自然通风教室内CO2浓度调查与新风量测定

廖梅 解晓健 胡弯

南京师范大学能源与机械工程学院

自然通风教室内CO2浓度调查与新风量测定

廖梅 解晓健 胡弯

南京师范大学能源与机械工程学院

于2012年12月和2013年3月对南京市某自然通风高校教室内CO2浓度进行连续检测，从中挑选两间典型教室207（中型教室）和326（小型教室）对其室内CO2浓度变化规律进行详细分析；并以人体呼出的CO2为示踪气体，采用浓度衰减法计算不同教室、不同通风形式下室内新风量大小。

自然通风高校教室CO2新风量

0 前言

学校教室作为师生进行教学活动的主要场所，其室内环境问题备受各界关注。相关学者指出[1～2]，教室空气质量的好坏会影响教师的教学质量、学生的学习效率及师生身心健康。对于教室内空气品质的评价，一般用室内CO2浓度和新风量作为其评价指标。国标GB/T18883-2002规定：CO2浓度日平均值应不大于0.1%，室内新风量应不小于30m3/(h·人)[3]。普通高校教室人员密集且通风方式简易，室内CO2浓度极易超标，Coley指出[2]教室内CO2浓度超标将影响学生上课表现，CO2浓度超出标准一倍学生注意力降5%左右。

学校教室的通风方式对室内热舒适性、室内空气品质均有影响[4]，调查显示学校师生在控制通风状态时，首先考虑的是室内热舒适性[5]。另有研究指出[6～7]，学校病态建筑综合症与不合理的通风方式相关，且不断引起学生的抱怨。

本文对长江流域、夏热冬冷地区自然通风教室内的CO2浓度进行连续检测以了解室内空气品质状况，并以人体呼出CO2为示踪气体，采用浓度衰减法计算不同教室、不同通风形式下室内新风量。

1 实验方案

检测教学楼建于2001年，本文采取现场连续检测，检测初期，先对整栋教学楼的使用情况进行详细调查，选出使用频率较高的教室。实验期间对18间教室进行25组实验，选择代表教室207和326的5组数据进行重点分析。教室基本情况如表1，图1、2为207和326教室布局图，编号ABCD为外窗，编号MA、MB为门，编号LA、LB为廊窗。

表1 教室基本信息

图1 207教室布局图

图2 326教室布局图

据《室内空气质量标准》（GB/T18883-2002）[3]中对室内空气采样点的要求，仪器避开风口放置于教室课桌上，采样高度为1m且以对角线形式均匀分布于上课教室人群中，每隔1min记录一次数据，室内室外检测同步进行。参照GB/T18204.24《公共场所空气中二氧化碳测定方法》[8]，用便携式红外线分析仪进行检测，使用EA80型空气质量检测仪对教室内CO2浓度进行检测。实验人员同时记录上课教室门窗开启状态、室内外人员活动情况及气象情况等，检测时间为7:30～12:30、13:30～16:30。图3、4为实验现场检测情况。

图3 室内CO2浓度检测

图4 室外CO2浓度检测

2 实验结果分析

2.1自然通风教室冬季和春季CO2水平

图5、6给出了中型教室207和小教室326冬季和春季教室内检测的CO2浓度数据对比图，从图中可以看出，冬季和春季教室内CO2浓度变化趋势相同，其浓度值均随课时的增加而增加，课间休息时段室内CO2浓度呈下降趋势。无论冬季或春季，上课期间教室人员密度大且教室门窗紧闭使得室内CO2浓度超标严重，冬季超标现象更甚，小教室326比中型教室207超标更为明显，小教室326冬季CO2浓度最高值达5199ppm，是标准值的5.2倍。测试期间教室闷热，通风不畅，气味难闻、外窗玻璃有水汽，室内空气品质较差。

图5 春季和冬季207教室内CO2浓度对比

图6 春季和冬季326教室内CO2浓度对比

2.2教室内CO2浓度变化分析

为了解不同大小、不同季节教室内CO2浓度的变化情况，将对五组数据进行详细分析，图7、8分别为2012年12月18日对教室326和2013年3月15日对教室207检测的数据分析图，主要目的是了解冬季和春季不同教室内CO2浓度的变化情况。因教室门窗一整夜紧闭使得室内前一天聚集的CO2不能及时散出，清晨进行实验前需先开门窗通风一段时间，约半小时左右，如此才能使所测数据更加准确。

图7 326教室冬季CO2浓度变化曲线

图8 207教室春季CO2浓度变化曲线

从图7可以看出：8:00～9:25三节课连上，326教室门窗紧闭上课人数60人，人员密度0.63人/m2，CO2浓度从1400ppm升至5199ppm，涨幅为2.71倍，CO2浓度超标严重，室内较闷热，外窗玻璃有水汽产生；9:25下课开AB门、BC窗15分钟，CO2浓度下降1549ppm，温度下降约1℃，降幅0.42倍；10:20～10:35三节课结束，下课开AB门、AD窗通风，CO2浓度下降2249ppm，降幅1.39倍，其中温度下降2.21℃；10:35～12:00上课教室门窗紧闭，教室上课人数27人，人员密度0.28人/m2，CO2浓度平均值1733ppm，室内人员密度比前三节课低，CO2浓度平均值同比下降1.09倍。

表2 CO2浓度变化情况汇总

从图8可以看出：8:00～10:20三节课连上，207教室门窗紧闭，上课人数78人，人员密度0.73人/m2，CO2浓度从882ppm升至2552ppm，涨幅为1.89倍；10:20下课开AB门、BD窗15分钟，CO2浓度下降1206ppm，降至1130ppm，降幅1.30倍，温度下降3.3℃；10:35～12:00上课开AB门、BD窗，教室上课人数52人，人员密度0.44人/m2，CO2浓度平均值为1299ppm，最大值为1560ppm，室内CO2浓度与标准值相差无几，室内空气品质较好；13:30～15:10上课教室门窗紧闭，教室上课人数56人，人员密度0.47人/m2，CO2浓度从894ppm升至2779ppm，上升1784ppm，涨幅为2.11倍；课间15分钟开B门、BD窗，CO2浓度从2779ppm降至1587ppm，降低1192ppm，降幅为0.75倍；15:20～15:55开B门、BD窗上课，室内CO2浓度一直呈下降趋势，平均值为1447ppm，上课期间适当地开门窗通风对改善室内空气品质有明显帮助。

表2为五组数据的详细分析统计。

3 新风量的计算

本文以教室内人体呼出的CO2为示踪气体来测定教室内新风量。示踪气体法测新风量遵循质量守恒原理，计算公式如下：

式中：V为房间空气体积，m3；Cout为室外环境示踪气体浓度，mg/m3；Cτ为瞬时测量的示踪气体浓度，mg/m3；为示踪气体释放速率，mg/s；Q为通风量，m3/s；为气体浓度随时间的变化值，mg/m3。

本文采用下降法（浓度衰减法）来测定课间教室新风量，即待教室内示踪气体浓度达稳定且均匀分布后，通过开启门窗使教室处于稳定的通风状态，此时观察示踪气体浓度衰减的变化规律，采用解析法计算新风量，式（1）的解析解为：

式中：C0为初始时刻CO2浓度值，mg/m3。

当F(τ)=0时，室内无人，式（2）变为

采用叠代法计算新风量值：根据式（2）与式（3），使用Origin8自定义函数拟合的方法以C对t作图，先假设一个Q值然后进行各种形式的拟合计算出实际的Q值。表3为根据教室实际情况计算出的新风量值。

表3 课间教室新风量计算

室内人员密度会影响新风量的大小，相同通风状态，室内有人比无人时新风量大。对教室207而言，室内有人情况下，课间开两扇门可适当改善室内空气品质，在此基础上多开两扇窗可使新风量增加33.4%，只开一扇门两扇窗比开两扇门两扇窗的新风量降低16.7%，而比只开两扇门时的新风量增加14.3%，建议课间在开门通风基础上，尽量开窗，如此室内气流流通更顺畅，对改善室内空气品质十分有利。

课间适当地开启门窗能有效祛除室内污浊空气为教室带来新鲜空气，但计算所得的人均新风量却达不到国家标准规定的30m3/(h·人)，虽326教室在课间15分钟开两扇门两扇窗可使人均新风量达到国家标准，但此时室内温度下降3.2℃，室内多数人员抱怨冷，以牺牲热舒适性来改善室内空气品质不是解决问题的关键，如何更为合理地改善教室内空气品质是今后研究的重点。

4 结论与分析

1）检测结果显示，夏热冬冷地区冬季和春季教室内CO2浓度超标严重，冬季和面积较小教室超标现象更为突出。相同教室，冬季室内CO2浓度最高达5199ppm，春季最高值达3593ppm，分别超标准值4.2和2.6倍。

2）南京市12月和3月份室外气温较低，现场观察记录结果显示上课期间教室门窗基本全关，尤其是冬季，在门窗紧闭情况下，教室内CO2超标严重，中型教室207冬季室内CO2浓度平均值为2546ppm，春季平均值为2015ppm，小教室326冬季室内CO2浓度平均值为2868ppm，春季平均值为2190ppm。教室人员密度和新风量不足是影响室内CO2浓度的主要原因，应适当控制教室上课人数，尽量开门窗通风为教室注入新鲜空气，对改善室内空气品质十分有利。

3）下课期间，室内有人比无人情况下测定的新风量大，但差别不大；开门窗通风能使室内气流流通顺畅，对祛除上课期间积累的污浊空气十分有利，在只开两扇门通风情况下多开一扇窗能使新风量增加24.6%，多开两扇窗可使新风量增加33.4%。如何从根本上协调自然通风教室内的通风和热舒适性问题是今后研究的重点。

[1]翟金霞,张钱龙,胡琼.某地区高校教室内空气污染状况的研究[J].安徽医科大学学报,2004,39(3):231-232

[2]D A Coley,R Greeves.The Effect of Low Ventilation Rates on the Cognitive Function of a Primary School Class(Report R102 for DfES)[R].Exeter(UK):Exeter University,2004

[3]中华人民共和国卫生部.室内空气质量标准(GBT18883-2002) [S].北京:中国标准出版社,2002

[4]R Shendell,W J Prill,M G Fisk,et al.Associations between classroom CO2concentrations and student attendance in Washington and Idaho[J].Indoor Air,2004,14:333-341

[5]M Mendell,G A Heath.Do indoor pollutants and thermal condions in schools influence student performance?A critical review of the literature[J].Indoor Air International Journal of Indoor Air Quality and Climate,2005,15(1):27-52

[6]G Smedje,D Norback.New ventilation systems at select schools in Sweden-effects on asthma and exposure[J].Archives of Envirnmental Health,2000,55:18-25

[7]O A Seppanen,W J Fisk.Summary of human responses to ventila -tion[J].Indoor Air,2004,14(S7):102-118

[8]国家质量技术监督局.公共场所空气中二氧化碳测定方法(GB T18204.24-2000)[S].北京:中国标准出版社,2001

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.

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1003-0344（2014）06-027-4

2013-9-18

廖梅（1987～），女，硕士研究生；南京市玄武区板仓街78号南京师范大学动研信箱（210042）；E-mail:lnna_mei@163.com

国家自然科学基金青年项目（No.E51008161）