杭州某中學(xué)教室空氣質(zhì)量動態(tài)監(jiān)測分析

劉思坦 田臻 朱春

1.概述

校園是全國數(shù)以億計的學(xué)生人群的日常學(xué)習(xí)生活的基本場所，從幼、小到中學(xué)、大學(xué)，學(xué)生人群每天需要在教室度過約1/3 的時間，并將持續(xù)近20 年的學(xué)習(xí)生活，因此教室環(huán)境對學(xué)生的發(fā)育成長及健康狀態(tài)[1]、學(xué)習(xí)效率與認(rèn)知能力[2、3]等有重要影響。

教室是人群高密度的一類場所，除考慮全年氣候條件下營造室內(nèi)熱舒適環(huán)境外，還需防控室內(nèi)、外環(huán)境污染，滿足合理的室內(nèi)空氣質(zhì)量。在春、秋季門窗開啟條件下，教室環(huán)境直接受室外大氣和周圍環(huán)境影響，包括灰霾PM2.5、周圍噪聲等；在夏、冬季門窗密閉條件下，教室環(huán)境需要防范室內(nèi)人群呼吸產(chǎn)生的CO2、微生物、以及避免建材散發(fā)甲醛、VOCs 氣體污染等；此外還包括室內(nèi)光環(huán)境、建筑布置與色彩環(huán)境等對學(xué)生身心健康的影響。

多位學(xué)者曾調(diào)查過一些地區(qū)多個教室環(huán)境質(zhì)量，滕立新[4]等2004 年冬季對北京市94 所中小學(xué)的CO2、菌落群數(shù)、甲醛等進行了抽樣檢測；常桂林[5]等2003 年對湖北的7 所高校進行菌落群數(shù)、粉塵濃度和噪聲進行檢測；周亞麗[6]等2019 年冬季對湖南衡陽市74 所中小學(xué)進行了CO2濃度檢測調(diào)查。不同實測的調(diào)查統(tǒng)計反映出教室空氣質(zhì)量有很大差異性，CO2濃度水平是否超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也有顯著不同。這主要受教室環(huán)境質(zhì)量因素，包括季節(jié)特點、地域特征、人群年齡段、通風(fēng)空調(diào)設(shè)備及其水平、教學(xué)時長等的影響，已有調(diào)查中使用的標(biāo)準(zhǔn)檢測方法及其設(shè)備僅能測試某個采樣時間點下的靜態(tài)環(huán)境結(jié)果。盡管筆者曾述及學(xué)校通風(fēng)的必要性[7]，但國內(nèi)仍缺乏足夠的教室微環(huán)境動態(tài)化調(diào)查數(shù)據(jù)，對教室環(huán)境使用新風(fēng)系統(tǒng)的實際效果[8]也亟待全面評估。為反映教室空氣質(zhì)量的動態(tài)變化特征，本次采用空氣傳感器在線監(jiān)測方法[9、10]，通過云技術(shù)對教室環(huán)境質(zhì)量多參數(shù)進行一體化逐分鐘的動態(tài)監(jiān)測和數(shù)據(jù)存儲，進一步分析不同通風(fēng)工況下教室的微環(huán)境特征。

圖1 NANO 2.0 空氣質(zhì)量在線監(jiān)測儀

2.測試條件

2.1 測試設(shè)備

本次對杭州市某重點高中、初中的兩間中學(xué)教室進行微環(huán)境測試。使用的空氣質(zhì)量傳感監(jiān)測儀（DST-NANO2.0），實現(xiàn)包括對室內(nèi)溫度T、相對濕度φ、PM2.5、CO2、甲醛（HCHO）、典型揮發(fā)性有機物（VOC）的動態(tài)測評，采用NB-IoT 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將所有環(huán)境監(jiān)測參數(shù)按逐分鐘的數(shù)據(jù)動態(tài)上傳存儲至云平臺。選用DST 在線監(jiān)測設(shè)備在測評試驗前，均已經(jīng)過CMA 認(rèn)證單位進行標(biāo)準(zhǔn)化檢驗測試以及一致性比對測試，滿足相關(guān)空氣在線監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)要求[11]。

2.2 測試工況

測試分別選在2021 年6 月、7 月和9 月，在高溫季節(jié)下，分別對杭州市某初中教室A 安裝新風(fēng)系統(tǒng)改造后的通風(fēng)工況（新風(fēng)系統(tǒng)的額定風(fēng)量1200m3/h）和某高中教室B（無新風(fēng)工況）（如圖2）進行空氣質(zhì)量（IAQ）在線動態(tài)測試，具體工況描述如表1。

表1 IAQ 測試教室及工況

圖2 某教室空氣質(zhì)量監(jiān)測實景

對教室B 環(huán)境使用兩臺監(jiān)測設(shè)備同時監(jiān)測教室環(huán)境，測點位置放在教室的前、后墻面的桌面高度，測試發(fā)現(xiàn)兩臺監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)具有良好一致性，如圖3 給出CO2、TVOC 的比對結(jié)果，因此認(rèn)為房間空氣混合均勻，可以設(shè)置1 個監(jiān)測測點代表教室環(huán)境質(zhì)量。

圖3 教室A 在線監(jiān)測CO2、TVOC 參數(shù)一致性比對

3.測試結(jié)果討論

對教室A 的空氣質(zhì)量參數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測，其中9 月6日～10 日，教室保持5 天不開門窗密閉；9 月13 日～16 日教室連續(xù)4 天門窗開啟（上學(xué)時間段）；9 月17 日～18 日連續(xù)2 天使用新風(fēng)系統(tǒng)，保持門窗關(guān)閉（上學(xué)時間段）。對教室B 進行連續(xù)空氣質(zhì)量監(jiān)測，一直保持門窗關(guān)閉。

3.1 CO2 測試

高中教室B 不設(shè)新風(fēng)系統(tǒng)，由于室外高溫，室內(nèi)學(xué)習(xí)期間保持常態(tài)化開啟，而教室門窗保持密閉。如圖4，教室B 內(nèi)CO2環(huán)境有明顯的日變化特征，隨著室內(nèi)上課和下課而呈節(jié)律性的峰谷變化。高中教室內(nèi)的CO2濃度分為早課峰、下午課峰、晚自習(xí)峰，峰值CO2濃度在4000～5000ppm，是《中小學(xué)設(shè)計規(guī)范》（GB 50099-2011）關(guān)于室內(nèi)CO2濃度1500ppm 最高限值要求的3 倍以上。

圖4 教室B 監(jiān)測CO2 日變化曲線

對初中教室A 進行連續(xù)兩周IAQ 監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)CO2在教室門窗密閉工況、門窗開啟工況、新風(fēng)工況呈現(xiàn)了顯著的濃度差別，其中峰值濃度分別為3005ppm、904ppm、1341ppm；可見同在房間密閉條件下，初中教室CO2峰值濃度盡管低于高中教室峰值，但較《中小學(xué)設(shè)計規(guī)范》（GB 50099-2011）的最高限值超標(biāo)1 倍，而使用新風(fēng)系統(tǒng)、教室開啟門窗條件均可滿足教室CO2最高濃度限值要求。

圖5 教室A 監(jiān)測CO2 時序圖

對不同工況下的典型日CO2日均濃度統(tǒng)計（如圖6），發(fā)現(xiàn)教室在保持門窗密閉（工況A）和門窗間歇性密閉（工況B）時，教室日均濃度高于GB/T18883《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定日均CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)；而當(dāng)教室門窗保持開啟（工況C）和教室使用新風(fēng)系統(tǒng)時，滿足標(biāo)準(zhǔn)限值1000ppm 的要求。其中高中教室在保持密閉條件下，CO2均值濃度為2359ppm，為相應(yīng)CO2標(biāo)準(zhǔn)限值的2.36 倍，日超標(biāo)時間比例為88.2%，可見該工況下，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率最低；而使用新風(fēng)系統(tǒng)則滿足標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境要求。

圖6 典型日CO2 日均濃度比較（ppm）

3.2 熱環(huán)境測試

對不同工況下的典型日的日均溫度T 統(tǒng)計（如圖7），發(fā)現(xiàn)教室在室外高溫條件下，工況A、B、C、D 的室內(nèi)日均溫度分別為26.7℃、30.5℃、29.5℃和28.1℃，分別高于《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T18883）26℃限值溫度 0.7℃、4.5℃、3.5℃，2.1℃。比較可見，教室內(nèi)常態(tài)化密閉時，室內(nèi)溫度相對接近標(biāo)準(zhǔn)，其次是在使用新風(fēng)系統(tǒng)時，開門窗對熱環(huán)境有較大改善作用。測評相對濕度，各工況日均濕度在58.4%～65.4%范圍。就熱舒適性而言，各工況下均為濕熱環(huán)境，按優(yōu)劣比較次序為：工況A>工況D>工況C>工況B，其中工況B 和工況C，在高溫季節(jié)開啟門窗情況下，室內(nèi)熱濕條件最差。

圖7 典型日溫度日均溫度T 比較（℃）

3.3 PM2.5、甲醛和TVOC

對房間開啟門窗模式和使用新風(fēng)系統(tǒng)模式，比較PM2.5的變化（如圖8），可以明顯發(fā)現(xiàn)教室在開啟新風(fēng)系統(tǒng)后，室內(nèi)PM2.5濃度迅速下降，并在低水平范圍波動。經(jīng)統(tǒng)計，門窗開啟模式下的PM2.5濃度為15.3±1.5μg/m3，而使用新風(fēng)系統(tǒng)條件下PM2.5濃度為5.7±7.1μg/m3，可見新風(fēng)系統(tǒng)對室內(nèi)顆粒物防控有顯著效果。

圖8 初中教室PM2.5 變化時序圖（ppb）

對比甲醛監(jiān)測結(jié)果（圖9）發(fā)現(xiàn)，盡管室內(nèi)甲醛隨室內(nèi)溫度有波動變化，但室內(nèi)甲醛均未超過標(biāo)準(zhǔn)限值要求。此外測試TVOC 結(jié)果（圖10），發(fā)現(xiàn)室內(nèi)TVOC 變化主要在教學(xué)時間段有跳躍性變動，可能與不同的教學(xué)課程有關(guān)。

圖9 高中教室甲醛時序圖（ppb）

圖10 初中教室TVOC 時序圖（ppb）

4.結(jié)語

本文采用空氣傳感在線監(jiān)測平臺系統(tǒng)，對杭州市高溫季節(jié)條件下的4 種工況條件進行了教室環(huán)境下6 個空氣質(zhì)量參數(shù)的動態(tài)監(jiān)測分析?？諝赓|(zhì)量在線監(jiān)測技術(shù)具備空氣多參數(shù)傳感集成化、小型化、實時連續(xù)動態(tài)化、數(shù)據(jù)信息智能化的特征，并且由于布點靈活、低成本，可以廣泛推廣，成為室內(nèi)空氣污染物測評應(yīng)用與研究的趨勢。如最新的文獻中，哈佛大學(xué)學(xué)者對橫跨6 個國家和超過40 座辦公樓的300 多名受試者同時進行為期一年的工作環(huán)境在線環(huán)境質(zhì)量研究，包括跟蹤PM2.5、CO2、溫度和相對濕度的實時水平。

本文對杭州校園教室在4 種不同工況下的空氣質(zhì)量監(jiān)測的全面測評發(fā)現(xiàn)，安裝新風(fēng)系統(tǒng)可有組織引入室外氣流模式，可以有效降低教室內(nèi)CO2濃度，滿足新鮮度要求，可以防控室內(nèi)PM2.5污染。測評同時發(fā)現(xiàn)，夏季杭州教室的熱舒適性較差，需要新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)系統(tǒng)良好結(jié)合，以解決高溫季節(jié)室內(nèi)熱濕調(diào)節(jié)與新風(fēng)換氣水平的平衡問題。另一方面，使用空氣質(zhì)量在線監(jiān)測技術(shù)，對防范室內(nèi)甲醛、TVOC 等污染也有監(jiān)視促進作用。