利一鋒，許國(guó)強(qiáng)

（1.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州510006；2.廣東省建科建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣州510500）

0 引言

教室是學(xué)生的主要活動(dòng)場(chǎng)所，具有室內(nèi)使用人員連續(xù)停留時(shí)間長(zhǎng)、人員密度高等特點(diǎn)，其中的室內(nèi)空氣質(zhì)量更是受到社會(huì)各界的重視。劉嶸［4］等對(duì)2所學(xué)校的24個(gè)教室內(nèi)的空氣污染現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，指出在冬季，室內(nèi)空氣中CO2濃度超標(biāo)嚴(yán)重，而其他污染物，如SO2、CO、PM10等的濃度值主要取決于室外空氣質(zhì)量。翟金霞［5］等對(duì)校園建筑里的90個(gè)教室進(jìn)行室內(nèi)空氣品質(zhì)研究，研究發(fā)現(xiàn)教室內(nèi)的主要污染物是細(xì)菌和CO2。黃衍［6］等以某初中計(jì)算機(jī)教室作為研究對(duì)象，對(duì)其中CO2濃度進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)上課期間室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)可以達(dá)到3200×10－6。俞珊［7］對(duì)西南地區(qū)某學(xué)校的室內(nèi)空氣進(jìn)行跟蹤調(diào)查，結(jié)果顯示20%的教室空氣中的CO2濃度超標(biāo)。諸多研究表明，我國(guó)學(xué)校教室室內(nèi)主要污染物為CO2，且CO2濃度超標(biāo)現(xiàn)象較為普遍。

教室內(nèi)，人員新陳代謝會(huì)散發(fā)出大量CO2，而室內(nèi)CO2濃度的持續(xù)增加，將會(huì)造成室內(nèi)空氣不新鮮、影響學(xué)生的學(xué)習(xí)。Derek G.Shendell［8］等人研究發(fā)現(xiàn)，教室室內(nèi)CO2含量每提高1000ppm，學(xué)生的缺勤率增加10%到20%。DavidA.Coley［9］等人通過對(duì)國(guó)外典型教室中的CO2濃度進(jìn)行測(cè)量，并對(duì)其中的18個(gè)小學(xué)生進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果顯示當(dāng)室內(nèi)空氣的CO2含量超出規(guī)范一倍，學(xué)生的記憶力與反應(yīng)能力也會(huì)隨之降低約5%。李明雪［10］等人研究了長(zhǎng)三角地區(qū)教學(xué)建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量與學(xué)生反應(yīng)能力之間的關(guān)系，結(jié)果表明，在冬季學(xué)生的工作效率與學(xué)習(xí)能力會(huì)隨著教室內(nèi)CO2濃度值的升高而下降。戴歡歡［11］等人通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與主觀評(píng)價(jià)方式，課間期間對(duì)7個(gè)中學(xué)生進(jìn)行一系列的反應(yīng)能力測(cè)試，得出教室空氣內(nèi)CO2濃度的增加會(huì)影響學(xué)生各種學(xué)習(xí)反應(yīng)能力。結(jié)合國(guó)內(nèi)外的研究發(fā)現(xiàn)，教室室內(nèi)過高的CO2濃度會(huì)導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)效率下降，長(zhǎng)期處于高濃度的CO2環(huán)境中還會(huì)影響學(xué)生的身心健康。

本研究基于對(duì)廣州地區(qū)某高校空調(diào)教室內(nèi)CO2濃度的檢測(cè)結(jié)果，調(diào)查研究室內(nèi)CO2分布規(guī)律，為解決教室室內(nèi)CO2濃度普遍超標(biāo)問題提供依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本測(cè)試選擇在2017年6月進(jìn)行，此時(shí)正值炎夏，被測(cè)教室在上課時(shí)段空調(diào)開啟且門窗緊閉。上午空調(diào)開啟時(shí)間約在8點(diǎn)15分，第一節(jié)課上課時(shí)間為8點(diǎn)30分到10點(diǎn)05分，在20分鐘的課間過后，10點(diǎn)25分到12點(diǎn)整上第二節(jié)課。被測(cè)教室所在教學(xué)樓地上7層，層高3.9m，有各類教室共112間，其中小教室數(shù)量達(dá)84間。由于在僅靠滲透排風(fēng)情況下，樓層和朝向?qū)照{(diào)房間室內(nèi)空氣質(zhì)量沒有顯著影響［12］，所以本研究挑選了位于4樓的一間小教室作為測(cè)試對(duì)象。該教室面積約70m2，尺寸為9.0m×7.8m×3.9m，教室內(nèi)有6排座位，每排10個(gè)座位，可容納60人上課。

除了檢測(cè)教室室內(nèi)CO2濃度外，本研究還對(duì)教室室內(nèi)的空氣流速、室內(nèi)外溫濕度，以及教室空調(diào)器的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，表1給出了測(cè)試儀器及其參數(shù)。

參考 《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》 （GB／T 18883－2002）［13］中對(duì)室內(nèi)空氣采樣點(diǎn)的要求，在教室的對(duì)角線上，距離教室地板0.5m、1.1m、1.6m處各布置3個(gè)采樣點(diǎn)，共9個(gè)采樣點(diǎn)，如圖1和表2所示。測(cè)試時(shí)教室內(nèi)有39名人員且分布均勻。

圖1 被測(cè)教室示意圖及測(cè)點(diǎn)分布

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)測(cè)量方法

表2 測(cè)點(diǎn)位置信息表

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 教室新風(fēng)量的測(cè)定

向室內(nèi)通入新風(fēng)是消除室內(nèi)空氣污染，保持室內(nèi)空氣品質(zhì)的最有效方法［14］［15］。在空調(diào)開啟的季節(jié)，門窗緊閉，對(duì)通過空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入教室的新風(fēng)量進(jìn)行測(cè)定，可更加深入地分析室內(nèi)空氣質(zhì)量問題。教室采用低速全空氣空調(diào)系統(tǒng)，吊頂式空氣處理機(jī)組吊裝在走道天花內(nèi)，新風(fēng)及回風(fēng)進(jìn)入回風(fēng)箱混合后經(jīng)過降溫處理后由送風(fēng)干管送入室內(nèi)，見圖2。

圖2 教室空調(diào)系統(tǒng)

該空調(diào)系統(tǒng)中，新風(fēng)口與回風(fēng)口的入口處分別設(shè)置多葉調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)二者面積比，以此來控制及調(diào)節(jié)新風(fēng)量，滿足不同季節(jié)對(duì)新風(fēng)量的需要。教室排風(fēng)依靠門窗縫隙正壓滲透至室外，沒有另設(shè)排氣裝置。本研究根據(jù)風(fēng)口尺寸的不同對(duì)通風(fēng)口截面積等分多個(gè)點(diǎn)，取各點(diǎn)風(fēng)速值的平均值作為通風(fēng)口平均風(fēng)速計(jì)算通風(fēng)量，教室空調(diào)系統(tǒng)各通風(fēng)口的通風(fēng)量見表3。

表3 各通風(fēng)口的通風(fēng)量

由測(cè)定結(jié)果可得總送風(fēng)量為4276.80 m3／h，新風(fēng)量為1548.97 m3／h，新風(fēng)占比約36%，若按教室使用人數(shù)60人計(jì)算，進(jìn)入教室的人均新風(fēng)量約為26m3／（h·人），對(duì)比 《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50099－2011）［16］中教室的人均新風(fēng)量 19m3／（h·人），可知本教室的入室新風(fēng)量偏大。

雖然充足的新風(fēng)量可保證良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)，但是在空調(diào)系統(tǒng)能力有限的情況下，引入過大新風(fēng)將影響室內(nèi)熱舒適性。測(cè)試期間室內(nèi)外氣溫變化見圖3，室外氣溫呈上升趨勢(shì)，而教室內(nèi)氣溫在空調(diào)開啟之初與室外氣溫比較貼近，隨后降低并在28.5℃上下波動(dòng)。室外空氣相對(duì)濕度在71%到78%范圍內(nèi)變化，而室內(nèi)相對(duì)濕度變化趨勢(shì)與室內(nèi)氣溫基本一致，在65%相對(duì)濕度處上下波動(dòng)，如圖4所示。

圖3 室內(nèi)外溫度逐時(shí)變化

教室內(nèi)空氣的相對(duì)濕度滿足 《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T 18883－2002）所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)濕度范圍值40%～80%，但是氣溫卻略高于規(guī)定值（22～28℃），其主要原因是新回風(fēng)混合箱內(nèi)引入了大量高溫高濕的新風(fēng)，負(fù)荷大于空調(diào)器正常需要處理的范圍，從而使得室內(nèi)總體氣溫偏高，熱舒適性下降。

2.2 室內(nèi)CO2濃度值的逐時(shí)變化

室內(nèi)CO2的逐時(shí)變化情況如圖5所示，室內(nèi)CO2濃度值總體上呈上升趨勢(shì)，在第一節(jié)課內(nèi)CO2濃度平均值從530ppm升至785ppm，在10點(diǎn)15分產(chǎn)生波動(dòng)，主要是因?yàn)?0點(diǎn)05分到10點(diǎn)25分為大課間，大部分學(xué)生出教室造成通風(fēng)量增加以及室內(nèi)CO2源減少所致，第二節(jié)課開始，室內(nèi)CO2濃度平均值繼續(xù)從781ppm升至919ppm。

圖4 室內(nèi)外相對(duì)濕度逐時(shí)變化

圖5 室內(nèi)CO2濃度值逐時(shí)變化

上午教室內(nèi)CO2濃度平均值約為741ppm，最大CO2濃度平均值出現(xiàn)在11點(diǎn)45分，為919ppm，測(cè)試的各組CO2濃度值中，最大值為964ppm，均低于 《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB／T18883－2002）所規(guī)定的1000ppm標(biāo)準(zhǔn)值，室內(nèi)CO2濃度符合規(guī)范要求，機(jī)械通風(fēng)量充足。

另外，對(duì)比教室內(nèi)不同高度平面的CO2濃度值，高1.1m的水平面上 CO2濃度平均值最高（784ppm），高 0.5m平面次之 （729ppm），高1.6m平面最低 （709ppm），其主要原因是學(xué)生坐著上課，呼吸帶高度即 CO2散發(fā)源的高度接近1.1m高處，室內(nèi)人員呼出來的CO2未能及時(shí)擴(kuò)散造成此高度處CO2濃度最高。

圖6 室內(nèi)空氣流速平均值

2.3 空氣流速對(duì)室內(nèi)CO2分布的影響

對(duì)室內(nèi)空氣流速進(jìn)行測(cè)量后，發(fā)現(xiàn)同一測(cè)點(diǎn)的空氣流速隨時(shí)間變化不大，各點(diǎn)空氣流速平均值如圖6所示。高0.5m平面比高1.6m平面的平均空氣流速低，解釋了前者CO2濃度值較高的原因：教室0.5m高平面布置著桌椅，桌椅對(duì)空氣的阻力導(dǎo)致該平面空氣流速較低，從而造成了CO2的集聚，導(dǎo)致0.5m高平面的 CO2濃度比1.6m高平面的高。

對(duì)比測(cè)點(diǎn) 4／5／6處和測(cè)點(diǎn) 7／8／9處的 CO2濃度值與空氣流速也可以得到同樣的規(guī)律。測(cè)點(diǎn)7／8／9位于空調(diào)主風(fēng)管下，平均空氣流速約為0.13m／s，CO2濃度值為784ppm；而測(cè)點(diǎn)4／5／6處位于空調(diào)側(cè)送風(fēng)口2正對(duì)位置，平均空氣流速約為0.26m／s，CO2濃度值為709ppm，因此我們可以認(rèn)為在其他條件一致的前提下，空氣流速較大處CO2濃度值較低。

從圖6還可以看到，1.1m高平面的空氣流速平均值最高，但該平面的CO2濃度值卻也是最高的，可見風(fēng)速雖然是CO2濃度值的影響因素，但是高密度的CO2散發(fā)源才是某一區(qū)域CO2濃度高的根本原因。

為驗(yàn)證空氣流速較大處CO2濃度值低這一規(guī)律，本研究采用目前被廣泛應(yīng)用的CFD軟件PHOENICS對(duì)被測(cè)教室內(nèi)空氣流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立物理模型，在人體模型的口鼻處設(shè)置0.3m×0.3m的風(fēng)口作為CO2散發(fā)源，該風(fēng)口風(fēng)量為 1.6×10－4m3／s，其中 CO2量占4%［17］。模擬采用 RNG k－ε湍流模型［18］。

模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比如下表4所示。相對(duì)誤差在可接受范圍內(nèi)，可認(rèn)為模型與邊界條件的設(shè)置與實(shí)際情況基本相符。

表4 高1.1m平面模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

圖7 高1.1m平面風(fēng)速分布圖

圖7為高度為1.1m平面的空氣流速分布。教室內(nèi)空氣流速分布不均勻，在各送風(fēng)口正對(duì)位置出現(xiàn)明顯的高速氣流，而由于對(duì)著氣流的流動(dòng)方向，圖7教室右側(cè)區(qū)域的空氣流速略高于其余區(qū)域。

教室內(nèi)1.1m高平面的CO2濃度分布情況如圖8所示。教室CO2濃度值最高的是圖8教室左側(cè)人員所在區(qū)域，一般而言，由于室內(nèi)人員分布均勻，教室內(nèi)CO2也應(yīng)均勻分布，即教室右側(cè)人員所在區(qū)域的CO2濃度值也應(yīng)與左側(cè)區(qū)域相當(dāng)，但觀察圖8可知，人員所在的右側(cè)區(qū)域的CO2濃度值要明顯比左側(cè)區(qū)域的低，其原因是由于該區(qū)域正對(duì)送風(fēng)口，空氣流速明顯高于左側(cè)區(qū)域。模擬所得高1.1m平面各測(cè)點(diǎn)的空氣流速與CO2濃度值如表4所示，表4亦可更加直接地表明空氣流速與CO2濃度值的關(guān)系。

圖8 高1.1m平面CO2分布圖

對(duì)模擬結(jié)果從整體到具體點(diǎn)的分析可得，氣流組織能在一定程度上影響室內(nèi)CO2濃度的分布，空氣流速較大處的CO2濃度值低。

3 結(jié)論及建議

（1）目前，我國(guó)已經(jīng)有不少地區(qū)的教室開始設(shè)置空調(diào)，合理的空調(diào)系統(tǒng)以及充足的新風(fēng)量可以有效地減少室內(nèi)CO2濃度累積，保證室內(nèi)CO2濃度滿足規(guī)范要求。另外，應(yīng)注重調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)比例，正確處理室內(nèi)熱舒適與空氣質(zhì)量之間的矛盾，保障教室內(nèi)人員的健康，提高師生的工作、學(xué)習(xí)效率。

（2）夏季在密閉的空調(diào)教室內(nèi)，不同高度平面的CO2濃度值有所不同，這主要取決于大部分時(shí)間里教室使用人員的呼吸帶高度，或者說取決于CO2散發(fā)源的高度。因此在對(duì)室內(nèi)空氣污染物進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，應(yīng)該充分考慮污染物散發(fā)源高度，選擇不同高度的采樣點(diǎn)，使監(jiān)測(cè)結(jié)果正確反映室內(nèi)污染物濃度水平。

（3）當(dāng)室內(nèi)人員密度與空氣流速在合理的范圍時(shí)，CO2散發(fā)源密度高是造成教室內(nèi)某一區(qū)域CO2濃度值偏高的主要原因，而室內(nèi)各點(diǎn)空氣流速不同是造成CO2分布不均的次要原因，空氣流速較大處CO2濃度值較低。因而可設(shè)置機(jī)械設(shè)備，增加室內(nèi)人員集中區(qū)域風(fēng)速，使污染物擴(kuò)散到室內(nèi)無人區(qū)域或者室外。

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