空调教室CO2 分布规律及通风量研究

利一锋，许国强

（1.广州大学土木工程学院，广州510006；2.广东省建科建筑设计院有限公司，广州510500）

0 引言

教室是学生的主要活动场所，具有室内使用人员连续停留时间长、人员密度高等特点，其中的室内空气质量更是受到社会各界的重视。刘嵘［4］等对2所学校的24个教室内的空气污染现状进行调查，指出在冬季，室内空气中CO2浓度超标严重，而其他污染物，如SO2、CO、PM10等的浓度值主要取决于室外空气质量。翟金霞［5］等对校园建筑里的90个教室进行室内空气品质研究，研究发现教室内的主要污染物是细菌和CO2。黄衍［6］等以某初中计算机教室作为研究对象，对其中CO2浓度进行实际测量，发现上课期间室内CO2体积分数可以达到3200×10－6。俞珊［7］对西南地区某学校的室内空气进行跟踪调查，结果显示20%的教室空气中的CO2浓度超标。诸多研究表明，我国学校教室室内主要污染物为CO2，且CO2浓度超标现象较为普遍。

教室内，人员新陈代谢会散发出大量CO2，而室内CO2浓度的持续增加，将会造成室内空气不新鲜、影响学生的学习。Derek G.Shendell［8］等人研究发现，教室室内CO2含量每提高1000ppm，学生的缺勤率增加10%到20%。DavidA.Coley［9］等人通过对国外典型教室中的CO2浓度进行测量，并对其中的18个小学生进行测试，结果显示当室内空气的CO2含量超出规范一倍，学生的记忆力与反应能力也会随之降低约5%。李明雪［10］等人研究了长三角地区教学建筑室内空气质量与学生反应能力之间的关系，结果表明，在冬季学生的工作效率与学习能力会随着教室内CO2浓度值的升高而下降。戴欢欢［11］等人通过现场实测与主观评价方式，课间期间对7个中学生进行一系列的反应能力测试，得出教室空气内CO2浓度的增加会影响学生各种学习反应能力。结合国内外的研究发现，教室室内过高的CO2浓度会导致学生学习效率下降，长期处于高浓度的CO2环境中还会影响学生的身心健康。

本研究基于对广州地区某高校空调教室内CO2浓度的检测结果，调查研究室内CO2分布规律，为解决教室室内CO2浓度普遍超标问题提供依据。

1 实验方法

本测试选择在2017年6月进行，此时正值炎夏，被测教室在上课时段空调开启且门窗紧闭。上午空调开启时间约在8点15分，第一节课上课时间为8点30分到10点05分，在20分钟的课间过后，10点25分到12点整上第二节课。被测教室所在教学楼地上7层，层高3.9m，有各类教室共112间，其中小教室数量达84间。由于在仅靠渗透排风情况下，楼层和朝向对空调房间室内空气质量没有显著影响［12］，所以本研究挑选了位于4楼的一间小教室作为测试对象。该教室面积约70m2，尺寸为9.0m×7.8m×3.9m，教室内有6排座位，每排10个座位，可容纳60人上课。

除了检测教室室内CO2浓度外，本研究还对教室室内的空气流速、室内外温湿度，以及教室空调器的相关数据进行测试，表1给出了测试仪器及其参数。

参考 《室内空气质量标准》 （GB／T 18883－2002）［13］中对室内空气采样点的要求，在教室的对角线上，距离教室地板0.5m、1.1m、1.6m处各布置3个采样点，共9个采样点，如图1和表2所示。测试时教室内有39名人员且分布均匀。

图1 被测教室示意图及测点分布

表1 实验参数测量方法

表2 测点位置信息表

2 实验结果与分析

2.1 教室新风量的测定

向室内通入新风是消除室内空气污染，保持室内空气品质的最有效方法［14］［15］。在空调开启的季节，门窗紧闭，对通过空调系统进入教室的新风量进行测定，可更加深入地分析室内空气质量问题。教室采用低速全空气空调系统，吊顶式空气处理机组吊装在走道天花内，新风及回风进入回风箱混合后经过降温处理后由送风干管送入室内，见图2。

图2 教室空调系统

该空调系统中，新风口与回风口的入口处分别设置多叶调节阀调节二者面积比，以此来控制及调节新风量，满足不同季节对新风量的需要。教室排风依靠门窗缝隙正压渗透至室外，没有另设排气装置。本研究根据风口尺寸的不同对通风口截面积等分多个点，取各点风速值的平均值作为通风口平均风速计算通风量，教室空调系统各通风口的通风量见表3。

表3 各通风口的通风量

由测定结果可得总送风量为4276.80 m3／h，新风量为1548.97 m3／h，新风占比约36%，若按教室使用人数60人计算，进入教室的人均新风量约为26m3／（h·人），对比 《中小学校设计规范》（GB 50099－2011）［16］中教室的人均新风量 19m3／（h·人），可知本教室的入室新风量偏大。

虽然充足的新风量可保证良好的室内空气品质，但是在空调系统能力有限的情况下，引入过大新风将影响室内热舒适性。测试期间室内外气温变化见图3，室外气温呈上升趋势，而教室内气温在空调开启之初与室外气温比较贴近，随后降低并在28.5℃上下波动。室外空气相对湿度在71%到78%范围内变化，而室内相对湿度变化趋势与室内气温基本一致，在65%相对湿度处上下波动，如图4所示。

图3 室内外温度逐时变化

教室内空气的相对湿度满足 《室内空气质量标准》（GB／T 18883－2002）所规定的标准相对湿度范围值40%～80%，但是气温却略高于规定值（22～28℃），其主要原因是新回风混合箱内引入了大量高温高湿的新风，负荷大于空调器正常需要处理的范围，从而使得室内总体气温偏高，热舒适性下降。

2.2 室内CO2浓度值的逐时变化

室内CO2的逐时变化情况如图5所示，室内CO2浓度值总体上呈上升趋势，在第一节课内CO2浓度平均值从530ppm升至785ppm，在10点15分产生波动，主要是因为10点05分到10点25分为大课间，大部分学生出教室造成通风量增加以及室内CO2源减少所致，第二节课开始，室内CO2浓度平均值继续从781ppm升至919ppm。

图4 室内外相对湿度逐时变化

图5 室内CO2浓度值逐时变化

上午教室内CO2浓度平均值约为741ppm，最大CO2浓度平均值出现在11点45分，为919ppm，测试的各组CO2浓度值中，最大值为964ppm，均低于 《室内空气质量标准》（GB／T18883－2002）所规定的1000ppm标准值，室内CO2浓度符合规范要求，机械通风量充足。

另外，对比教室内不同高度平面的CO2浓度值，高1.1m的水平面上 CO2浓度平均值最高（784ppm），高 0.5m平面次之 （729ppm），高1.6m平面最低 （709ppm），其主要原因是学生坐着上课，呼吸带高度即 CO2散发源的高度接近1.1m高处，室内人员呼出来的CO2未能及时扩散造成此高度处CO2浓度最高。

图6 室内空气流速平均值

2.3 空气流速对室内CO2分布的影响

对室内空气流速进行测量后，发现同一测点的空气流速随时间变化不大，各点空气流速平均值如图6所示。高0.5m平面比高1.6m平面的平均空气流速低，解释了前者CO2浓度值较高的原因：教室0.5m高平面布置着桌椅，桌椅对空气的阻力导致该平面空气流速较低，从而造成了CO2的集聚，导致0.5m高平面的 CO2浓度比1.6m高平面的高。

对比测点 4／5／6处和测点 7／8／9处的 CO2浓度值与空气流速也可以得到同样的规律。测点7／8／9位于空调主风管下，平均空气流速约为0.13m／s，CO2浓度值为784ppm；而测点4／5／6处位于空调侧送风口2正对位置，平均空气流速约为0.26m／s，CO2浓度值为709ppm，因此我们可以认为在其他条件一致的前提下，空气流速较大处CO2浓度值较低。

从图6还可以看到，1.1m高平面的空气流速平均值最高，但该平面的CO2浓度值却也是最高的，可见风速虽然是CO2浓度值的影响因素，但是高密度的CO2散发源才是某一区域CO2浓度高的根本原因。

为验证空气流速较大处CO2浓度值低这一规律，本研究采用目前被广泛应用的CFD软件PHOENICS对被测教室内空气流场进行了数值模拟。根据实测数据建立物理模型，在人体模型的口鼻处设置0.3m×0.3m的风口作为CO2散发源，该风口风量为 1.6×10－4m3／s，其中 CO2量占4%［17］。模拟采用 RNG k－ε湍流模型［18］。

模拟计算结果与实测数据对比如下表4所示。相对误差在可接受范围内，可认为模型与边界条件的设置与实际情况基本相符。

表4 高1.1m平面模拟计算结果与实测数据对比

图7 高1.1m平面风速分布图

图7为高度为1.1m平面的空气流速分布。教室内空气流速分布不均匀，在各送风口正对位置出现明显的高速气流，而由于对着气流的流动方向，图7教室右侧区域的空气流速略高于其余区域。

教室内1.1m高平面的CO2浓度分布情况如图8所示。教室CO2浓度值最高的是图8教室左侧人员所在区域，一般而言，由于室内人员分布均匀，教室内CO2也应均匀分布，即教室右侧人员所在区域的CO2浓度值也应与左侧区域相当，但观察图8可知，人员所在的右侧区域的CO2浓度值要明显比左侧区域的低，其原因是由于该区域正对送风口，空气流速明显高于左侧区域。模拟所得高1.1m平面各测点的空气流速与CO2浓度值如表4所示，表4亦可更加直接地表明空气流速与CO2浓度值的关系。

图8 高1.1m平面CO2分布图

对模拟结果从整体到具体点的分析可得，气流组织能在一定程度上影响室内CO2浓度的分布，空气流速较大处的CO2浓度值低。

3 结论及建议

（1）目前，我国已经有不少地区的教室开始设置空调，合理的空调系统以及充足的新风量可以有效地减少室内CO2浓度累积，保证室内CO2浓度满足规范要求。另外，应注重调节空调系统的新风比例，正确处理室内热舒适与空气质量之间的矛盾，保障教室内人员的健康，提高师生的工作、学习效率。

（2）夏季在密闭的空调教室内，不同高度平面的CO2浓度值有所不同，这主要取决于大部分时间里教室使用人员的呼吸带高度，或者说取决于CO2散发源的高度。因此在对室内空气污染物进行监测时，应该充分考虑污染物散发源高度，选择不同高度的采样点，使监测结果正确反映室内污染物浓度水平。

（3）当室内人员密度与空气流速在合理的范围时，CO2散发源密度高是造成教室内某一区域CO2浓度值偏高的主要原因，而室内各点空气流速不同是造成CO2分布不均的次要原因，空气流速较大处CO2浓度值较低。因而可设置机械设备，增加室内人员集中区域风速，使污染物扩散到室内无人区域或者室外。

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