冬天教室通風(fēng)頻率探究

黃天立

摘 要：北京冬季較為寒冷，開(kāi)窗通風(fēng)會(huì)降低室內(nèi)溫度，但是長(zhǎng)時(shí)間不開(kāi)窗對(duì)人體健康會(huì)有一定影響。本文針對(duì)冬季開(kāi)窗對(duì)室內(nèi)溫度、空氣中污染物濃度、氧氣濃度的影響進(jìn)行了測(cè)量，并對(duì)測(cè)量結(jié)果建模分析，預(yù)測(cè)了冬季教室開(kāi)窗通風(fēng)適宜的時(shí)間間隔和開(kāi)窗時(shí)間。

關(guān)鍵詞：溫度;污染物濃度;氧氣濃度;開(kāi)窗頻率

北京屬于溫帶季風(fēng)氣候區(qū)，氣溫年際變化大。很多人在寒冷的冬季選擇減少開(kāi)窗頻率、開(kāi)窗時(shí)間，以保持室內(nèi)溫度。但是研究表明，長(zhǎng)時(shí)間不開(kāi)窗對(duì)室內(nèi)空氣質(zhì)量有較大影響[1]。為了研究冬天教室通風(fēng)頻率，通過(guò)查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)：室內(nèi)微生物的數(shù)量、密度在較短時(shí)間內(nèi)開(kāi)閉窗條件下無(wú)過(guò)多影響，因而不予以考慮。而在溫度的舒適度方面：盡管PMV隨時(shí)間不斷地發(fā)生變化，但PMV值都在-0.7～+0.7之間變化，舒適類別為C，處于舒適區(qū)。所以我們忽略溫度的日際變化，而著眼于溫度由于開(kāi)窗而產(chǎn)生驟降的影響。因此，本文對(duì)開(kāi)窗頻率和時(shí)長(zhǎng)影響較大的三個(gè)因素進(jìn)行研究，即短時(shí)間內(nèi)溫度驟降、可吸入顆粒物濃度變化、氧氣的濃度變化。

1.建立模型

本研究主要調(diào)查了以某高中教室為例的各項(xiàng)影響因素，數(shù)據(jù)采集的時(shí)間為2018年12月24日～12月29日。為了使模型簡(jiǎn)化，本研究所選擇的時(shí)間為基本無(wú)風(fēng)，使開(kāi)窗時(shí)的氣體及溫度交換簡(jiǎn)化;霧霾濃度較低時(shí)期，因?yàn)殪F霾較重時(shí)為了身體健康基本不開(kāi)窗，還會(huì)有使用空氣凈化器等多種影響因素。為了獲得調(diào)查數(shù)據(jù)，本研究使用了溫度計(jì)、霧霾測(cè)試儀等設(shè)備測(cè)量了室內(nèi)外實(shí)時(shí)溫度及PM2.5、PM10等主要污染物參數(shù)。

根據(jù)上述分析，對(duì)于開(kāi)關(guān)窗對(duì)室溫和室內(nèi)空氣潔凈程度的影響，根據(jù)室內(nèi)的溫度t1、室外的溫度t2、室內(nèi)污染物濃度初始值p1、室內(nèi)污染物濃度初始值p2、時(shí)間t;對(duì)關(guān)窗時(shí)氧氣因呼吸導(dǎo)致的下降，根據(jù)教室體積V、每次呼吸時(shí)間T、每次呼吸氣體的體積V等進(jìn)行建模。

2.模型假設(shè)

為了簡(jiǎn)化模型，便于計(jì)算，作出如下假設(shè)：人在不同含氧量的環(huán)境中呼吸頻率不變;每次呼吸都消耗當(dāng)前空氣含氧量的17.332%;教室關(guān)窗時(shí)門縫、窗縫等處進(jìn)行的空氣交換忽略不計(jì);教室中空氣每時(shí)每刻都是均勻的;對(duì)一些參數(shù)做出假設(shè)：教室體積V=75m3;每次呼吸體積V=1×10-3m?，呼吸一次的周期T=4s;上課時(shí)教室中有40人;白天室外的溫度t2=2.5℃。

3.模型求解

3.1探究開(kāi)、關(guān)窗時(shí)間對(duì)室內(nèi)溫度的影響

由于長(zhǎng)時(shí)間關(guān)窗時(shí)，室外溫度對(duì)室內(nèi)舒適度的影響不大，所以本研究著重測(cè)量了開(kāi)窗通風(fēng)的溫度t1驟降以及溫度回升t1的變化數(shù)據(jù)。在開(kāi)窗時(shí)刻，室內(nèi)溫度21℃，室外溫度2.5℃，氣溫在25分鐘的時(shí)間內(nèi)驟降，速率整體上有減小的趨勢(shì)，而根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，冬季北京室內(nèi)溫度t1應(yīng)達(dá)到16℃以上，所以以此次測(cè)量為例，開(kāi)窗時(shí)間t應(yīng)在20分鐘以內(nèi)。關(guān)窗后，在45分鐘，大約一節(jié)課后的時(shí)間，溫度又再次回升到室溫21℃，且基本恒定，且在這段時(shí)間內(nèi)根據(jù)下文研究結(jié)果，不會(huì)再次開(kāi)窗，所以關(guān)窗后的溫度變化，不作為主要影響因素。

3.2探究室內(nèi)污染物與關(guān)窗時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系

從以上圖表可看出，早上開(kāi)始上課前，室內(nèi)污染物濃度p1高于室外污染物。濃度p2，且由于教室內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人活動(dòng)，一部分大顆粒污染物也會(huì)積累。此時(shí)應(yīng)先開(kāi)一次窗，使得污染物濃度降低，從而有利健康。而根據(jù)室內(nèi)污染物與關(guān)窗持續(xù)時(shí)間的關(guān)系可以發(fā)現(xiàn)，污染物指數(shù)隨時(shí)間逐漸下降，其原因可能為：在一個(gè)密閉的空間中，人的呼吸將空氣中的污染物吸入體內(nèi)，使污染物的濃度逐漸降低，而3.1節(jié)數(shù)據(jù)測(cè)量當(dāng)天以關(guān)窗為主，發(fā)現(xiàn)室外污染物濃度p2略高于室內(nèi)。所以，為了使學(xué)生在一天中吸入污染物減少，應(yīng)在早晨開(kāi)窗后，使關(guān)窗時(shí)間t延長(zhǎng)一些。

3.3探究室內(nèi)空氣含氧量隨關(guān)窗時(shí)長(zhǎng)變化的關(guān)系

查閱文獻(xiàn)得到以下數(shù)據(jù)：空氣中氧氣含量20.77%、二氧化碳含量0.056%;呼出空氣中氧氣含量17.17%，二氧化碳含量3.67%?？諝庵醒鯕夂啃∮?5%時(shí)，人會(huì)頭痛暈眩;小于12%則會(huì)窒息。

根據(jù)模型假設(shè)，進(jìn)行計(jì)算推演：當(dāng)上課教室關(guān)窗t秒（在t秒內(nèi)呼吸交換的空氣小于室內(nèi)空氣總體積）時(shí)：t秒后教室空氣中氧氣含量變?yōu)椋簆1=（p0V-q1V1）/V同樣地，當(dāng)下一個(gè)t結(jié)束后，空氣中氧氣含量又變?yōu)椋簆2=（p1V-q2V1）/V以此類推，第n個(gè)t結(jié)束時(shí)，空氣中氧氣含量變?yōu)椋簆n=（1-kV1/V）pn-1。

可以看出，當(dāng)t給定后，p（n）是一組等比數(shù)列。t越接近0，則得出的結(jié)果越接近模型預(yù)期。依據(jù)上述推理，對(duì)模型進(jìn)行編程求解，代碼如下：

Def main（）

T=eval（input（“t=”））

P=0.21

count=0

While p>=0.16：

p=（1-（0.17332*1*t*0.01）/75）*p

count+=1

Time=count*t

Else：

Time=count*t

Minute=int（time/60）

Time-=minute*60

Print（minute，time）

反復(fù)執(zhí)行程序，不斷調(diào)整t，發(fā)現(xiàn)p降到16%以下的時(shí)間總在196～198分鐘間。說(shuō)明超過(guò)3小時(shí)不開(kāi)窗，室內(nèi)的氧氣含量將會(huì)低至危害人健康的程度。改變程序，使之輸出45分鐘（一節(jié)課的時(shí)間）后的含氧量。反復(fù)執(zhí)行程序，不斷調(diào)整t，發(fā)現(xiàn)p為19.6%左右。

4.敏感度分析及結(jié)論

這里使用的教室體積為V=75m3，人每次呼吸交換氣體體積v=1L，顯然不能代表全部具體情況。因此，對(duì)模型進(jìn)行敏感度分析和測(cè)試。改編程序，使V、v、t、T均為程序運(yùn)行中輸入的值，并反復(fù)運(yùn)行程序，改變每次輸入的V、v、t和T，進(jìn)行初次模擬得到：室內(nèi)空氣含氧量降至16%的時(shí)間在141～279分鐘;關(guān)窗45分鐘后，室內(nèi)空氣含氧量降至17.76%～20.28%。對(duì)模擬結(jié)果影響最大的是每次呼吸所用的時(shí)間T應(yīng)當(dāng)是較為確定的變量。教室體積V對(duì)模擬結(jié)果影響小于前兩者，但教室體積的差距卻是客觀存在的。估計(jì)教室體積的范圍大約在75～120m3之間。據(jù)此，再次運(yùn)行程序，只改動(dòng)V，得到：

室內(nèi)空氣含氧量降至16%的危險(xiǎn)值時(shí)間在165～263分鐘范圍內(nèi)，教室體積越大，這個(gè)時(shí)間越長(zhǎng);關(guān)窗45分鐘后，室內(nèi)空氣含氧量降至19.32%～19.85%。因此，北京冬天教室應(yīng)在早晨先開(kāi)窗一次，之后間隔最多不超過(guò)3個(gè)小時(shí)開(kāi)窗一次，每次開(kāi)窗20分鐘。

參考文獻(xiàn)

[1]申曉宇.學(xué)校教室空氣污染物的擴(kuò)散傳播特性研究[D].南京師范大學(xué)，2013.