寧波市中小學校教室空氣質(zhì)量與通風適宜方案研究

林 敏，毛艷輝，應 融，張 琪

（1.寧波華聰建筑節(jié)能科技有限公司，浙江 寧波 315040；2.寧波工程學院，浙江 寧波 315211）

相關(guān)研究表明，當前我國建筑師在對教學樓和教室進行設計時，對建筑造型、采光、隔聲方面都考慮充分，但缺乏對教室室內(nèi)空氣質(zhì)量的考慮，容易造成教室內(nèi)新風量不足導致 CO2濃度超標的問題，并且不同的標準對教室內(nèi) CO2濃度限值與最小新風量的規(guī)定存在一定的分歧[1-2]。由于室內(nèi)通風形式多樣，所以難以通過實際工程開展運行效果研究。本文立足于浙江省寧波市中小學校教室空氣質(zhì)量現(xiàn)狀調(diào)研分析，在已有的建筑通風換氣技術(shù)體系基礎上，通過實際工程改造試點，在全市范圍內(nèi)選擇了3所學校的6間教室作為試點空間并安裝機械通風裝置。通過設計合理可行的監(jiān)測方案對試點教室內(nèi)的空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測。本文以 CO2濃度作為研究的主要指標[3]，分析通風裝置啟停狀態(tài)下的室內(nèi) CO2濃度變化，并結(jié)合 CFD 數(shù)值模擬技術(shù)，評價不同通風方式對教室室內(nèi)空氣質(zhì)量的影響。通過實際工程改造與連續(xù)的空氣質(zhì)量監(jiān)測及數(shù)值模擬的結(jié)合，較好地實現(xiàn)了實驗數(shù)據(jù)在時間上的連續(xù)性和室內(nèi)氣體濃度變化在空間上的全方位觀察，較為全面地對比分析了中小學校教室內(nèi)各種自然通風和機械通風方式的運行效果。

現(xiàn)階段寧波市各中小學教室內(nèi)基本未安裝空調(diào)，無獨立新風系統(tǒng)，室外新風主要由門縫或短時間開啟門窗獲得。根據(jù)寧波市衛(wèi)生監(jiān)督所的測試反饋，目前中小學教室在設計階段雖滿足通風設計標準，但大多數(shù)教室未安裝新風系統(tǒng)，在冬季窗戶關(guān)閉時，室內(nèi)空氣流通不暢，教室內(nèi)空氣質(zhì)量較差。中小學生長期處于這樣的環(huán)境中，將成為季節(jié)性傳染病的高發(fā)群體。因此研究寧波市中小學校教室的空氣質(zhì)量現(xiàn)狀與通風適宜方案具有顯著的社會效益，并對今后制定寧波市中小學校教室新風系統(tǒng)設計的地方工程建設標準具有參考價值。

1 寧波市中小學校教室空氣質(zhì)量調(diào)研情況

為了解寧波市中小學校在寒冷季節(jié)教室內(nèi)空氣質(zhì)量現(xiàn)狀，以便為有效的保持寒冷季節(jié)教室空氣質(zhì)量提供依據(jù)，本研究對寧波市3所學校的6間教室展開了室內(nèi)空氣質(zhì)量的調(diào)研工作。調(diào)研對象包括2所完全小學的4間小學教室和1所九年一貫制學校中的2間初中教室，同一所學校的2間教室室內(nèi)面積和體積相同。在項目選擇上兼顧了學校所處位置的地域分布。不同于其他研究報告，一般情況下，多數(shù)調(diào)研采用的檢測設備為便攜式，僅能測量某一個時間點的空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過此類數(shù)據(jù)來判斷該項指標是否超標，具有一定的偶然性。本次調(diào)研通過安裝室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測儀，對教室進行全天候的室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測，采用的監(jiān)測設備可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)采集，可根據(jù)需求觀察任意時間點或時間段的變化，從而解決了時間上的連續(xù)性問題。

1.1 監(jiān)測結(jié)果

從室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)中，選取冬季某典型日的室內(nèi) CO2濃度變化曲線，詳見圖 1～圖 6。

圖1 某小學 A（1 班）室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值

圖2 某小學 A（2 班）室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值

圖3 某小學 B（1 班）室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值

圖4 某小學 B（2 班）室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值

圖5 某初中 A（1 班）室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值

圖6 某初中 A（2 班）室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值

1.2 結(jié)果分析

實驗監(jiān)測結(jié)果顯示，學生開始進入教室后，CO2濃度快速升高；下課后，由于下課期間教室門打開，新風量增加，并有學生進出教室，造成室內(nèi) CO2釋放源減少，因此 CO2濃度先到達階段性峰值，隨后下降。下節(jié)課開始后，CO2濃度又持續(xù)攀升。如此循環(huán)往復，直至學校放學，室內(nèi) CO2又逐漸恢復至上課前的水平。監(jiān)測結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 寧波市中小學校教室寒冷季節(jié) CO2 濃度情況

根據(jù)以上監(jiān)測數(shù)據(jù)可知以下內(nèi)容。

（1）寧波市室外 CO2體積分數(shù)約為 0.04%，與公布的大氣 CO2濃度數(shù)據(jù)吻合[4]。不同的測試點室內(nèi) CO2初始濃度略有差異，由此可見，項目所處環(huán)境及地理位置、室外空氣質(zhì)量、室內(nèi)外空氣流通情況等情況均會對室內(nèi) CO2濃度高低產(chǎn)生一定的影響。

（2）兩所小學的教室室內(nèi) CO2濃度在學生到達教室后約70min 左右達到1000 ×10-6的標準限值[2]，濃度平均上升速度為（8.0～8.5）×10-6/min，而初中教室室內(nèi) CO2濃度在學生到達教室后 20～30 min 內(nèi)就達到了1000 ×10-6的標準限值，濃度平均上升速度為（20.0～28.4）×10-6/min。這說明教室人數(shù)是室內(nèi) CO2濃度上升速度的影響因素之一。此外，隨著年齡增長，初中生呼吸的 CO2排放量較小學生有明顯增長。

（3）測試的小學教室室內(nèi) CO2濃度基本于 11:00 左右達到一天中的最高值，而初中教室則于 10:00 左右就達到了一天中的最高值，這也與初中生的 CO2排放量較大以及測試中學教室人數(shù)較多有關(guān)。另外，其中一間小學教室的室內(nèi) CO2濃度最高出現(xiàn)在下午時間段。這說明教室室內(nèi) CO2濃度的達峰時間與班級課程安排、課間學生活動情況（室內(nèi)人員密度變化）、開閉門窗行為等情況也存在一定的關(guān)系。

（4）不同的測試點達到的室內(nèi) CO2濃度最高值有所差異，超標倍數(shù)從 1.9～4.2 倍不等。這說明室內(nèi)空間大小、室內(nèi)人員密度、室外風速和風壓以及門窗開啟程度，甚至室內(nèi)儲放物品多少與種類等情況都是室內(nèi) CO2濃度高低的影響因素。

（5）學生主要在校時間段內(nèi)，不同的測試點中，室內(nèi) CO2最少濃度有 44.9% 的時間處于超標狀態(tài)，最高甚至達到 90.3%。室內(nèi) CO2濃度不達標對學生的學習和健康狀況會產(chǎn)生一定的影響，有必要采取措施降低室內(nèi) CO2濃度。

2 寧波市中小學校教室通風改造試點

為了對比不同的通風方案，本次研究按照規(guī)范要求的最小新風量設計室內(nèi)通風換氣改善方案，并通過試點教室的實際工程改造，測試不同的通風改造方案對教室室內(nèi) CO2濃度的影響效果[5]。改造試點工程主要測試了排氣扇和新風機兩種機械通風方式，并分別對比分析了教室開窗和門窗緊閉時兩種方式的處理效果。

2.1 基礎條件

（1）根據(jù)中小學校教室的設計標準，教室均有外墻和外窗，為引入室外新風提供了條件。

（2）每間教室外側(cè)均有走廊，新風機可吊頂安裝在走廊內(nèi)，減少對室內(nèi)的影響。

（3）教室外窗均有足夠面積安裝排氣扇。

（4）同一所學校的2間教室室內(nèi)面積和體積相同。

2.2 通風設備選型計算

根據(jù) GB 50099—2011《中小學設計規(guī)范》，室內(nèi)通風換氣次數(shù)控制在 2.5 次/h 左右可有效排除室內(nèi)污染物。在保證室內(nèi)空氣質(zhì)量的同時，選取的設備噪聲不至于過高，從而營造良好的學習環(huán)境。因此本研究選擇1臺某品牌新風機（額定風量為720m3/h）及2臺某品牌排氣扇（額定風量為400m3/h）作為通風設備。3 所中小學校的6間典型目標教室的選型計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。其中初中教室室內(nèi)換氣次數(shù)略低于規(guī)范要求的 3.5 次/h，考慮到項目采購所選品牌下一檔產(chǎn)品的額定風量過大，也考慮到采購的統(tǒng)一性和經(jīng)濟性，因此以此作為測試方案。

表2 學校教室通風設備選型計算匯總

2.3 室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)

本研究利用便捷實用的室內(nèi)空氣質(zhì)量在線監(jiān)測系統(tǒng)，在每個教室布設一個監(jiān)測點位，依托數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)认到y(tǒng)，利用先進的云平臺技術(shù)，對監(jiān)測點位的環(huán)境質(zhì)量數(shù)據(jù)進行采集，并上傳匯總。其中 CO2傳感器量程為（0～6000）×10-6，分辨率為 1×10-6。

2.4 平面布置

（1）新風機改造方案。在教室門外走廊中間位置吊頂安裝1臺風量為720m3/h 的新風機，距地安裝高度為 2.5～2.8 m。新風機由室外取新風，接320mm×250 mm 風管由教室上方穿墻進入室內(nèi)，貼教室側(cè)墻布置兩個送風口（雙層百葉）均勻送風（側(cè)送風），教室另一側(cè)前后門底部各開500 mm×300 mm 單層百葉作為排風口，確保室內(nèi)形成有效氣流組織。

（2）排氣扇改造方案。在教室前后遠離門側(cè)外窗固定扇位置分別安裝1臺風量為400m3/h 的排氣扇（將部分外窗玻璃卸下后安裝排氣扇），距地安裝高度為 2.5～2.7 m。教室前后門底部開500mm×300 mm 單層百葉作為進風口，確保室內(nèi)形成有效氣流組織。

2.5 改造試點工程實施結(jié)果

本改造工程風管采用成品矩形彩鋼風管，顏色為乳白色。經(jīng)現(xiàn)場查看，整體美觀、簡潔，與教室整體融合度較高。設備選用小型靜音型新風機，噪聲僅為34dB，排氣扇為雙速控制，高速運轉(zhuǎn)時，噪聲也僅為38dB，基本等同于室外環(huán)境噪聲，對學生上課未產(chǎn)生不利影響。送風口送風均勻，下方學生無明顯風吹感。另外，本改造工程選用的新風機采用低能耗電機，額定功率僅70W，排風扇額定功率為58W，設備應用于學校按最大風量每天運行8h，200 d 電費 ≤100元（電費按 0.6 元/kWh 計算），因此增加的能耗費用可忽略不計。

通過上述改造情況可知，在兩類典型教室內(nèi)安裝吊頂式新風機或排氣扇后，教室內(nèi)設計通風換氣次數(shù)均可達到 2.5 次/h 以上。通過室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)對教室內(nèi)空氣質(zhì)量進行實時監(jiān)測，匯總相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析整理，可實時掌握室內(nèi)空氣質(zhì)量情況。

2.6 數(shù)據(jù)監(jiān)測與分析

為了研究不同新風方式在不同工況下對室內(nèi) CO2濃度的影響效果，并考慮到學校教室日常的自然通風習慣，本研究在教室開窗和門窗緊閉時分別進行了測試；并對教室內(nèi)關(guān)、開新風機或排氣扇時的室內(nèi) CO2濃度進行了連續(xù)2d 的觀測與對比。室內(nèi)空氣質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)測點位布置在前排教師講課桌上，以測量學生呼吸區(qū)的 CO2濃度。下面以某小學的2間試點教室監(jiān)測結(jié)果為例進行分析。

2.6.1 教室開窗時新風機開關(guān)

圖7 中虛線為冬季某日未開啟新風機時的教室室內(nèi) CO2濃度變化情況。7:30 左右教室室內(nèi) CO2濃度開始急劇上升，7:30～17:00 學生主要在校時間段內(nèi)，教室室內(nèi) CO2濃度超標率為 6.0%，CO2濃度當日峰值為1135×10-6。實線為次日開啟新風機后的教室室內(nèi) CO2濃度變化情況，當日學生主要在校時間段內(nèi)，教室室內(nèi) CO2濃度超標率為 41.1%，CO2濃度當日峰值為1414 ×10-6。從圖7中曲線比對可以看出，在教室開窗的情況下，由于受外界氣候條件如室外空氣質(zhì)量變化、風速、風壓等的影響，開啟新風機對降低教室室內(nèi) CO2濃度未能產(chǎn)生良好的效果。

圖7 教室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值（開窗時新風機開關(guān)對比）

2.6.2 教室開窗時排氣扇開關(guān)

圖8 中虛線為冬季某日未開啟排氣扇時的教室室內(nèi) CO2濃度變化情況。7:30 左右教室室內(nèi) CO2濃度開始急劇上升，7:30～17:00 學生主要在校時間段內(nèi)，教室室內(nèi) CO2濃度超標率為 49.9%，CO2濃度當日峰值為1898 ×10-6。實線為次日開啟排氣扇后的教室室內(nèi) CO2濃度變化情況，當日學生主要在校時間段內(nèi)，教室室內(nèi) CO2濃度超標率為 59.3%，CO2濃度當日峰值為1538 ×10-6。從圖8中曲線比對可以看出，在教室開窗的情況下，由于受外界氣候條件如室外空氣質(zhì)量變化、風速、風壓等的影響，開啟排氣扇對降低教室室內(nèi) CO2濃度同樣未能產(chǎn)生良好的效果。

圖8 教室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值（開窗時排氣扇開關(guān)對比）

2.6.3 教室門窗緊閉時新風機開關(guān)

圖9 中虛線為冬季某日未開啟新風機時的教室室內(nèi) CO2濃度變化情況。7:30 左右教室室內(nèi) CO2濃度開始急劇上升，7:30～17:00 學生主要在校時間段內(nèi)，教室室內(nèi) CO2濃度超標率為 21.3%，CO2濃度當日峰值為2077×10-6。實線為次日開啟新風機后的教室室內(nèi) CO2濃度變化情況，當日學生主要在校時間段內(nèi)，教室室內(nèi) CO2濃度全部達標，CO2濃度當日峰值僅為 879×10-6。從圖9中曲線比對可以看出，在教室門窗緊閉的情況下，外界氣候條件對室內(nèi) CO2濃度的影響減弱，此時開啟新風機對降低教室室內(nèi) CO2濃度產(chǎn)生了顯著的效果。學生進入教室后，室內(nèi) CO2濃度如常上升，當新風機開啟并完成室內(nèi)換氣后，室內(nèi) CO2濃度始終維持在教室無人狀態(tài)時的水平，表明新風機的工作風量滿足該教室稀釋室內(nèi) CO2濃度要求，室內(nèi) CO2濃度得到有效控制。

圖9 教室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值（門窗密閉時新風機開關(guān)對比）

2.6.4 教室門窗緊閉時排風扇開關(guān)

圖10 中虛線為冬季某日未開啟排氣扇時的教室室內(nèi) CO2濃度變化情況。7:30 左右教室室內(nèi) CO2濃度開始急劇上升，7:30～17:00 學生主要在校時間段內(nèi)，教室室內(nèi) CO2濃度超標率為 46.6%，CO2濃度當日峰值為2406×10-6。實線為次日開啟排氣扇后的教室室內(nèi) CO2濃度變化情況，當日學生主要在校時間段內(nèi)，教室室內(nèi) CO2濃度超標率下降至 10.1%，CO2濃度當日峰值下降至1434×10-6。從圖10中曲線比對可以看出，在教室門窗緊閉的情況下，開啟排氣扇對降低教室室內(nèi) CO2濃度也產(chǎn)生了一定的效果。排氣扇開啟后，室內(nèi) CO2濃度的增量減少，但部分時間段仍然超過了標準限值，表明排氣扇的實際工作風量未能達到設計風量，從而導致室內(nèi)換氣次數(shù)不足，處理效果與新風機相比較弱。

圖10 教室內(nèi) CO2 濃度監(jiān)測值（門窗密閉時排氣扇開關(guān)對比）

3 寧波市中小學校教室通風模擬計算

室內(nèi)通風形式多樣，但實際改造工程難以實現(xiàn)對所有形式的一一試驗，因此本研究還通過 CFD 數(shù)值模擬的方式來進行室內(nèi)空氣質(zhì)量的研究。一方面可以通過數(shù)值模擬計算結(jié)果來完善實際改造工程未涉及的其他通風方式的處理效果研究，另一方面還可以對整間教室 360° 無死角觀測，也可以根據(jù)需求觀察任意時間點或時間段的變化。本研究先根據(jù)教室實際尺寸在 NX 軟件中建立模型，再在 ICEM-CFD 中建立網(wǎng)格，接著用 FLUENT 軟件進行計算，最后用 TECPLOT 進行分析。模擬工況分別為采用氣窗的自然通風方式以及采用新風系統(tǒng)側(cè)送風和下送風的機械通風方式。3 種通風方式的模擬計算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表3 冬季室內(nèi) CO2 濃度模擬結(jié)果匯總表

從 CO2濃度數(shù)據(jù)來看，冬季教室密閉情況下，3 種通風方式在一定程度上均能改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。其中，新風系統(tǒng)側(cè)送風方式更勝一籌，下送風方式次之，兩種方式均能同時滿足中小學校教室換氣衛(wèi)生標準和室內(nèi)空氣質(zhì)量標準中教室內(nèi) CO2最高允許濃度 ≤ 0.10% 的限值要求[7-8]。側(cè)送風方式則能將新風送至教室深處，使教室中 CO2濃度分布更為均勻，從而能更好地將每一個角落的 CO2濃度都控制在規(guī)范標準范圍之內(nèi)。設置氣窗的自然通風方式效果不及新風系統(tǒng)。無論氣窗設在什么位置，都無法像新風系統(tǒng)一樣直接將新風送至深處來促使氣體流動。

本章節(jié)通過模擬展示了3種不同新風供應方式下室內(nèi) CO2的濃度變化情況，可為進一步的改造實施提供理論計算依據(jù)。

4 結(jié)語

本文研究的主要結(jié)論如下。

（1）教室門窗關(guān)閉的情況下，室內(nèi) CO2濃度迅速上升，并于短時間（0.5～1 h）內(nèi)達到現(xiàn)行標準限值1000× 10-6。測試數(shù)據(jù)顯示，室內(nèi) CO2濃度峰值甚至可高達4000× 10-6以上。

（2）課間的間歇性開窗通風雖有助于室內(nèi) CO2濃度降低，但時間較短，無法使室內(nèi) CO2濃度迅速恢復到初始自然狀態(tài)。隨著上課繼續(xù)，室內(nèi) CO2濃度將持續(xù)攀升。因此，僅靠間歇式開窗進行自然通風不能完全解決教室室內(nèi)新風量不足導致 CO2濃度超標的問題，需要通過其他手段加強控制。

（3）開窗通風、氣窗、排氣扇、新風機等不同的自然通風、機械通風方式對降低室內(nèi) CO2濃度均能起到不同程度的作用。但在開窗情況下，機械通風相較自然通風無明顯改善效果。

（4）門窗緊閉情況下，排氣扇和氣窗方式處理效果接近，均能起到大幅度降低室內(nèi) CO2濃度的效果，但未能確保學生在校全時間段內(nèi)室內(nèi) CO2濃度均滿足標準限值要求。

（5）門窗緊閉情況下，新風機對降低室內(nèi) CO2濃度的改善效果優(yōu)于排氣扇和氣窗方式。在新風機實際工作風量滿足標準最小換氣次數(shù)的情況下，開啟新風系統(tǒng)可將室內(nèi) CO2濃度始終控制在標準限值1000 ×10-6以下。

（6）通過模擬分析發(fā)現(xiàn)，新風系統(tǒng)側(cè)送風比下送風方式更勝一籌。側(cè)送風能將新風送至教室深處，使新風均勻地流動到教室各處，從而能使教室中 CO2濃度分布更為均勻，讓每一個角落的 CO2濃度都在規(guī)范標準范圍之內(nèi)。在冬季非空調(diào)狀態(tài)下供應新風時，雖然會帶來一定的熱量損失，但對室內(nèi)溫度和舒適度造成的不利影響在可接受范圍之內(nèi)。

（7）除上述技術(shù)手段以外，建議學校在排課時盡量減少上課人數(shù)，采用分班授課制，從源頭上控制 CO2的產(chǎn)生。此外，可在教室內(nèi)布置一定量的有助于空氣凈化的綠色植物，既美觀，又能在吸收 CO2的同時釋放氧氣，加速稀釋 CO2的濃度。

（8）針對條件較好的學?；螂S著今后建設標準的提高，若教室內(nèi)設有采暖或空調(diào)設備，則可適當采取新風凈化、全熱交換等其他措施，以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量和舒適度，同時降低因新風引入帶來的能耗增量。

（9）在夏季及過渡季節(jié)特殊氣候條件下，如遇臺風、霧霾、大雨等天氣教室關(guān)窗時，同樣可通過新風系統(tǒng)來組織室內(nèi)氣流，達到降低室內(nèi) CO2濃度的目的。

通過上述研究可知，隨著綠色建筑的逐年發(fā)展，教室門窗的氣密性越來越好，使得密閉教室的換氣次數(shù)越來越小，因此希望僅通過自然通風依靠滲透獲得室外空氣來實現(xiàn)室內(nèi)換氣的方式，已經(jīng)越來越不可能。但開窗通風這種最常見的自然通風方式，因其通風量不易控制，受季節(jié)和氣候因素影響大又受建筑結(jié)構(gòu)的限制，無法避免室外空氣污染物和噪聲的侵入，加上室內(nèi)熱環(huán)境舒適度受限等特點，雖然可以降低室內(nèi) CO2濃度，但始終不是一種理想的通風換氣方式。教室采用機械通風的方式可成為解決教室通風問題的最終途徑。