寒冷地區高校教學建筑冬季室內空氣品質評價

蔣 婧，李 維，狄育慧，秦石磊，云旭鑫

(1. 西安工程大學 城市規劃與市政工程學院，陜西 西安 710048；2. 西安建筑科技大學 西部綠色建筑國家重點實驗室，陜西 西安 710055)

0 引 言

隨著人們生活水平的提高，綠色建筑、可持續發展等理念深入人心，良好的室內環境應是一個為大多數室內成員認可的舒適的熱濕環境，同時也能夠為室內人員提供新鮮健康的高品質空氣，以滿足人體舒適和健康的需要。對于以師生活動為主的高校公共建筑，師生不僅是室內的熱濕源，而且是污染源，他們產生的CO2、體味等導致室內空氣品質惡化，其室內空氣品質對師生的身體健康、舒適感覺影響較大[1]。

目前常將CO2質量濃度作為教室室內空氣品質的代表性指標[2]。文獻[3-4]通過大量的人體實驗，采用主觀評價和生理參數測量相結合的方法，發現CO2對健康成年人感知舒適性、健康癥狀及工作效率影響較大，通風量的降低導致室內人員感知空氣品質顯著降低，增加不適癥狀和主觀抱怨，影響了舒適性及工作效率。文獻[5-6]根據實地調查，發現通風影響室內的空氣品質。目前關于室內空氣質量的研究大多集中于辦公建筑和住宅建筑[7]，但對高校教學建筑的關注度較低。

室內人員在冬季通常以關閉門窗維持自身熱舒適性， 影響室內熱環境參數從而影響室內人員感知空氣品質。 本文以西安市冬季某高校為例， 通過對室內CO2質量濃度、 溫度、 相對濕度、 風速等參數進行監測， 同時結合主觀問卷對學生的熱感覺、 濕感覺、 室內空氣品質、 風速期望、 不同癥狀、 舒適度以及滿意度、 主要行為調節措施等進行調查， 分析高校建筑室內空氣品質的現狀和室內人員的行為習慣， 減輕室內空氣污染， 改善室內人員的健康和幸福感。

1 實 驗

1.1 調查對象

選取西安市某高校教學建筑為測試對象，測試地點位于關中平原中部，四季分明，冬季寒冷，多霧，少雨雪。測試對象主要以高校在校學生為主，年齡17～30歲，平均年齡(20.3±2.1)歲，其中男性平均身高(176.2±5.7)cm，平均體質量(69.1±9.7)kg；女性平均身高(163.0±5.4)cm，平均體質量(52.3±6.4)kg。本次測試時間為2020年12月2日—17日。

1.2 主觀問卷調查

本次共回收有效問卷698份，其中男生484人(占比69%)，女生214人(占比31%)，男女比例2.3∶1，調查主要內容為受試者個人基本信息、熱環境、空氣品質、健康舒適、整體評價以及行為調節等。熱感覺采取7級標尺，濕感覺、空氣新鮮程度、舒適度及滿意度采用5級標尺，注意力集中程度采取 3級標尺。問卷發放時間選擇在課間進行，此時經過50 min的課程，受試者的生理狀態也已達到穩定，在填寫期間，要求受試者必須根據自身實際情況對所處的室內環境進行評價。

1.3 測點布置

為使測試具有代表性，選擇具有不同設計布局和規模大小的教室評價現有教室的室內空氣品質。在無穿堂風、避免陽光直射，距離外墻至少1 m的室外測量地點進行測試，用錫箔紙遮蔽，防止降雨、太陽輻射等氣象因素對所測數據產生的影響。室內測點布置采用5點測量法，所有教室中的傳感器都放置在高于地面1.1 m的高度上[8]，實際測點位置布置如圖1所示。

圖 1 測點位置示意圖

1.4 參數測量

現場測試了5個典型的參數：空氣溫度、黑球溫度、風速、相對濕度以及CO2質量濃度。其中，室內空氣溫度、黑球溫度、風速和相對濕度均由熱舒適儀實時監測，CO2質量濃度采用空氣品質分析儀連續監測。室外風速以及溫濕度分別采用風速儀以及溫濕度自記儀監測，表1列出了測試所用的儀器及參數，所有儀器在測試之前都需要校準。為了保證測試數據的準確性，在數據開始測試之前，將被測教室門窗全部打開進行通風，排出室內前一天聚集的CO2，通風時間控制在30 min左右，使室內CO2質量濃度降低到與室外基本相同，再恢復教室門窗為緊閉狀態。將操作溫度作為溫度評價指標[9]，計算公式為

表 1 測試參數及儀器

(1)

tmr=tg+2.44v0.5(tg-ta)

(2)

式中：to為操作溫度，℃；ta為室內空氣溫度，℃；tmr為平均輻射溫度，℃，tg為黑球溫度，℃，hc為對流換熱系數，坐姿時hc=4.0 W/(m2·℃)；hr為輻射換熱系數，hr=4.7 W/(m2·℃)；v為空氣流速，v=0.00 m/s。

由于冬季學生的門窗基本都處于緊閉狀態，人對風速的感覺閾為0.20 m/s，所測風速(≤0.05 m/s)均遠小于人對風速的感覺閾值，故可忽略室內風速對受試者熱感覺評價的影響。

2 結果與分析

2.1 室內外環境參數

2.1.1 室外環境參數 測試期間，室外溫度變化范圍為-3.0～7.6 ℃，平均值(3.2±2.5)℃；室外相對濕度變化范圍45.5%～84.7%，平均值(62.4±11.2)%；室外風速變化范圍0.1～2.6 m/s，平均值(1.1±0.5)m/s。冬季室外環境參數見表2。

表 2 冬季室外環境參數

2.1.2 室內環境參數 測試期間教室室內空氣溫度變化范圍為11.6～18.5℃，平均值為(14.5±1.6)℃；操作溫度變化范圍為11.2～18.6 ℃，平均值為(14.9±1.9)℃；室內風速變化范圍為0.04～0.06 m/s，平均值為(0.05±0.00)m/s；黑球溫度變化范圍10.7～18.9 ℃，平均值為(15.2±2.3)℃；CO2質量濃度變化范圍為491～6 883 mg/m3，平均值為(2 844±1 346)mg/m3；室內相對濕度為31.2%～67.1%，平均值為(45.8±8.7)%。

所測教室共13個，根據GB/T 1883—2002室內空氣質量標準[10]，冬季采暖溫度標準值為16～24 ℃；相對濕度標準值為30%～60%；CO2質量濃度評價標準為1 964 mg/m3，即超過該值則判定CO2質量濃度超標。根據分析得出所測室內溫度超標率為81.3%，濕度超標率為4.7%，CO2質量濃度超標率為77.1%，室內CO2質量濃度最高為6 883 mg/m3，超過標準值的3倍，即冬季高校教室室內除濕度外，溫度和CO2質量濃度均不符合我國室內空氣質量標準的要求，文獻[11-12]發現，高校室內CO2質量濃度隨著時間的增加而迅速增加，且超標現象嚴重，說明目前高校教室室內通風不合理，空氣品質普遍較差。這與西安市冬季寒冷的氣候以及教室內暖氣片年久失修，老化嚴重，供熱不足等有關，室內人員為保持熱舒適性而緊閉門窗，使室內CO2質量濃度未能及時排放而積聚，因此建議對室內有問題的設備進行翻新或者增加通風系統，同時應結合當地的氣候條件、穿衣習慣等情況建立合理的室內設計溫度并進行適當的通風。冬季室內環境參數見表3。

表 3 冬季室內環境參數

上課時門窗關閉，人員相對靜止，室內空氣流動較弱，環境對測試結果的干擾較小，逐時的測試結果準確地反映了客觀因素對教室內空氣品質的影響。其溫濕度和CO2質量濃度的逐時變化分別如圖2～3所示。

圖 2 上課狀態室內溫、濕度變化曲線

空氣的溫、濕度對被感知的空氣品質十分重要，人們感知的空氣品質受人體周圍溫、濕度強烈的影響。在溫度為20 ℃，相對濕度為40%，通風率為3.5 L/(s·人)時，人們感到比在溫度為23 ℃，相對濕度為50%，通風率為10 L/(s·人)時的空氣品質好[13]。測試結果表明，上課時的溫、濕度具有相似的變化趨勢。從圖2可以看出，教室內的溫濕度整體呈上升趨勢，因為門窗緊閉，人體熱源極大地影響了教室內的溫、濕度，使溫、濕度逐漸升高。其中溫、濕度出現2次明顯波動，主要是由于課間休息，人員走動帶動空氣流動，與室外進行了通風所致。所以各教室在上課期間溫、濕度均呈上升趨勢，使人感知的空氣品質下降，調查結果表明室內悶熱、不舒服，因此建議應適當進行通風來改善室內環境。

圖 3 上課狀態室內CO2質量濃度變化曲線

從圖3可以看出，上課狀態時教室CO2質量濃度整體呈上升趨勢，因為上課時學生集中在一個封閉的環境里，隨著時間的增加，CO2質量濃度不斷累積，含量不斷增高，其中2次下降均因課間休息，空氣流動使得CO2的質量濃度下降，由于下課時間短，通風不完全，因此室內滯留的CO2質量濃度還是很高，在此之后又繼續升高，CO2最高質量濃度已超過國家標準2.7倍。上述結果表明，封閉教室在上課期間CO2質量濃度嚴重超標，因此上課期間封閉教室內空氣品質逐漸變差，因此應采用正確合理的通風方式改善室內空氣品質。

2.2 室內空氣質量

2.2.1 服裝熱阻 受試者的服裝熱阻分布頻率如圖4所示。從圖4可以看出，高校學生服裝熱阻主要集中在1.1～1.5 clo(約占78.9%)，平均服裝熱阻為1.29 clo，高于文獻[14]標準中冬季服裝標準熱阻值0.99 clo，男性平均服裝熱阻為1.27 clo，女性平均服裝熱阻為1.34 clo。由于室內外溫濕度差較大，學生進出教室沒有立即更換衣物的習慣且男女生服裝熱阻差距較大，因此女性在冬季穿衣均較男性來說更厚一些。

圖 4 學生服裝熱阻分布

2.2.2 熱濕感覺評價 為了分別獲得操作溫度t0與平均熱感覺投票值(MTS)以及相對濕度φ與平均濕感覺投票值(MHS)變量之間的相關關系，因此選用線性回歸分析建立模型，其中顯著性水平α=0.05，操作溫度與MTS相關性和室內相對濕度與MHS相關性分別如圖5～6所示。

圖 5 操作溫度與MTS相關性

在顯著性水平α為0.05時復相關系數臨界值Rmin=0.55，從圖5可以看出，決定系數R2=0.57，即復相關系數R≈0.75，說明t0與MTS呈顯著正相關，即t0升高，MTS投票值呈上升狀態，令MTS=0，實測熱中性溫度20.7 ℃；從圖6可以看出，決定系數R2=0.12，即復相關系數R≈0.35，說明φ與MHS之間相關但不顯著，即MHS投票值不會因室內濕度有很大的變化，說明受試者對濕度變化不敏感。

圖 6 室內相對濕度與MHS相關性

同上，為了分別獲得室內CO2質量濃度ω與平均熱感覺(MTS)和平均濕感覺(MHS)變量之間的相關關系，利用線性回歸分析建立模型，顯著性水平取α=0.05，室內CO2質量濃度與MTS相關性和室內CO2質量濃度與MHS相關性分別如圖7～8所示。

圖 7 室內CO2質量濃度與MTS相關性

圖 8 室內CO2質量濃度與MHS相關性

從圖7可以看出，決定系數R2=0.04，即復相關系數R=0.20，說明室內CO2質量濃度與MTS之間相關但并不顯著，呈正相關，即CO2質量濃度升高，MTS呈上升狀態；從圖8可以看出，決定系數R2=0.20，即復相關系數R≈0.45，說明室內CO2質量濃度與MHS之間相關不顯著，呈負相關，即CO2質量濃度升高，MHS呈下降狀態。

綜上，可知室內物理參數t0和CO2質量濃度均與MTS和MHS投票值相關，即因CO2為溫室氣體，CO2質量濃度升高，造成室內悶熱，MTS投票值呈上升狀態，MTS投票值隨CO2質量濃度的增加而增加；φ與MHS以及CO2質量濃度與MHS之間相關但不顯著，即MHS投票值不會因室內濕度以及CO2質量濃度有很大的變化，此結果與文獻[15]研究結果一致，說明在非極端條件下受試者對濕度變化不敏感。

2.2.3 空氣新鮮程度 針對高校教室室內空氣新鮮度進行調查，結果顯示室內空氣不新鮮的原因如圖9所示。

圖 9 室內空氣不新鮮的原因

從圖9可以看出，人員密度大占比40%，沒有開窗占比26%，室內有不良氣味占比17%，室內灰塵多占比10%，室外空氣的影響占比6%，其他占比1%。即受試者認為室內空氣不新鮮的原因主要是因為人數多以及沒有開窗，這與西安市冬季寒冷氣候以及高校教學環境相關，使得室內人員通常以關閉門窗保持自身熱舒適性。建議應適當的減少人員密度，在保證室內學生熱舒適的條件下合理結合室外氣象條件開啟門窗；及時開門窗通風換氣，降低室內CO2質量濃度；合理的運用綠色植物來布置教室以凈化室內的空氣；若條件允許，可安裝通風機為教室內提供足量的新風，以滿足學生對于室內空氣質量的要求。

2.2.4 行為調節 此次調查過程中，由于上課期間大部分時間內門窗緊閉，室內CO2質量濃度隨著時間累積，室內出現悶熱，空氣品質下降，40% 學生犯困，26%學生學習效率下降，同時學生對室內整體環境感知不舒適及不滿意的人數是舒適及滿意人數的2.5倍。由此可見，未合理使用門窗進行通風，導致室內空氣不流通，學生對感知上課期間整體環境的舒適度以及滿意度均較低，且犯困、注意力下降、精神不集中，影響效率[16-17]。高校學生行為調節方式的頻率分布如圖10所示。

圖10 行為調節方式

從圖10可以看出，西安市冬季高校學生在室內的行為調節措施主要以開門窗、輕度活動、增加綠植、采用空氣凈化器、局部加熱和加濕器加濕為主。其中空氣凈化器占到了20%，增加綠植和開門窗均占15%，局部加熱占14%，加濕器加濕和輕度活動分別占13%和12%，這與西安市的地理環境相關，冬季室外氣候寒冷干燥且高校學生上課時間長、人員密度大等有關。

2.3 室內空氣質量對比分析

2.3.1 熱環境 平均熱感覺隨溫度的變化，斜率為0.23，比其他地區相對較高，故西安市高校學生對溫度的敏感程度較高于其他地方，西安與北京同處于寒冷地區，其中服裝熱阻、熱中性溫度與決定系數R2均比較接近，但是平均熱感覺隨溫度變化的頻率相差比較大，其原因可能與北京冬季為風機盤管系統連續性供暖[18]，而西安是集中供暖系統，末端為散熱器，實行間歇性供暖，且教室室內暖氣片老化嚴重，供熱不足等有關。因此設計合理的建筑可減少冬季教室的熱損失，合理地利用自然環境條件進行室內通風設計是改善室內熱環境的主要策略方向。

2.3.2 室內空氣品質 隨著綠色建筑、可持續發展理念逐漸深入人心，眾多學者針對改善高校室內空氣質量的策略認識到節約能源的重要性，文獻[19-20]指出對室內植物種類的適當選擇和有針對性的增加可以降低過量的CO2質量濃度來改善室內空氣質量。戴歡歡等建議在教室安裝保溫型排氣扇進行換氣可改善教室內的空氣質量[21]；在室內養殖花草, 營造一個良好的“小氣候”；用活性炭吸附方法改善室內空氣質量。要想使教室空氣品質得到優化，應建立在對教室室內環境充分認識的基礎上，才能綜合應用各種治理措施，達到真正優化教室的空氣品質，從而更好地促進師生身體健康，進一步提高教育教學質量。

室內人員冬季經常不開窗，室內換氣量不足，CO2在教室中的質量濃度隨時間不斷增長所致，對室內環境的舒適度及滿意度均較低。因此，及時調整冬季教室的室內CO2質量濃度，是改善室內空氣品質的關鍵，通風是保證室內良好空氣品質的主要措施，不能僅靠從門窗縫隙滲透進入的冷風來進行換氣，這種冷風滲透不但不能達到改善室內空氣品質的要求，同時使被吹到的人產生不舒適感，而且加熱冷風和熱空氣從門窗縫隙排出還會浪費大量的能量；如果依靠在窗戶的頂部安裝排氣扇的方法來增加教室內的新風量，雖然可以改善室內空氣品質，但同時大量進入的低溫冷空氣會造成人體的不舒適，且室內的大量熱量就會白白浪費掉，還會影響室內的溫度。即根據外部氣象，在滿足熱舒適條件下應合理采用自然通風策略既可改善室內空氣品質又能增加節能效益。

3 結 論

1) 西安市冬季高校學生平均服裝熱阻為1.29 clo，高于文獻[14]中冬季服裝標準熱阻值0.99 clo;男女生服裝熱阻差距均較大，并且男生服裝熱阻普遍明顯低于女生。

2) 所測冬季西安高校教室室內空氣溫度變化范圍為11.6～18.5 ℃，相對濕度為31.2%～67.1%，CO2質量濃度變化范圍491～6 883 mg/m3。根據文獻[10]，所測室內溫度超標率為81%，濕度超標率為4.7%，CO2質量濃度超標率為77%，即除濕度外，溫度和CO2質量濃度均不符合我國室內空氣質量標準的要求。

3) 回歸分析表明，操作溫度t0和CO2質量濃度均與MTS和MHS投票值相關，MTS投票值隨CO2質量濃度的增加而增加；相對濕度φ及CO2質量濃度均與MHS投票值相關但不顯著，即MHS投票值不會因室內濕度以及CO2質量濃度有很大的變化，表明受試者對濕度變化不敏感。

4) 主觀問卷調查結果表明，學生對感知上課期間整體環境的舒適度以及滿意度均較低，同時伴隨著犯困、注意力下降、學習效率下降、情緒壓抑等影響，空氣不新鮮主要是人數多以及沒有開窗，應以開門窗、輕度活動、增加綠植、采用空氣凈化器、局部加熱和加濕器加濕為主。