綠色建筑背景下教學樓室內空氣質量評價與改進探討

張一鳴，張龍武，常逸航，韓 龍，王 晉

(西北工業大學 力學與土木建筑學院，陜西 西安 710002)

1 引論

隨著全球氣候環境的不斷惡化以及常規的高能耗建筑的發展，保護環境與節約資源已經成了全球面臨的重要課題。1999年，中國科學院就發布了《中國可持續發展戰略報告》，2016年國務院更是印發《“十三五”生態環境保護規劃》，其中強調全力推進大氣、水、土壤污染的防治工作，其中空氣污染因其多樣性、積累性、長期性等特性，尤為受到重視[1]。

20世紀以來，在“科教興國”的大背景下，我國的教育事業穩步發展，學校數量和面積都快速增加。然而我國綠色校園建設起步較晚，發展相對落后，1996年“綠色校園”詞才在《全國環境宣傳教育行動綱要(1996-2010年)》中出現，校園建設在節能、環境質量等方面仍然存在很多不足[2]。 以前對教學建筑的研究方向主要是在校園的整體規劃和對教學樓的外形設計上，更多注重的是對教室的視、聲環境方面的設計之上，對于教室內空氣質量則并沒有引起建筑師太多的注意。在校園生活中，教學樓是師生進行學習工作的主要場景。據統計，學生平均有30%～40%的時間在教學樓里度過[3]，然而研究表明，教室的生物性污染會引起呼吸道疾病[4]，化學性污染不僅會降低師生的學習效率，更會對呼吸系統、神經系統、心血管系統造成傷害，嚴重者可能會出現昏迷休克等癥狀[5]。

所以應對校園教學樓室內空氣質量進行相關研究，匯總有關教學樓空氣質量評價與改進的經驗，得出針對性的總結與規律，以期為后期的研究提供參考。

2 教學樓室內空氣質量研究概要

2.1 國外教學樓室內空氣質量研究概要

國外關于室內空氣質量問題的報道最早出現在20世紀60年代末期，研究內容主要是關于各種呼吸性健康疾病。1973年，日本制定了《關于確保建筑物中衛生的法律》，對于特殊設計的建筑物制定了建筑物環境衛生管理標準，歐洲國家陸續頒布相關政策對室內一些無機污染物如石棉、氡、一氧化碳、二氧化碳等進行控制。1983年，四屆衛生組織提出病態建筑綜合癥(SBS)后，室內空氣品質(IAQ)越來越受關注，有許多研究機構投巨資建立了專門用于室內環境研究的實驗室，比較有名的如：美國勞倫斯伯克利實驗室、丹麥技術大學的室內環境和能源國際中心[6]。丹麥技術大學和捷克技術大學的學者對利用人體呼出作為示蹤氣體測量通風量進行了深入的研宄，在日本和德國有研究者利用該方法測量室內通風量[7]。

2003年，在對希臘雅典地區的15所學校建筑的實驗研究中，測量了各種污染物(如CO2、CO、TVOC、HCHO和radon)的濃度水平和每個教室內部溫度，相對濕度和空氣速度，同時通過使用示蹤氣體技術檢查通風情況。室內測得有毒污染物濃度均低于相對限值，且不會對學生造成任何影響。但二氧化碳濃度經常高過建議的限值，與人數及其活動密切相關[8]。考慮到學校建筑中的自然通風問題，在節能和舒適性的要求下，又有學者對教室中的二氧化碳濃度進行了長期的監測。結果顯示IAQ的臨界值在多數時間里遠高于標準規定的限值，而污染主要是由于人員的存在而引起的。有學者建議通過適當的手動通風能有效改善室內空氣質量，但在深入研究后發現在學校應用中進行精確的通風管理是行不通的：該方案需要在每個教室中安裝儀器監測IAQ狀況，使老師有意識的參與進來，以促進每個教室的有意識通風[9]。

2.2 國內教學樓室內空氣質量研究概要

我國關于室內空氣質量有關問題的研究始于20世紀80年代，并在1988年頒布了第一套較為完善的公共場所室內衛生標準。1996年又以新的標準代替了1988年頒布的同類標準，主要增加了對甲醛的控制標準。2003年3月1日，我國首部《空氣質量標準》由國家質量監督檢驗總局、國家環保總局和衛生部制定并頒布實施。非典過后，室內空氣質量問題越發引起關注。2005年，學者比較了國內外室內環境研究的狀況并提出了我國當時情況下的IAQ對策，指出了現行《大氣污染防治法》中缺乏室內空氣污染防治相關內容的問題[10]。

隨著理論基礎及相關標準的不斷完善，有關高校校園的空氣質量研究也穩步進行，研究中最為常見的內容是寒冷地區高校在采暖季節的空氣質量情況。經研究發現：二氧化碳是影響高校室內空氣品質重要指標，人員密度過大以及通風不足極其容易造成二氧化碳濃度偏高。對于教室而言：自習狀態下的空氣質量明顯優于上課狀態，人員密度和窗口位置對室內氣流分布和二氧化碳濃度擴散具有較大程度的影響[11]。

2012年，有研究調研了大學校園學生主要活動場所的室內空氣中細菌含量并做出了評價[12]，在對濕度、風速、CO、CO2、甲醛、PM10、空氣細菌8項指標進行檢測和分析后，發現甲醛和可吸入顆粒物是最主要的空氣污染內容，二氧化碳和空氣細菌總數相對輕微[13]。

3 教學樓室內空氣質量的污染因素

3.1 化學因素

3.1.1 CO2

CO2是影響師生工作學習效率的主要因素，通風條件相同時，當教室內人數越多，CO2的濃度也會越高，濃度在(1000 ～ 3000)×10-6內，學生感覺空氣渾濁，并開始覺得昏昏欲睡，無法集中精力聽講[14]。

3.1.2 氨

氨與血紅蛋白結合，破壞運輸氧氣功能，作為無色、具有強烈刺激性氣味的堿性物質氣體會對呼吸道產生刺激和腐蝕作用。室內空氣中氨主要來源于有室外混凝土外加劑的使用[15]。

3.1.3 SO2

室內 SO2與在校學生濕疹、手和手臂搔癢、臉和頭頸搔癢、眼睛炎癥、鼻黏膜炎、喉嚨干燥、頭疼、 惡心和容易感冒等均呈現顯著性正相關。

3.1.4 NOX

作為空氣污染物的氮氧化物(NOX)常指NO和NO2。氮氧化物可刺激肺部，使人較難抵抗感冒之類的呼吸系統疾病，呼吸系統有問題的人員如哮喘病患者，會較易受二氧化氮影響。經研究，室內 NOX與鼻黏膜炎、喉嚨干燥、頭疼、惡心、濕疹癥狀呈現顯著性正相關[16]。

3.1.5 VOC(揮發性有機化合物)

VOC就是任何能參加大氣光化學反應的有機化合物，如：苯、甲醛等，對嗅覺性有刺激。人體會通過呼吸、皮膚代謝等方式釋放出VOC，是VOC的重要來源之一,所以在人口密度較大的空間里VOC的影響會更大，在教室人口過多、通風條件不好時，VOC含量可能上升、導致肺炎、干咳等病癥[17]。

3.2 物理因素

固態污染物(即顆粒物污染)：包括 PM10、PM2.5等，是空氣中的顆粒物，含有化學成分和生物成分，化學成分主要包括碳成分、硫酸鹽、硝酸鹽、重金屬、有機物、礦物質等，生物成分包括—些病原微生物、細菌等，這些都會威脅人體健康。它們來自室內與室外，在教室里一般來自于室外大氣中顆粒物、路上汽車尾氣以及工地揚塵等。顆粒物污染會通過呼吸進入肺部，細小顆粒難以排出體外，并且顆粒物呈多孔物理結構，可吸附大量有害物質，對人體健康危害巨大[18]。

3.3 生物因素

菌落：這類污染物包括細菌、霉菌以及病毒等。這類污染物是呼吸道傳播疾病的主要原因，盡管空氣不適合微生物產生和生長，但人們的日常活動會導致空氣中存在一些微生物，它們可以附著在顆粒物、唾沫等上，被吸入體內而引起疾病[19]。

4 教學樓室內空氣質量的評價與測量

改善室內空氣質量狀況的最有效手段是源頭進行治理和控制，因此對建筑進行評價，對建筑室內空氣有統一的要求，才能更好的控制和治理源頭。

4.1 客觀評價法

4.1.1 指數法

指數法就是將環境實測數據與評價指標進行比較，從而判斷環境空氣質量的一種方法，分單因子指數法、綜合指數法，使用一個或多個指數進行評價，是一種普適性較強也較為基礎的室內空氣質量評價方法。1998年美國提出了全球最有影響力的LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)評價系統[20]，后又針對校園各類建筑增加了LEED for school，從全面設計、教室聲學、菌落控制、空氣質量等多方面進行評價。

我國的GB/T18883-2002《室內空氣質量標準》中給出了對室內空氣質量的基本評價標準及評價方法，是使用比較普遍的一種評價方法。后又有針對學校和綠色建筑制定的《綠色校園評價標準》GB/T51356-2019，《綠色建筑評價標準》GB/T 50378-2019，有較強針對性、強調地域適應性，但是相對發達國家的標準還是較為簡單[21]。我國《中小學校設計規范》GB50099第9.1規定中小學校建筑的室內空氣質量應符合現行國家標準《室內空氣質量標準》GB/T18883及《民用建筑工程室內環境污染控制規范》GB 50325的有關規定。《中小學校教室換氣衛生標準》GB17226規定了中小學生的必要換氣量、中小學教室的換氣次數、室內空氣CO2容許濃度、換氣方式及換氣制度。具體測試方法見表1、部分工具見圖1、圖2、圖3。

表1 室內主要污染物質檢測方法的標準

圖1 NOx檢測裝置

圖2 甲醛、VOC檢測裝置

圖3 PM2.5濃度檢測裝置

在所有指標中，教室類型建筑評價最多的單指數時CO2濃度，因為在上課時，室內人口密度較大容易產生過高的CO2濃度，而CO2濃度是影響使用者工作效率的重要因素，實驗表明濃度過高，學生感覺空氣渾濁，學習效率會大幅下降[22]。

4.1.2 復雜數學模型評價法

國家現行規范標準中對污染物指標分級濃度的表述是不連續的，但室內空氣質量指標濃度的變化卻是連續的，因此就造成傳統的確定性數學方法用特定的分級標準去評價室內環境空氣污染程度是不合適的[23]。這種評價方法在將評價指標量化后，利用模糊數學的處理方法綜合考慮影響對象總體性能的各個指標 ,經過模糊變換得到每一個被評判對象的綜合優劣度[24]。經過對比，這種評價可以分析出指數法無法評價出的不適感[25]。后又有灰色系統評價法，這是一種多因素統計分析方法，基本思想是通過灰色關聯度來描述各個因素之間的相關性，根據序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯系是否緊密。該方法計算更簡單直接，其所得結果與模糊綜合評價方法所得結果基本一致[26]。

4.1.3 測試方法

客觀評價的教學樓的房間數量較多，所以進行測試前，可以進行預實驗，預測實驗可以反映樓層、朝向、室內面積是否對空氣質量有影響，之后根據預測實驗的結果實驗者選出幾個最具代表性的教室進行深入測試。教學樓的使用時間也有明顯的規律性，在上課、自習、無人使用時室內空氣質量的區別較大，所以可以依據教室的入座率為標準，選擇幾個不同狀態下進行測試[27]。

4.2 主觀評價法

主觀評價法是人們主觀上對空氣質量(IAQ)的滿意度，能直接的反映使用者的主觀感受，但不能很準確的反映空氣質量，但仍能反映一定的空氣質量情況，因此也是一項評價室內空氣質量的重要指標。在主觀評價時，會有很多干擾因素，如心情、環境、人文因素，都有可能會影響人們的滿意度評價。而且有研究表明，人們在主觀評價空氣質量時，會更重視視覺和嗅覺，對可視的、可嗅的污染物感知性更強。因此主觀評價法得到的數據時相對模糊的，很難量化且準確的評價空氣質量，必須結合客觀評價方法才能得到比較可靠的結論。

測試方法：主觀調查主要是以問卷調查為主，調查問卷內容主要包括教室內基本信息、學生對教室空氣質量滿意程度、教室的異味情況、學生健康情況、門窗的通風情況等，為保證主觀感受與客觀條件的匹配，一般在客觀測試的同時發放調查問卷，客觀測試結束回收試卷，并且對每組數據進行編號[28]。之后將這些主觀的調查問卷結合客觀的測試數據，便可以進行進一步的綜合評價。問卷發出份收回份,問卷調查的人數越多,越能真實地反映室內人員對所處環境的感覺[27]。

其余還有文獻調查法、實地觀察法、案例分析法等主觀調查的方法，可以作為客觀測試前收集理論基礎的方法[29]。

4.3 綜合評價法

綜合評價法是將客觀評價主觀評價和主觀評價綜合的一種評價方法，是比較全面的評價方法。可以利用測試工具收集客觀數據，用問卷調查收集使用者的主觀感受，然后利用分析軟件，結合測量收集到的客觀數據，能直接建立主客觀數據間的聯系，能夠較為全面的對高校室內空氣質量進行評價，所以現在大多數的高校室內空氣質量評價使用這種評價方法。但是這種評價方法的大部分過程中需要測試者和大量受測試人的參與以便收集到足夠的數據，耗時較長，人力物力投入較大[30]。

5 教學樓室內空氣質量的改進措施

5.1 使用合適的建材、家具

據中國室內裝飾協會室內環境監測工作委員會調查統計，家具污染室內空氣已經成為繼建筑污染、裝修污染以后的室內空氣污染新問題，成為室內空氣污染的三大來源之一。為此國家制定了有關室內環境和家具污染的標準，使用符合國家標準、污染較少的建材、家具，經過檢測機構檢驗合格后方可使用，可以大幅減少室內的VOC、甲醛等污染物，從而降低對學生教師的健康影響[31]。

5.2 改善通風條件

改善通風條件可以選擇改善自然通風和使用機械通風裝置。然通風能耗少，也不需要維護管理，是無特殊情況下的首選。但是自然通風會影響室內的熱濕環境，并且對室外的空氣質量要求較高，一般使用新風口側送，排風口同側下排的方式較佳[32]。

使用一般在室外空氣質量較好，且教室內學生較少或無學生的情況下選用。使用機械通風裝置，如新風系統，可以不受室外空氣質量的影響，為師生提供良好的通風條件，且可以維持良好的熱濕環境，但是對經濟的需求較大[33]。

教室的使用時間是比較規律的，十分利于管理，可以根據教室是否使用來選擇使用自然通風或者機械通風。

5.3 加強污染物監測分析技術的研究

在MarekBadura對校園的空氣質量研究[34](圖4)中，使用了密集傳感器網絡對校園的PM2.5進行了監控，其中包括交通密集區、教學區域等，可以實時的檢測區域的PM2.5。在掌握實時的污染物數據后，就可以更好的對室內空氣質量進行控制，針對不同的污染程度，做出相對應的控制措施。

圖4 密集傳感器網絡對校園的空氣質量監控

5.4 阻滯污染物傳播

這種方法一般針對可吸入顆粒物，如室外附近有揚塵較大工地、廠房等情況時，可以增加防護林來阻滯吸附可吸入顆粒物的傳播。栽植滯塵能力和抗污能力強的樹種可有效防范顆粒物污染源對周圍空氣的污染。栽植滯塵能力和抗污能力強的樹種可有效防范顆粒物污染源對周圍空氣的污染。防護林帶在阻滯顆粒物的同時還能阻截交通噪聲, 是道路兩旁常見的保護措施。林帶的結構和寬度對消減PM2.5等空氣懸浮顆粒物的能力也有一定的影響[35]。

6 結論與展望

(1)教室中和師生日常工作效率聯系最密切的污染物是CO2，如果只想針對于師生工作效率進行研究，可以著重對教室內的CO2進行評價。測試時，教學樓的使用時間也有明顯的規律性，在上課、自習、無人使用時室內空氣質量的區別較大，所以可以根據教室的課程安排選擇幾個不同狀態下進行測試。

(2)在室內空氣質量標準的制定上，我國相較于很多發達國家還有很多不足，無論是從控制項目的數量還是控制項目的要求標準，都有很大的提升空間。在改進措施方面，對于教室，大多采用改善通風條件的方法，因為其經濟性和可實施性較高，在經濟允許的情況下建議安裝通風機，為教室提供足夠的新風量。