趙瑩瑩 宋金峰 郝振凱 周升迪 李天一 劉吉營、2、3*

1 山東建筑大學(xué)熱能工程學(xué)院

2 可再生能源建筑利用技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

3 山東省可再生能源建筑應(yīng)用技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室

0 引言

教室作為學(xué)生學(xué)習(xí)和活動的主要場所，具有使用時間長、人員密度高等特點(diǎn)，教室內(nèi)的空氣環(huán)境品質(zhì)與學(xué)生的健康、舒適等息息相關(guān)[1-2]。當(dāng)人長時間處于CO2體積分?jǐn)?shù)較高的環(huán)境中時，人的呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、大腦器官的機(jī)能將受到很大影響[2-4]。美國LEEED 認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)中認(rèn)為室內(nèi)空氣品質(zhì)會直接影響學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。諸多的學(xué)者也對教室的空氣品質(zhì)以及通風(fēng)量進(jìn)行了研究，黃衍等[5]提出對于教室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)的問題，僅靠自然通風(fēng)不能完全解決室內(nèi)的通風(fēng)不足問題。鄧大躍[6]提出CO2濃度過高，會嚴(yán)重影響學(xué)生的學(xué)習(xí)，降低課堂教學(xué)效果。徐菁[4]針對小學(xué)教室冬季室內(nèi)熱環(huán)境進(jìn)行測試，教室室內(nèi)熱環(huán)境在冬季大部分時間內(nèi)并不舒適，長此以往會嚴(yán)重影響學(xué)生的身心健康及學(xué)習(xí)效率。

尤其對于北方的冬季，供暖時期能耗較高，所以設(shè)計(jì)時其門窗的氣密性也較高，通過滲透作用進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)量很少，同時教室里也沒有獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)，緊閉的門窗導(dǎo)致室內(nèi)空氣品質(zhì)更加的惡劣[2-3]。若室內(nèi)氣溫驟變或者空氣不夠流通，容易使學(xué)生精神不振，注意力不集中，引起流行性疾病。濟(jì)南供暖期既是霧霾頻發(fā)的季節(jié)又是流感頻發(fā)的季節(jié)，合理的通風(fēng)換氣至關(guān)重要。截止目前，對寒冷地區(qū)冬季采暖季節(jié)自然通風(fēng)教學(xué)樓通風(fēng)的研究較少，一次論文對濟(jì)南某高校自然通風(fēng)教室室內(nèi)進(jìn)行客觀與主觀的調(diào)查分析，結(jié)合室內(nèi)CO2濃度的變化以及學(xué)生的瞌睡與開窗意愿的情況，提出相應(yīng)的通風(fēng)改善措施。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 測試對象及時間

濟(jì)南市供暖時間為每年11 月15 日至次年3 月15 日，測試時間選在2018 年12 月中旬和3 月初。測試教學(xué)樓位于山東建筑大學(xué)內(nèi)，教學(xué)樓共6 層，教室約50 個，教室采用暖氣片集中供暖。全樓采用自然通風(fēng)。該實(shí)驗(yàn)選擇最具代表性的中間層312 教室作為測試對象，被測教室共有座位150 個，屬于多媒體教室。

該實(shí)驗(yàn)測試的主要內(nèi)容包括測試室內(nèi)CO2濃度，溫度，濕度，風(fēng)速，黑球溫度以及墻體的輻射溫度。測試時間及當(dāng)天天氣狀況見表1。

表1 測試當(dāng)天氣象參數(shù)

1.2 測試儀器及測點(diǎn)布置

表2 為主要測試儀器及參數(shù)。根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 18883-2002）中室內(nèi)空氣采樣布點(diǎn)的要求，在被測教室布置3 個采樣點(diǎn)，3 個采樣點(diǎn)呈對角線分布，測點(diǎn)距離墻壁為1 m，采樣點(diǎn)高度為1.0 m，即坐姿下人體呼吸帶位置[7-8]。風(fēng)速，黑球溫度以及墻體的輻射溫度測試儀布置在無人干擾的教室過道，其目的主要計(jì)算教室內(nèi)的PMV，測試時間間隔為5 min，其余參數(shù)的測試時間間隔為1 min。該實(shí)驗(yàn)測試教室的平面布置圖如圖1 所示。

表2 主要測試儀器及參數(shù)

圖1 測試教室平面圖

1.3 調(diào)查問卷

問卷調(diào)查與實(shí)驗(yàn)測試同步進(jìn)行，所取的是12 月份的調(diào)查數(shù)據(jù)。在課前將問卷下發(fā)，涉及到課前、課間、下課前需要填寫的內(nèi)容，提前示意學(xué)生去填寫相關(guān)問題。為提高問卷反饋的有效性，針對問卷中部分內(nèi)容對受試者進(jìn)行講解與培訓(xùn)，由于學(xué)生的個體差異，剔除掉對環(huán)境變化反應(yīng)極度敏感與極度不敏感的樣本[9]，共回收有效問卷共431 份。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 12 月份室內(nèi)CO2 濃度值的逐時變化

為更全面、準(zhǔn)確地判斷一天內(nèi)教室CO2的濃度變化，了解不同時間段自然教室內(nèi)CO2濃度的變化情況，將對312 教室從上午7:42-9:25 和9:40-12:00，下午13:40-15:15，晚上18:55-21:00 這四個時間段進(jìn)行詳細(xì)分析，教室均為上課狀態(tài)。室內(nèi)CO2的逐時變化情況如圖2 所示，當(dāng)天室內(nèi)平均溫度在16.5 ℃，溫度相對較低，室內(nèi)CO2濃度值總體呈上升趨勢。由于夜晚沒有人員活動，因此清晨教室的CO2濃度與室外CO2濃度相差不是很大。隨著學(xué)生陸續(xù)的進(jìn)入，CO2濃度持續(xù)上升。隨著上課的進(jìn)行平均CO2濃度從430 ppm 升至3379 ppm，CO2濃度超標(biāo)嚴(yán)重，室內(nèi)明顯感覺悶熱。在11:20 左右CO2濃度開始逐漸下降，主要是因?yàn)閷W(xué)生的活動使11:20 之后教室后門開了一半，使教室通風(fēng)量增加，教室聚集的CO2開始稀釋，從最高值3332 ppm 降低至2324 ppm，說明開窗通風(fēng)能明顯降低室內(nèi)CO2濃度，但通過現(xiàn)場觀察，并沒有人會主動開啟門窗來改善教室空氣品質(zhì)。

圖3 12 月10 日室內(nèi)CO2 濃度和空氣溫度的逐時變化

下午前兩節(jié)課CO2濃度從1257 ppm 迅速上升到了4140 ppm，平均值為2916 ppm。由于午休時段隨著人員密度的減少以及開門通風(fēng)的原因，才使得CO2從比較低的濃度開始上升，但上課時門窗緊閉，上課人數(shù)多，導(dǎo)致CO2濃度持續(xù)升高。晚上從18:55-9:00，CO2濃度從1813 ppm 上升到4648 ppm，平均值為3467 ppm。在19:50-20:00 這個時間段產(chǎn)生波動，主要原因是課間大部分學(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)課開始又持續(xù)上升，期間同學(xué)們感到頭暈，注意力開始分散。因?yàn)槿斓氖覂?nèi)溫度較低，門窗基本處于緊閉的狀態(tài)，所以導(dǎo)致室內(nèi)CO2濃度一直處于很高狀態(tài)，平均濃度為2800 ppm 左右。

2.2 3 月份室內(nèi)CO2 濃度值的逐時變化

在3 月5-6 日，同樣為供暖季節(jié)在上課期間對312教室進(jìn)行測試。室內(nèi)CO2濃度變化如圖3 所示，天氣回暖，室內(nèi)外溫度相對升高，會出現(xiàn)學(xué)生主動開門窗通風(fēng)的現(xiàn)象，室內(nèi)換氣次數(shù)增加，CO2濃度減小。相較于12 月份的數(shù)據(jù)，3 月份CO2濃度變化曲線比較曲折，主要原因是室內(nèi)通風(fēng)換氣增加，使室內(nèi)空氣流動加快。如圖3（a）所示，在3 月5 日室內(nèi)平均溫度為21.3 ℃，最高溫度達(dá)到23.1 ℃，可見CO2濃度均未超過1800 ppm，平均濃度為1315 ppm。如圖3（b）所示，在3 月6 日室內(nèi)平均溫度為21.9 ℃，最高溫度達(dá)到23.7 ℃，最低溫度為16 ℃，出現(xiàn)在早晨剛上課時段，所以上午前兩節(jié)課室內(nèi)溫度較低，教室門窗處于關(guān)閉狀態(tài)，室內(nèi)通風(fēng)換氣量較少，CO2濃度升高較快，最高達(dá)到2755 ppm，三四節(jié)課溫度回升，有主動開窗通風(fēng)現(xiàn)象，CO2濃度迅速下降，之后基本保持在1500 ppm 左右。3 月5-6 日這兩天的室內(nèi)平均溫度都在23 ℃左右，室內(nèi)相對來說較暖些，開窗通風(fēng)使室內(nèi)CO2濃度維持在1400 ppm 左右。

圖3 3 月室內(nèi)CO2 濃度和溫度的逐時變化

由此可見，與12 月份的數(shù)據(jù)相比較，開窗通風(fēng)能有效改善室內(nèi)空氣環(huán)境，使室內(nèi)CO2濃度保持在相對較低的狀態(tài)，但前提是在比較暖的環(huán)境下，在12 月份的天氣狀況下，上課時開窗通風(fēng)是不可行的，所以借助通風(fēng)設(shè)備來增加換氣是非常有必要。

2.3 室內(nèi)風(fēng)速與室內(nèi)CO2 濃度變化的關(guān)系

為研究風(fēng)速對室內(nèi)CO2的影響，分別在12 月10-12 日同樣以312 作為測試對象，測試時間為18:40-21:00。室內(nèi)CO2 濃度變化與室內(nèi)風(fēng)速之間的擬合關(guān)系如圖4 所示。10、11、12 日的平均風(fēng)速分別為0.015 m/s、0.099 m/s，0.050 m/s。由擬合關(guān)系圖可以看出，在10 日平均風(fēng)速最低，CO2濃度分布在2000～3000 ppm，平均濃度為3467 ppm，在11 日風(fēng)速最高，CO2濃度分布在1200～1800 ppm，平均濃度為1768 ppm，兩者之間相差1699 ppm，說明在室內(nèi)人數(shù)相等的前提下，風(fēng)速越高，CO2濃度越低。所以適當(dāng)?shù)耐L(fēng)能夠很好的改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場觀察來看，10 日室內(nèi)玻璃明顯有霧氣，偶爾見學(xué)生有脫掉外套的現(xiàn)象，室內(nèi)空氣比較污濁。在11 日測試期間，大部分學(xué)生反應(yīng)室內(nèi)比較冷，有小風(fēng)嗖嗖的感覺，衣服裹的比較嚴(yán)實(shí)。所以在增大通風(fēng)的同時，必定會損失室內(nèi)熱量，降低室內(nèi)的熱舒適度。

圖4 室內(nèi)風(fēng)速與CO2 濃度關(guān)系圖

2.4 室內(nèi)CO2 通風(fēng)量的計(jì)算

關(guān)于教室內(nèi)通風(fēng)量的計(jì)算，參照孫越霞等[10]的通風(fēng)量計(jì)算方式，采用上升法來計(jì)算換氣次數(shù)。具體的計(jì)算公式如下：

式中：Vz為房間體積，m3；F 為CO2釋放量，m3/h；N 為換氣次數(shù)，h-1；c1為Δτ 時間段初始的CO2體積分?jǐn)?shù)，10-6；c0為室外CO2的體積分?jǐn)?shù)，10-6。R 為人員呼吸比，取0.83；H 為身高，m；W 為體重，kg；M 為新陳代謝率，met。

由問卷信息得到人員身高，體重以及代謝率的值，計(jì)算出F=0.015 m3/h。取312 教室體積為365 m3，多次取不同的時間間隔計(jì)算換氣次數(shù)，但經(jīng)計(jì)算得出的室內(nèi)換氣次數(shù)基本在-0.58～0.13 之間。分析原因由于測試教室每次的上課人數(shù)比較多，而上課時又緊閉門窗，可見教室實(shí)際的通風(fēng)換氣量很少，基本上可以認(rèn)為沒有換氣，所以上述公式對于通風(fēng)量如此小的教室來說不適用。

2.5 PMV、PPD 熱舒適評價及熱感覺調(diào)查

圖5 為12 月份教室內(nèi)上午一二節(jié)課PMV、PPD的變化圖。依據(jù)Fanger[11]提出的PMV 熱舒適指標(biāo)，各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如人體活動量取靜坐時M=58.15 W/m2，服裝熱阻值取Icl=1.56 m2/W，其余變量都是由實(shí)驗(yàn)測得。如圖5 所示，PMV 值逐漸升高，由起初的-1.5（涼）逐漸趨向于0（適中），變化不是很明顯。PPD 逐漸下降，由起初的50%左右的不滿意率逐漸降低至5%左右，感覺不滿意的比率大幅下降。這主要是因?yàn)殡S著上課的進(jìn)行，室內(nèi)溫度上升，大多數(shù)人能夠適應(yīng)教室的熱環(huán)境，不滿意人數(shù)相對減少。

圖5 12 月份教室內(nèi)PMV、PPD 變化曲線圖

熱感覺投票采用ASHRAE7 點(diǎn)標(biāo)尺（-3 冷、-2 涼、-1 微涼、0 適中、1 稍暖、2 暖、3 熱）。關(guān)于熱感覺的調(diào)查分為三個階段來填寫，分別是課前、課間、下課前。由圖6 可見，隨著上課的進(jìn)行感覺冷的比例稍稍降低，感覺暖的人數(shù)在增加，說明人們對教室的熱環(huán)境開始逐漸適應(yīng)，但仍有多數(shù)人的熱感覺在微涼以下，該調(diào)查結(jié)果與計(jì)算所得的PMV 值的變化曲線所得結(jié)果基本一致。

圖6 12 月份教室內(nèi)熱感覺變化圖

2.6 瞌睡情況調(diào)查

在調(diào)查學(xué)生上課期間的瞌睡情況時，由于瞌睡情況與學(xué)生當(dāng)時的身體狀況、昨晚的睡眠質(zhì)量、飲食攝入量等因素有關(guān)，綜合以上因素，將身體狀態(tài)極差的與睡覺晚于凌晨等的樣本剔除，對剔除后的樣本進(jìn)行分析處理如圖7 所示。

圖7 學(xué)生上課瞌睡原因分布圖

一般情況下，學(xué)生在上課無聊與睡眠不好時會比較容易犯困。由調(diào)查結(jié)果看出，因上課無聊而犯困的只占13.8%，沒睡好的占19.85%，只有5.57%的學(xué)生上課不會打瞌睡，大多數(shù)學(xué)生反應(yīng)教室太悶或太暖時會打瞌睡，分別占38.9%和18.7%，說明教室的通風(fēng)對學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)有很大的影響。

2.7 開窗及窗戶開度調(diào)查

關(guān)于學(xué)生對開窗意愿的調(diào)查結(jié)果見圖8～9。上述有學(xué)生反應(yīng)教室太悶太熱的時候容易犯困，并且對室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行評價時有56.37%的學(xué)生對室內(nèi)空氣不太滿意，基于此調(diào)查仍有62.54%的學(xué)生不希望開窗通風(fēng)，有27.72%的人選擇開距離自己較遠(yuǎn)的窗戶。說明很少有人會以犧牲熱舒適度為代價來進(jìn)行開窗通風(fēng)。針對開窗的情況，有一個窗戶開度的調(diào)查，仍有37%的人選擇不開窗，有一半的人選擇開大約手掌寬度的縫隙，說明大多數(shù)人還是有意識想去改善一下室內(nèi)空氣質(zhì)量，窗戶適當(dāng)?shù)拈_一點(diǎn)縫隙，是可采取的最簡單有效的措施。

圖8 開窗情況調(diào)查

圖9 窗戶開度調(diào)查

3 結(jié)論

針對濟(jì)南市某高校采暖季自然通風(fēng)教室室內(nèi)環(huán)境狀況的測量和問卷分析得出：

1）12 月份室內(nèi)平均溫度為16.5 ℃，室內(nèi)比較冷，門窗基本處于緊閉狀態(tài)。室內(nèi)CO2濃度較高，平均濃度為2800 ppm 左右。3 月份室內(nèi)平均溫度為23 ℃，室內(nèi)溫度相對12 月份較高，有主動開門窗通風(fēng)的現(xiàn)象，室內(nèi)CO2平均濃度為1400 ppm 左右。

2）隨著上課的進(jìn)行，室內(nèi)溫度增加，感覺冷的人數(shù)比例稍稍降低，感覺暖的人數(shù)在增加。

3）經(jīng)調(diào)查，有38.9%的學(xué)生反應(yīng)教室太悶的情況下比較容易犯困，室內(nèi)較悶成為瞌睡的原因之一。

綜上，CO2濃度越高，室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量越差，學(xué)生的學(xué)習(xí)的效率越低，開窗通風(fēng)是改善室內(nèi)空氣品質(zhì)最簡單有效的措施。但是很少有人會以犧牲熱舒適為代價去主動開窗通風(fēng)，并且在較冷的環(huán)境下大部分人都不希望開窗。在調(diào)查結(jié)果中，32.52%的學(xué)生希望使用通風(fēng)換氣機(jī)，43.17%的學(xué)生希望使用空氣凈化器，24.31%的學(xué)生希望開窗通風(fēng)，并且該教學(xué)樓全部未采用任何的通風(fēng)系統(tǒng)，所以結(jié)合實(shí)驗(yàn)及問卷，提出了以下幾種建議：

1）自然通風(fēng)：在下課期間或者在上課前打開教室門窗來進(jìn)行通風(fēng)，以減少室內(nèi)CO2含量。由于課間時間較短，室內(nèi)CO2濃度變化不是很明顯，因此還是建議在下課之后或者在午休期間開窗通風(fēng)，防止CO2濃度過高，上課時再將門窗關(guān)閉。高校可以在窗戶上張貼及時開窗通風(fēng)的標(biāo)語，提醒學(xué)生經(jīng)常開窗通風(fēng)換氣。

2）機(jī)械通風(fēng)：為了正確處理室內(nèi)熱舒適與空氣質(zhì)量之間的矛盾，也可以從通風(fēng)換氣機(jī)方面考慮。使其能在不開窗情況下實(shí)現(xiàn)室內(nèi)外空氣不間斷循環(huán)置換，是目前解決室內(nèi)換氣通風(fēng)最有效方法，如采用通風(fēng)窗。