自然通風(fēng)教室內(nèi)CO2濃度調(diào)查與新風(fēng)量測(cè)定

廖梅 解曉健 胡彎

南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院

自然通風(fēng)教室內(nèi)CO2濃度調(diào)查與新風(fēng)量測(cè)定

廖梅 解曉健 胡彎

南京師范大學(xué)能源與機(jī)械工程學(xué)院

于2012年12月和2013年3月對(duì)南京市某自然通風(fēng)高校教室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)，從中挑選兩間典型教室207（中型教室）和326（小型教室）對(duì)其室內(nèi)CO2濃度變化規(guī)律進(jìn)行詳細(xì)分析；并以人體呼出的CO2為示蹤氣體，采用濃度衰減法計(jì)算不同教室、不同通風(fēng)形式下室內(nèi)新風(fēng)量大小。

自然通風(fēng)高校教室CO2新風(fēng)量

0 前言

學(xué)校教室作為師生進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)的主要場(chǎng)所，其室內(nèi)環(huán)境問題備受各界關(guān)注。相關(guān)學(xué)者指出[1～2]，教室空氣質(zhì)量的好壞會(huì)影響教師的教學(xué)質(zhì)量、學(xué)生的學(xué)習(xí)效率及師生身心健康。對(duì)于教室內(nèi)空氣品質(zhì)的評(píng)價(jià)，一般用室內(nèi)CO2濃度和新風(fēng)量作為其評(píng)價(jià)指標(biāo)。國(guó)標(biāo)GB/T18883-2002規(guī)定：CO2濃度日平均值應(yīng)不大于0.1%，室內(nèi)新風(fēng)量應(yīng)不小于30m3/(h·人)[3]。普通高校教室人員密集且通風(fēng)方式簡(jiǎn)易，室內(nèi)CO2濃度極易超標(biāo)，Coley指出[2]教室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)將影響學(xué)生上課表現(xiàn)，CO2濃度超出標(biāo)準(zhǔn)一倍學(xué)生注意力降5%左右。

學(xué)校教室的通風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)熱舒適性、室內(nèi)空氣品質(zhì)均有影響[4]，調(diào)查顯示學(xué)校師生在控制通風(fēng)狀態(tài)時(shí)，首先考慮的是室內(nèi)熱舒適性[5]。另有研究指出[6～7]，學(xué)校病態(tài)建筑綜合癥與不合理的通風(fēng)方式相關(guān)，且不斷引起學(xué)生的抱怨。

本文對(duì)長(zhǎng)江流域、夏熱冬冷地區(qū)自然通風(fēng)教室內(nèi)的CO2濃度進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)以了解室內(nèi)空氣品質(zhì)狀況，并以人體呼出CO2為示蹤氣體，采用濃度衰減法計(jì)算不同教室、不同通風(fēng)形式下室內(nèi)新風(fēng)量。

1 實(shí)驗(yàn)方案

檢測(cè)教學(xué)樓建于2001年，本文采取現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)檢測(cè)，檢測(cè)初期，先對(duì)整棟教學(xué)樓的使用情況進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查，選出使用頻率較高的教室。實(shí)驗(yàn)期間對(duì)18間教室進(jìn)行25組實(shí)驗(yàn)，選擇代表教室207和326的5組數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)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(hào)ABCD為外窗，編號(hào)MA、MB為門，編號(hào)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(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T18883-2002）[3]中對(duì)室內(nèi)空氣采樣點(diǎn)的要求，儀器避開風(fēng)口放置于教室課桌上，采樣高度為1m且以對(duì)角線形式均勻分布于上課教室人群中，每隔1min記錄一次數(shù)據(jù)，室內(nèi)室外檢測(cè)同步進(jìn)行。參照GB/T18204.24《公共場(chǎng)所空氣中二氧化碳測(cè)定方法》[8]，用便攜式紅外線分析儀進(jìn)行檢測(cè)，使用EA80型空氣質(zhì)量檢測(cè)儀對(duì)教室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)人員同時(shí)記錄上課教室門窗開啟狀態(tài)、室內(nèi)外人員活動(dòng)情況及氣象情況等，檢測(cè)時(shí)間為7:30～12:30、13:30～16:30。圖3、4為實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況。

圖3 室內(nèi)CO2濃度檢測(cè)

圖4 室外CO2濃度檢測(cè)

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1自然通風(fēng)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(nèi)檢測(cè)的CO2濃度數(shù)據(jù)對(duì)比圖，從圖中可以看出，冬季和春季教室內(nèi)CO2濃度變化趨勢(shì)相同，其濃度值均隨課時(shí)的增加而增加，課間休息時(shí)段室內(nèi)CO2濃度呈下降趨勢(shì)。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(nèi)CO2濃度超標(biāo)嚴(yán)重，冬季超標(biāo)現(xiàn)象更甚，小教室326比中型教室207超標(biāo)更為明顯，小教室326冬季CO2濃度最高值達(dá)5199ppm，是標(biāo)準(zhǔn)值的5.2倍。測(cè)試期間教室悶熱，通風(fēng)不暢，氣味難聞、外窗玻璃有水汽，室內(nèi)空氣品質(zhì)較差。

圖5 春季和冬季207教室內(nèi)CO2濃度對(duì)比

圖6 春季和冬季326教室內(nèi)CO2濃度對(duì)比

2.2教室內(nèi)CO2濃度變化分析

為了解不同大小、不同季節(jié)教室內(nèi)CO2濃度的變化情況，將對(duì)五組數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，圖7、8分別為2012年12月18日對(duì)教室326和2013年3月15日對(duì)教室207檢測(cè)的數(shù)據(jù)分析圖，主要目的是了解冬季和春季不同教室內(nèi)CO2濃度的變化情況。因教室門窗一整夜緊閉使得室內(nèi)前一天聚集的CO2不能及時(shí)散出，清晨進(jìn)行實(shí)驗(yàn)前需先開門窗通風(fēng)一段時(shí)間，約半小時(shí)左右，如此才能使所測(cè)數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)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(jié)課連上，326教室門窗緊閉上課人數(shù)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(biāo)嚴(yán)重，室內(nèi)較悶熱，外窗玻璃有水汽產(chǎn)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(jié)課結(jié)束，下課開AB門、AD窗通風(fēng)，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(shù)27人，人員密度0.28人/m2，CO2濃度平均值1733ppm，室內(nèi)人員密度比前三節(jié)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(jié)課連上，207教室門窗緊閉，上課人數(shù)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(shù)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(nèi)CO2濃度與標(biāo)準(zhǔn)值相差無幾，室內(nèi)空氣品質(zhì)較好；13:30～15:10上課教室門窗緊閉，教室上課人數(shù)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(nèi)CO2濃度一直呈下降趨勢(shì)，平均值為1447ppm，上課期間適當(dāng)?shù)亻_門窗通風(fēng)對(duì)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)有明顯幫助。

表2為五組數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析統(tǒng)計(jì)。

3 新風(fēng)量的計(jì)算

本文以教室內(nèi)人體呼出的CO2為示蹤氣體來測(cè)定教室內(nèi)新風(fēng)量。示蹤氣體法測(cè)新風(fēng)量遵循質(zhì)量守恒原理，計(jì)算公式如下：

式中：V為房間空氣體積，m3；Cout為室外環(huán)境示蹤氣體濃度，mg/m3；Cτ為瞬時(shí)測(cè)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(fēng)量，m3/s；為氣體濃度隨時(shí)間的變化值，mg/m3。

本文采用下降法（濃度衰減法）來測(cè)定課間教室新風(fēng)量，即待教室內(nèi)示蹤氣體濃度達(dá)穩(wěn)定且均勻分布后，通過開啟門窗使教室處于穩(wěn)定的通風(fēng)狀態(tài)，此時(shí)觀察示蹤氣體濃度衰減的變化規(guī)律，采用解析法計(jì)算新風(fēng)量，式（1）的解析解為：

式中：C0為初始時(shí)刻CO2濃度值，mg/m3。

當(dāng)F(τ)=0時(shí)，室內(nèi)無人，式（2）變?yōu)?/p>

采用疊代法計(jì)算新風(fēng)量值：根據(jù)式（2）與式（3），使用Origin8自定義函數(shù)擬合的方法以C對(duì)t作圖，先假設(shè)一個(gè)Q值然后進(jìn)行各種形式的擬合計(jì)算出實(shí)際的Q值。表3為根據(jù)教室實(shí)際情況計(jì)算出的新風(fēng)量值。

表3 課間教室新風(fēng)量計(jì)算

室內(nèi)人員密度會(huì)影響新風(fēng)量的大小，相同通風(fēng)狀態(tài)，室內(nèi)有人比無人時(shí)新風(fēng)量大。對(duì)教室207而言，室內(nèi)有人情況下，課間開兩扇門可適當(dāng)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)，在此基礎(chǔ)上多開兩扇窗可使新風(fēng)量增加33.4%，只開一扇門兩扇窗比開兩扇門兩扇窗的新風(fēng)量降低16.7%，而比只開兩扇門時(shí)的新風(fēng)量增加14.3%，建議課間在開門通風(fēng)基礎(chǔ)上，盡量開窗，如此室內(nèi)氣流流通更順暢，對(duì)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)十分有利。

課間適當(dāng)?shù)亻_啟門窗能有效祛除室內(nèi)污濁空氣為教室?guī)硇迈r空氣，但計(jì)算所得的人均新風(fēng)量卻達(dá)不到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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(fēng)量達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但此時(shí)室內(nèi)溫度下降3.2℃，室內(nèi)多數(shù)人員抱怨冷，以犧牲熱舒適性來改善室內(nèi)空氣品質(zhì)不是解決問題的關(guān)鍵，如何更為合理地改善教室內(nèi)空氣品質(zhì)是今后研究的重點(diǎn)。

4 結(jié)論與分析

1）檢測(cè)結(jié)果顯示，夏熱冬冷地區(qū)冬季和春季教室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)嚴(yán)重，冬季和面積較小教室超標(biāo)現(xiàn)象更為突出。相同教室，冬季室內(nèi)CO2濃度最高達(dá)5199ppm，春季最高值達(dá)3593ppm，分別超標(biāo)準(zhǔn)值4.2和2.6倍。

2）南京市12月和3月份室外氣溫較低，現(xiàn)場(chǎng)觀察記錄結(jié)果顯示上課期間教室門窗基本全關(guān)，尤其是冬季，在門窗緊閉情況下，教室內(nèi)CO2超標(biāo)嚴(yán)重，中型教室207冬季室內(nèi)CO2濃度平均值為2546ppm，春季平均值為2015ppm，小教室326冬季室內(nèi)CO2濃度平均值為2868ppm，春季平均值為2190ppm。教室人員密度和新風(fēng)量不足是影響室內(nèi)CO2濃度的主要原因，應(yīng)適當(dāng)控制教室上課人數(shù)，盡量開門窗通風(fēng)為教室注入新鮮空氣，對(duì)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)十分有利。

3）下課期間，室內(nèi)有人比無人情況下測(cè)定的新風(fēng)量大，但差別不大；開門窗通風(fēng)能使室內(nèi)氣流流通順暢，對(duì)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(fēng)情況下多開一扇窗能使新風(fēng)量增加24.6%，多開兩扇窗可使新風(fēng)量增加33.4%。如何從根本上協(xié)調(diào)自然通風(fēng)教室內(nèi)的通風(fēng)和熱舒適性問題是今后研究的重點(diǎn)。

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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(qū)板倉(cāng)街78號(hào)南京師范大學(xué)動(dòng)研信箱（210042）；E-mail:lnna_mei@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目（No.E51008161）