宁波市中小学校教室空气质量与通风适宜方案研究

林 敏，毛艳辉，应 融，张 琪

（1.宁波华聪建筑节能科技有限公司，浙江 宁波 315040；2.宁波工程学院，浙江 宁波 315211）

相关研究表明，当前我国建筑师在对教学楼和教室进行设计时，对建筑造型、采光、隔声方面都考虑充分，但缺乏对教室室内空气质量的考虑，容易造成教室内新风量不足导致 CO2浓度超标的问题，并且不同的标准对教室内 CO2浓度限值与最小新风量的规定存在一定的分歧[1-2]。由于室内通风形式多样，所以难以通过实际工程开展运行效果研究。本文立足于浙江省宁波市中小学校教室空气质量现状调研分析，在已有的建筑通风换气技术体系基础上，通过实际工程改造试点，在全市范围内选择了3所学校的6间教室作为试点空间并安装机械通风装置。通过设计合理可行的监测方案对试点教室内的空气质量进行实时监测。本文以 CO2浓度作为研究的主要指标[3]，分析通风装置启停状态下的室内 CO2浓度变化，并结合 CFD 数值模拟技术，评价不同通风方式对教室室内空气质量的影响。通过实际工程改造与连续的空气质量监测及数值模拟的结合，较好地实现了实验数据在时间上的连续性和室内气体浓度变化在空间上的全方位观察，较为全面地对比分析了中小学校教室内各种自然通风和机械通风方式的运行效果。

现阶段宁波市各中小学教室内基本未安装空调，无独立新风系统，室外新风主要由门缝或短时间开启门窗获得。根据宁波市卫生监督所的测试反馈，目前中小学教室在设计阶段虽满足通风设计标准，但大多数教室未安装新风系统，在冬季窗户关闭时，室内空气流通不畅，教室内空气质量较差。中小学生长期处于这样的环境中，将成为季节性传染病的高发群体。因此研究宁波市中小学校教室的空气质量现状与通风适宜方案具有显著的社会效益，并对今后制定宁波市中小学校教室新风系统设计的地方工程建设标准具有参考价值。

1 宁波市中小学校教室空气质量调研情况

为了解宁波市中小学校在寒冷季节教室内空气质量现状，以便为有效的保持寒冷季节教室空气质量提供依据，本研究对宁波市3所学校的6间教室展开了室内空气质量的调研工作。调研对象包括2所完全小学的4间小学教室和1所九年一贯制学校中的2间初中教室，同一所学校的2间教室室内面积和体积相同。在项目选择上兼顾了学校所处位置的地域分布。不同于其他研究报告，一般情况下，多数调研采用的检测设备为便携式，仅能测量某一个时间点的空气质量数据，通过此类数据来判断该项指标是否超标，具有一定的偶然性。本次调研通过安装室内环境监测仪，对教室进行全天候的室内空气质量监测，采用的监测设备可实现监测数据的连续采集，可根据需求观察任意时间点或时间段的变化，从而解决了时间上的连续性问题。

1.1 监测结果

从室内空气质量监测系统提供的监测数据中，选取冬季某典型日的室内 CO2浓度变化曲线，详见图 1～图 6。

图1 某小学 A（1 班）室内 CO2 浓度监测值

图2 某小学 A（2 班）室内 CO2 浓度监测值

图3 某小学 B（1 班）室内 CO2 浓度监测值

图4 某小学 B（2 班）室内 CO2 浓度监测值

图5 某初中 A（1 班）室内 CO2 浓度监测值

图6 某初中 A（2 班）室内 CO2 浓度监测值

1.2 结果分析

实验监测结果显示，学生开始进入教室后，CO2浓度快速升高；下课后，由于下课期间教室门打开，新风量增加，并有学生进出教室，造成室内 CO2释放源减少，因此 CO2浓度先到达阶段性峰值，随后下降。下节课开始后，CO2浓度又持续攀升。如此循环往复，直至学校放学，室内 CO2又逐渐恢复至上课前的水平。监测结果汇总如表1所示。

表1 宁波市中小学校教室寒冷季节 CO2 浓度情况

根据以上监测数据可知以下内容。

（1）宁波市室外 CO2体积分数约为 0.04%，与公布的大气 CO2浓度数据吻合[4]。不同的测试点室内 CO2初始浓度略有差异，由此可见，项目所处环境及地理位置、室外空气质量、室内外空气流通情况等情况均会对室内 CO2浓度高低产生一定的影响。

（2）两所小学的教室室内 CO2浓度在学生到达教室后约70min 左右达到1000 ×10-6的标准限值[2]，浓度平均上升速度为（8.0～8.5）×10-6/min，而初中教室室内 CO2浓度在学生到达教室后 20～30 min 内就达到了1000 ×10-6的标准限值，浓度平均上升速度为（20.0～28.4）×10-6/min。这说明教室人数是室内 CO2浓度上升速度的影响因素之一。此外，随着年龄增长，初中生呼吸的 CO2排放量较小学生有明显增长。

（3）测试的小学教室室内 CO2浓度基本于 11:00 左右达到一天中的最高值，而初中教室则于 10:00 左右就达到了一天中的最高值，这也与初中生的 CO2排放量较大以及测试中学教室人数较多有关。另外，其中一间小学教室的室内 CO2浓度最高出现在下午时间段。这说明教室室内 CO2浓度的达峰时间与班级课程安排、课间学生活动情况（室内人员密度变化）、开闭门窗行为等情况也存在一定的关系。

（4）不同的测试点达到的室内 CO2浓度最高值有所差异，超标倍数从 1.9～4.2 倍不等。这说明室内空间大小、室内人员密度、室外风速和风压以及门窗开启程度，甚至室内储放物品多少与种类等情况都是室内 CO2浓度高低的影响因素。

（5）学生主要在校时间段内，不同的测试点中，室内 CO2最少浓度有 44.9% 的时间处于超标状态，最高甚至达到 90.3%。室内 CO2浓度不达标对学生的学习和健康状况会产生一定的影响，有必要采取措施降低室内 CO2浓度。

2 宁波市中小学校教室通风改造试点

为了对比不同的通风方案，本次研究按照规范要求的最小新风量设计室内通风换气改善方案，并通过试点教室的实际工程改造，测试不同的通风改造方案对教室室内 CO2浓度的影响效果[5]。改造试点工程主要测试了排气扇和新风机两种机械通风方式，并分别对比分析了教室开窗和门窗紧闭时两种方式的处理效果。

2.1 基础条件

（1）根据中小学校教室的设计标准，教室均有外墙和外窗，为引入室外新风提供了条件。

（2）每间教室外侧均有走廊，新风机可吊顶安装在走廊内，减少对室内的影响。

（3）教室外窗均有足够面积安装排气扇。

（4）同一所学校的2间教室室内面积和体积相同。

2.2 通风设备选型计算

根据 GB 50099—2011《中小学设计规范》，室内通风换气次数控制在 2.5 次/h 左右可有效排除室内污染物。在保证室内空气质量的同时，选取的设备噪声不至于过高，从而营造良好的学习环境。因此本研究选择1台某品牌新风机（额定风量为720m3/h）及2台某品牌排气扇（额定风量为400m3/h）作为通风设备。3 所中小学校的6间典型目标教室的选型计算结果汇总如表2所示。其中初中教室室内换气次数略低于规范要求的 3.5 次/h，考虑到项目采购所选品牌下一档产品的额定风量过大，也考虑到采购的统一性和经济性，因此以此作为测试方案。

表2 学校教室通风设备选型计算汇总

2.3 室内空气质量监测系统

本研究利用便捷实用的室内空气质量在线监测系统，在每个教室布设一个监测点位，依托数据采集和传输等系统，利用先进的云平台技术，对监测点位的环境质量数据进行采集，并上传汇总。其中 CO2传感器量程为（0～6000）×10-6，分辨率为 1×10-6。

2.4 平面布置

（1）新风机改造方案。在教室门外走廊中间位置吊顶安装1台风量为720m3/h 的新风机，距地安装高度为 2.5～2.8 m。新风机由室外取新风，接320mm×250 mm 风管由教室上方穿墙进入室内，贴教室侧墙布置两个送风口（双层百叶）均匀送风（侧送风），教室另一侧前后门底部各开500 mm×300 mm 单层百叶作为排风口，确保室内形成有效气流组织。

（2）排气扇改造方案。在教室前后远离门侧外窗固定扇位置分别安装1台风量为400m3/h 的排气扇（将部分外窗玻璃卸下后安装排气扇），距地安装高度为 2.5～2.7 m。教室前后门底部开500mm×300 mm 单层百叶作为进风口，确保室内形成有效气流组织。

2.5 改造试点工程实施结果

本改造工程风管采用成品矩形彩钢风管，颜色为乳白色。经现场查看，整体美观、简洁，与教室整体融合度较高。设备选用小型静音型新风机，噪声仅为34dB，排气扇为双速控制，高速运转时，噪声也仅为38dB，基本等同于室外环境噪声，对学生上课未产生不利影响。送风口送风均匀，下方学生无明显风吹感。另外，本改造工程选用的新风机采用低能耗电机，额定功率仅70W，排风扇额定功率为58W，设备应用于学校按最大风量每天运行8h，200 d 电费 ≤100元（电费按 0.6 元/kWh 计算），因此增加的能耗费用可忽略不计。

通过上述改造情况可知，在两类典型教室内安装吊顶式新风机或排气扇后，教室内设计通风换气次数均可达到 2.5 次/h 以上。通过室内空气质量监测系统对教室内空气质量进行实时监测，汇总相关数据进行分析整理，可实时掌握室内空气质量情况。

2.6 数据监测与分析

为了研究不同新风方式在不同工况下对室内 CO2浓度的影响效果，并考虑到学校教室日常的自然通风习惯，本研究在教室开窗和门窗紧闭时分别进行了测试；并对教室内关、开新风机或排气扇时的室内 CO2浓度进行了连续2d 的观测与对比。室内空气质量数据监测点位布置在前排教师讲课桌上，以测量学生呼吸区的 CO2浓度。下面以某小学的2间试点教室监测结果为例进行分析。

2.6.1 教室开窗时新风机开关

图7 中虚线为冬季某日未开启新风机时的教室室内 CO2浓度变化情况。7:30 左右教室室内 CO2浓度开始急剧上升，7:30～17:00 学生主要在校时间段内，教室室内 CO2浓度超标率为 6.0%，CO2浓度当日峰值为1135×10-6。实线为次日开启新风机后的教室室内 CO2浓度变化情况，当日学生主要在校时间段内，教室室内 CO2浓度超标率为 41.1%，CO2浓度当日峰值为1414 ×10-6。从图7中曲线比对可以看出，在教室开窗的情况下，由于受外界气候条件如室外空气质量变化、风速、风压等的影响，开启新风机对降低教室室内 CO2浓度未能产生良好的效果。

图7 教室内 CO2 浓度监测值（开窗时新风机开关对比）

2.6.2 教室开窗时排气扇开关

图8 中虚线为冬季某日未开启排气扇时的教室室内 CO2浓度变化情况。7:30 左右教室室内 CO2浓度开始急剧上升，7:30～17:00 学生主要在校时间段内，教室室内 CO2浓度超标率为 49.9%，CO2浓度当日峰值为1898 ×10-6。实线为次日开启排气扇后的教室室内 CO2浓度变化情况，当日学生主要在校时间段内，教室室内 CO2浓度超标率为 59.3%，CO2浓度当日峰值为1538 ×10-6。从图8中曲线比对可以看出，在教室开窗的情况下，由于受外界气候条件如室外空气质量变化、风速、风压等的影响，开启排气扇对降低教室室内 CO2浓度同样未能产生良好的效果。

图8 教室内 CO2 浓度监测值（开窗时排气扇开关对比）

2.6.3 教室门窗紧闭时新风机开关

图9 中虚线为冬季某日未开启新风机时的教室室内 CO2浓度变化情况。7:30 左右教室室内 CO2浓度开始急剧上升，7:30～17:00 学生主要在校时间段内，教室室内 CO2浓度超标率为 21.3%，CO2浓度当日峰值为2077×10-6。实线为次日开启新风机后的教室室内 CO2浓度变化情况，当日学生主要在校时间段内，教室室内 CO2浓度全部达标，CO2浓度当日峰值仅为 879×10-6。从图9中曲线比对可以看出，在教室门窗紧闭的情况下，外界气候条件对室内 CO2浓度的影响减弱，此时开启新风机对降低教室室内 CO2浓度产生了显著的效果。学生进入教室后，室内 CO2浓度如常上升，当新风机开启并完成室内换气后，室内 CO2浓度始终维持在教室无人状态时的水平，表明新风机的工作风量满足该教室稀释室内 CO2浓度要求，室内 CO2浓度得到有效控制。

图9 教室内 CO2 浓度监测值（门窗密闭时新风机开关对比）

2.6.4 教室门窗紧闭时排风扇开关

图10 中虚线为冬季某日未开启排气扇时的教室室内 CO2浓度变化情况。7:30 左右教室室内 CO2浓度开始急剧上升，7:30～17:00 学生主要在校时间段内，教室室内 CO2浓度超标率为 46.6%，CO2浓度当日峰值为2406×10-6。实线为次日开启排气扇后的教室室内 CO2浓度变化情况，当日学生主要在校时间段内，教室室内 CO2浓度超标率下降至 10.1%，CO2浓度当日峰值下降至1434×10-6。从图10中曲线比对可以看出，在教室门窗紧闭的情况下，开启排气扇对降低教室室内 CO2浓度也产生了一定的效果。排气扇开启后，室内 CO2浓度的增量减少，但部分时间段仍然超过了标准限值，表明排气扇的实际工作风量未能达到设计风量，从而导致室内换气次数不足，处理效果与新风机相比较弱。

图10 教室内 CO2 浓度监测值（门窗密闭时排气扇开关对比）

3 宁波市中小学校教室通风模拟计算

室内通风形式多样，但实际改造工程难以实现对所有形式的一一试验，因此本研究还通过 CFD 数值模拟的方式来进行室内空气质量的研究。一方面可以通过数值模拟计算结果来完善实际改造工程未涉及的其他通风方式的处理效果研究，另一方面还可以对整间教室 360° 无死角观测，也可以根据需求观察任意时间点或时间段的变化。本研究先根据教室实际尺寸在 NX 软件中建立模型，再在 ICEM-CFD 中建立网格，接着用 FLUENT 软件进行计算，最后用 TECPLOT 进行分析。模拟工况分别为采用气窗的自然通风方式以及采用新风系统侧送风和下送风的机械通风方式。3 种通风方式的模拟计算结果汇总如表3所示。

表3 冬季室内 CO2 浓度模拟结果汇总表

从 CO2浓度数据来看，冬季教室密闭情况下，3 种通风方式在一定程度上均能改善室内空气质量。其中，新风系统侧送风方式更胜一筹，下送风方式次之，两种方式均能同时满足中小学校教室换气卫生标准和室内空气质量标准中教室内 CO2最高允许浓度 ≤ 0.10% 的限值要求[7-8]。侧送风方式则能将新风送至教室深处，使教室中 CO2浓度分布更为均匀，从而能更好地将每一个角落的 CO2浓度都控制在规范标准范围之内。设置气窗的自然通风方式效果不及新风系统。无论气窗设在什么位置，都无法像新风系统一样直接将新风送至深处来促使气体流动。

本章节通过模拟展示了3种不同新风供应方式下室内 CO2的浓度变化情况，可为进一步的改造实施提供理论计算依据。

4 结语

本文研究的主要结论如下。

（1）教室门窗关闭的情况下，室内 CO2浓度迅速上升，并于短时间（0.5～1 h）内达到现行标准限值1000× 10-6。测试数据显示，室内 CO2浓度峰值甚至可高达4000× 10-6以上。

（2）课间的间歇性开窗通风虽有助于室内 CO2浓度降低，但时间较短，无法使室内 CO2浓度迅速恢复到初始自然状态。随着上课继续，室内 CO2浓度将持续攀升。因此，仅靠间歇式开窗进行自然通风不能完全解决教室室内新风量不足导致 CO2浓度超标的问题，需要通过其他手段加强控制。

（3）开窗通风、气窗、排气扇、新风机等不同的自然通风、机械通风方式对降低室内 CO2浓度均能起到不同程度的作用。但在开窗情况下，机械通风相较自然通风无明显改善效果。

（4）门窗紧闭情况下，排气扇和气窗方式处理效果接近，均能起到大幅度降低室内 CO2浓度的效果，但未能确保学生在校全时间段内室内 CO2浓度均满足标准限值要求。

（5）门窗紧闭情况下，新风机对降低室内 CO2浓度的改善效果优于排气扇和气窗方式。在新风机实际工作风量满足标准最小换气次数的情况下，开启新风系统可将室内 CO2浓度始终控制在标准限值1000 ×10-6以下。

（6）通过模拟分析发现，新风系统侧送风比下送风方式更胜一筹。侧送风能将新风送至教室深处，使新风均匀地流动到教室各处，从而能使教室中 CO2浓度分布更为均匀，让每一个角落的 CO2浓度都在规范标准范围之内。在冬季非空调状态下供应新风时，虽然会带来一定的热量损失，但对室内温度和舒适度造成的不利影响在可接受范围之内。

（7）除上述技术手段以外，建议学校在排课时尽量减少上课人数，采用分班授课制，从源头上控制 CO2的产生。此外，可在教室内布置一定量的有助于空气净化的绿色植物，既美观，又能在吸收 CO2的同时释放氧气，加速稀释 CO2的浓度。

（8）针对条件较好的学校或随着今后建设标准的提高，若教室内设有采暖或空调设备，则可适当采取新风净化、全热交换等其他措施，以改善室内空气质量和舒适度，同时降低因新风引入带来的能耗增量。

（9）在夏季及过渡季节特殊气候条件下，如遇台风、雾霾、大雨等天气教室关窗时，同样可通过新风系统来组织室内气流，达到降低室内 CO2浓度的目的。

通过上述研究可知，随着绿色建筑的逐年发展，教室门窗的气密性越来越好，使得密闭教室的换气次数越来越小，因此希望仅通过自然通风依靠渗透获得室外空气来实现室内换气的方式，已经越来越不可能。但开窗通风这种最常见的自然通风方式，因其通风量不易控制，受季节和气候因素影响大又受建筑结构的限制，无法避免室外空气污染物和噪声的侵入，加上室内热环境舒适度受限等特点，虽然可以降低室内 CO2浓度，但始终不是一种理想的通风换气方式。教室采用机械通风的方式可成为解决教室通风问题的最终途径。