張熙

摘要：本項目在分析有關(guān)教室環(huán)境監(jiān)測文獻的基礎(chǔ)上，確定CO2濃度是影響教室微環(huán)境的主要因素之一，并利用傳感器對教室CO2濃度實時監(jiān)控，進行自動改善。

關(guān)鍵詞：教室微環(huán)境；CO2濃度；實時監(jiān)控；自動改善系統(tǒng)

中圖分類號：G427文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1992-7711（2013）09-085-2

一、問題的提出

當(dāng)前，環(huán)境問題越來越引起社會的重視，保護環(huán)境，創(chuàng)設(shè)綠色家園成為大家共同努力的目標(biāo)。在學(xué)校中，關(guān)于保護環(huán)境的宣傳也越來越多，同學(xué)們的環(huán)保意識也逐漸增強，學(xué)校的環(huán)境變得越來越好。但是，在轟轟烈烈宣傳、踐行環(huán)境保護的同時，教室——學(xué)生學(xué)習(xí)活動的重要場所的環(huán)境問題卻被大家忽視了。據(jù)不完全統(tǒng)計，高中學(xué)生一天在教室中學(xué)習(xí)、活動的時間接近10小時，教室環(huán)境的狀況將直接影響到學(xué)生的身體發(fā)育、健康和學(xué)習(xí)效果。

但當(dāng)前的教室環(huán)境現(xiàn)狀卻不容樂觀，利用中國期刊網(wǎng)以“教室環(huán)境”為關(guān)鍵詞，進行全文檢索，得到文獻40余篇，這些文獻均來自衛(wèi)生監(jiān)督部門、環(huán)境部門或預(yù)防醫(yī)學(xué)專業(yè)的相關(guān)人士對教室環(huán)境的監(jiān)測，其抽測的教室中有60%存在環(huán)境問題。而上述文獻，也只是對教室環(huán)境改善提出建議，如采取開窗通風(fēng)降低CO2濃度等措施，但事實上很多情況下，比如在夏冬季節(jié)，許多發(fā)達地區(qū)的教室內(nèi)都裝有空調(diào)，是否能及時開啟門窗通風(fēng)以使教室中CO2濃度低于規(guī)定的濃度不得而知。另一方面，已有對教室環(huán)境的監(jiān)測缺乏連續(xù)性，其監(jiān)測結(jié)果也沒有引起教育行政部門、學(xué)校的重視，學(xué)生更是對此一無所知。

當(dāng)我們在教室上課或自習(xí)時，有同學(xué)會犯困，除了學(xué)習(xí)態(tài)度、休息不好等原因，是否與教室中CO2濃度超標(biāo)有關(guān)？面對這個問題，我們除了要對教室CO2濃度進行定期或?qū)崟r監(jiān)測外，還要考慮如何有效地改善教室中的環(huán)境問題。

二、教室微環(huán)境的文獻綜述

利用中國知網(wǎng)，以關(guān)鍵詞“學(xué)校教室環(huán)境監(jiān)測”、“教室微環(huán)境”、“實時監(jiān)測”進行全文檢索，共獲得相關(guān)文獻45篇。

（1）以“教室微環(huán)境”為關(guān)鍵詞進行全文檢索獲得相關(guān)文獻4篇，僅《天津市某中學(xué)教室內(nèi)微環(huán)境污染研究》（2004年）與本課題有一定相關(guān)性。

（2）以“教室微環(huán)境實時監(jiān)測”為關(guān)鍵詞進行全文檢索獲得相關(guān)文獻0篇。

（3）以“學(xué)校教室環(huán)境監(jiān)測”為關(guān)鍵詞進行全文檢索獲得相關(guān)文獻40篇。

這些文章均為衛(wèi)生監(jiān)督管理部門、環(huán)保部門或預(yù)防醫(yī)學(xué)工作者對教室環(huán)境監(jiān)測結(jié)果的分析為主。

上述文獻均以檢測報告形式呈現(xiàn)對教室（包括中小學(xué)和高校）環(huán)境的檢測結(jié)果，并提出了部分改進意見。潘慶仲、張愛芹對影響教室空氣環(huán)境衛(wèi)生質(zhì)量的主成分分析得出影響教室空氣衛(wèi)生質(zhì)量的主要指標(biāo)，風(fēng)速、CO2、噪聲是決定第一主成分的主要指標(biāo)。余志琪等對3所高校教室空氣質(zhì)量進行檢測，抽取蘭州市3所高校的40間教室，對室內(nèi)的溫度、濕度、風(fēng)速、CO、CO2、甲醛、可吸入顆粒物、空氣細菌總數(shù)共8項指標(biāo)進行檢測，結(jié)果檢測期間教室內(nèi)污染較嚴(yán)重的是可吸入顆粒物和CO2，指出控制教室內(nèi)CO2的含量至關(guān)重要。何倫發(fā)等研究指出新風(fēng)量不足，呼吸產(chǎn)生的CO2可造成室內(nèi)CO2含量嚴(yán)重超標(biāo)，影響學(xué)生學(xué)習(xí)，降低課堂教學(xué)效果。另有研究對天津地區(qū)的某中學(xué)教室內(nèi)的環(huán)境污染物采用便攜式紅外線分析儀測試教室內(nèi)CO2的含量。CO2室內(nèi)含量超標(biāo)，CO2是由教室內(nèi)人的呼吸產(chǎn)生的，室內(nèi)含量高的主要原因是人員密度大，通風(fēng)差；室內(nèi)CO2濃度偏高，在上課的大部分時間內(nèi)教室的平均CO2濃度都大于國家規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)值，只有課間休息CO2濃度才低于標(biāo)準(zhǔn)值。

上述文獻的研究都認為CO2濃度是教室環(huán)境問題的主要因素之一，幾乎所有的教室環(huán)境檢測報告均指出教室環(huán)境存在污染情況，為什么出現(xiàn)這樣的結(jié)論？簡析原因，一方面，學(xué)校、教師、學(xué)生對教室微環(huán)境缺少認識，加之學(xué)生在校學(xué)習(xí)時間長（尤其是高中），有的班級學(xué)生人數(shù)多，以及沒有重視開窗通風(fēng)，導(dǎo)致教室微環(huán)境出現(xiàn)污染；另一方面，教室微環(huán)境出現(xiàn)CO2濃度過高的時間不固定，受到外界自然環(huán)境的影響。

要持久改善教室微環(huán)境，使室內(nèi)CO2濃度達標(biāo)的有效措施是對教室微環(huán)境進行實時監(jiān)測和自動改善。

“教室CO2濃度實時監(jiān)控及自動改善系統(tǒng)”設(shè)計項目的創(chuàng)新點就是應(yīng)用傳感器技術(shù)和自動控制技術(shù)，對教室CO2濃度和室內(nèi)光強度進行“實時監(jiān)測、自動改善”，本項目在國內(nèi)尚無同類研究。

三、設(shè)計目的和基本思路

設(shè)計目的：引起大家對教室微環(huán)境的重視，并對影響學(xué)習(xí)效率和生長發(fā)育的主要環(huán)境指標(biāo)之一CO2濃度進行實施監(jiān)測，當(dāng)指標(biāo)超出正常值時實施自動改善措施（如換氣等），尤其適用于秋冬季節(jié)（室外氣候條件不適宜開窗換氣時）。

設(shè)計基本思路：在教室里分布監(jiān)測點，對教室內(nèi)的CO2濃度進行監(jiān)測，并結(jié)合監(jiān)測結(jié)果啟動教室微環(huán)境改善系統(tǒng)。

四、工作原理

采用CO2傳感器對教室CO2濃度進行適時監(jiān)測。

一旦教室內(nèi)CO2含量達到極限值，通過CO2傳感器的監(jiān)測變化來輸出電頻，并用三極管的放大效應(yīng)激活繼電器，控制排氣扇運行。

TGS4160二氧化碳傳感器是一種內(nèi)含熱敏電阻的混合式CO2敏感元件。該元件在兩個電極之間充有陽離子固體電解質(zhì)。它的陰極由鋰碳酸鹽和鍍金材料制成，而陽極是鍍金材料。該敏感元件的基襯是用對苯二酯聚乙烯和玻璃纖維加固，然后采用不銹鋼網(wǎng)做圓柱型封裝。元件的內(nèi)層采用100目雙層不銹鋼網(wǎng)套在鍍鎳銅環(huán)上，并用高強度樹脂粘合劑與基襯固定在一起。其外層頂蓋上又罩上了一層60目的不銹鋼網(wǎng)。為了達到降低干擾氣體影響的目的，TGS4160在內(nèi)外兩層不銹鋼網(wǎng)之間還填充有吸附材料（沸石）。傳感器的6個引腳通過0.1mm的箔導(dǎo)線與內(nèi)部相連。其等效的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖1所示。圖中，陽極與傳感器的第3腳S（+）相連，陰極與傳感器的第4腳S（-）相連，Pt加熱器與傳感器的第1，6腳相連，內(nèi)部熱敏電阻與傳感器的第2，5腳相連。內(nèi)部熱敏電阻的作用是通過該電阻探測環(huán)境溫度，以便對該傳感器進行溫度補償，從而使校正后的測量值更加準(zhǔn)確。

五、應(yīng)用前景

這件作品的成功設(shè)計具有現(xiàn)實意義。設(shè)計理念符合現(xiàn)代科技的發(fā)展方向，更加環(huán)保，更加自動化、人性化。在自動實時監(jiān)控和改善教室CO2濃度這一微環(huán)境問題上提出了可行的技術(shù)方案，并成功根據(jù)原理設(shè)計了作品。本作品涉及到化學(xué)、物理、機電等多個學(xué)科，創(chuàng)新性地解決了學(xué)校教室這一人員密集區(qū)域的微環(huán)境中自動改善問題，可以引起研究人員和有關(guān)部門對該項目的高度關(guān)注，有利于廣大在校學(xué)生的身心健康，制作成產(chǎn)品當(dāng)具有巨大的經(jīng)濟和社會效益，項目研究具有很強的現(xiàn)實意義。