果為室內(nèi)換氣量。參考方法一中的計算公式和建筑福標(biāo)準(zhǔn)法中的室內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)換氣量（20～30m3/h·人）可以發(fā)現(xiàn)此數(shù)值對室內(nèi)換氣來說是越大越好的，但同時也會增加空調(diào)的負(fù)荷，由此可見，室內(nèi)換氣量已使用建筑物標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)定的數(shù)值為最佳（如表1所示）。

方法3：按房間的必要換氣次數(shù)n（次/h）計算換氣量。

按房間的必要換氣次數(shù)n（次/h）計算換氣量應(yīng)注意以下兩點：

（1）一般起居室應(yīng)確保室內(nèi)換氣次數(shù)在每小時0.3次以上，有化學(xué)物質(zhì)散發(fā)的房間室內(nèi)換氣次數(shù)應(yīng)確保在每小時0.5次以上；

（2）符合2010年《全國中小學(xué)校室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的學(xué)校空氣質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。

教室換氣次數(shù)測定方法如表2所示：

1.3 通風(fēng)換氣系統(tǒng)

由抽風(fēng)機(jī)、二氧化碳傳感器和配套監(jiān)控軟件等組成的室內(nèi)空氣轉(zhuǎn)換系統(tǒng)稱為通風(fēng)換氣系統(tǒng)。其作用原理是通過二氧化碳傳感器和配套監(jiān)控軟件監(jiān)測室內(nèi)的二氧化碳濃度，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)軟件預(yù)設(shè)值，當(dāng)室內(nèi)二氧化碳濃度高于軟件上限值時將自動開啟抽風(fēng)機(jī)進(jìn)行換氣，通過補(bǔ)充室外空氣降低室內(nèi)二氧化碳的濃度。

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[責(zé)任編輯：王楠]