刍议教室CO2浓度实时监控及自动改善系统

张熙

摘要：本项目在分析有关教室环境监测文献的基础上，确定CO2浓度是影响教室微环境的主要因素之一，并利用传感器对教室CO2浓度实时监控，进行自动改善。

关键词：教室微环境；CO2浓度；实时监控；自动改善系统

中图分类号：G427文献标识码：A 文章编号：1992-7711（2013）09-085-2

一、问题的提出

当前，环境问题越来越引起社会的重视，保护环境，创设绿色家园成为大家共同努力的目标。在学校中，关于保护环境的宣传也越来越多，同学们的环保意识也逐渐增强，学校的环境变得越来越好。但是，在轰轰烈烈宣传、践行环境保护的同时，教室——学生学习活动的重要场所的环境问题却被大家忽视了。据不完全统计，高中学生一天在教室中学习、活动的时间接近10小时，教室环境的状况将直接影响到学生的身体发育、健康和学习效果。

但当前的教室环境现状却不容乐观，利用中国期刊网以“教室环境”为关键词，进行全文检索，得到文献40余篇，这些文献均来自卫生监督部门、环境部门或预防医学专业的相关人士对教室环境的监测，其抽测的教室中有60%存在环境问题。而上述文献，也只是对教室环境改善提出建议，如采取开窗通风降低CO2浓度等措施，但事实上很多情况下，比如在夏冬季节，许多发达地区的教室内都装有空调，是否能及时开启门窗通风以使教室中CO2浓度低于规定的浓度不得而知。另一方面，已有对教室环境的监测缺乏连续性，其监测结果也没有引起教育行政部门、学校的重视，学生更是对此一无所知。

当我们在教室上课或自习时，有同学会犯困，除了学习态度、休息不好等原因，是否与教室中CO2浓度超标有关？面对这个问题，我们除了要对教室CO2浓度进行定期或实时监测外，还要考虑如何有效地改善教室中的环境问题。

二、教室微环境的文献综述

利用中国知网，以关键词“学校教室环境监测”、“教室微环境”、“实时监测”进行全文检索，共获得相关文献45篇。

（1）以“教室微环境”为关键词进行全文检索获得相关文献4篇，仅《天津市某中学教室内微环境污染研究》（2004年）与本课题有一定相关性。

（2）以“教室微环境实时监测”为关键词进行全文检索获得相关文献0篇。

（3）以“学校教室环境监测”为关键词进行全文检索获得相关文献40篇。

这些文章均为卫生监督管理部门、环保部门或预防医学工作者对教室环境监测结果的分析为主。

上述文献均以检测报告形式呈现对教室（包括中小学和高校）环境的检测结果，并提出了部分改进意见。潘庆仲、张爱芹对影响教室空气环境卫生质量的主成分分析得出影响教室空气卫生质量的主要指标，风速、CO2、噪声是决定第一主成分的主要指标。余志琪等对3所高校教室空气质量进行检测，抽取兰州市3所高校的40间教室，对室内的温度、湿度、风速、CO、CO2、甲醛、可吸入颗粒物、空气细菌总数共8项指标进行检测，结果检测期间教室内污染较严重的是可吸入颗粒物和CO2，指出控制教室内CO2的含量至关重要。何伦发等研究指出新风量不足，呼吸产生的CO2可造成室内CO2含量严重超标，影响学生学习，降低课堂教学效果。另有研究对天津地区的某中学教室内的环境污染物采用便携式红外线分析仪测试教室内CO2的含量。CO2室内含量超标，CO2是由教室内人的呼吸产生的，室内含量高的主要原因是人员密度大，通风差；室内CO2浓度偏高，在上课的大部分时间内教室的平均CO2浓度都大于国家规定的标准值，只有课间休息CO2浓度才低于标准值。

上述文献的研究都认为CO2浓度是教室环境问题的主要因素之一，几乎所有的教室环境检测报告均指出教室环境存在污染情况，为什么出现这样的结论？简析原因，一方面，学校、教师、学生对教室微环境缺少认识，加之学生在校学习时间长（尤其是高中），有的班级学生人数多，以及没有重视开窗通风，导致教室微环境出现污染；另一方面，教室微环境出现CO2浓度过高的时间不固定，受到外界自然环境的影响。

要持久改善教室微环境，使室内CO2浓度达标的有效措施是对教室微环境进行实时监测和自动改善。

“教室CO2浓度实时监控及自动改善系统”设计项目的创新点就是应用传感器技术和自动控制技术，对教室CO2浓度和室内光强度进行“实时监测、自动改善”，本项目在国内尚无同类研究。

三、设计目的和基本思路

设计目的：引起大家对教室微环境的重视，并对影响学习效率和生长发育的主要环境指标之一CO2浓度进行实施监测，当指标超出正常值时实施自动改善措施（如换气等），尤其适用于秋冬季节（室外气候条件不适宜开窗换气时）。

设计基本思路：在教室里分布监测点，对教室内的CO2浓度进行监测，并结合监测结果启动教室微环境改善系统。

四、工作原理

采用CO2传感器对教室CO2浓度进行适时监测。

一旦教室内CO2含量达到极限值，通过CO2传感器的监测变化来输出电频，并用三极管的放大效应激活继电器，控制排气扇运行。

TGS4160二氧化碳传感器是一种内含热敏电阻的混合式CO2敏感元件。该元件在两个电极之间充有阳离子固体电解质。它的阴极由锂碳酸盐和镀金材料制成，而阳极是镀金材料。该敏感元件的基衬是用对苯二酯聚乙烯和玻璃纤维加固，然后采用不锈钢网做圆柱型封装。元件的内层采用100目双层不锈钢网套在镀镍铜环上，并用高强度树脂粘合剂与基衬固定在一起。其外层顶盖上又罩上了一层60目的不锈钢网。为了达到降低干扰气体影响的目的，TGS4160在内外两层不锈钢网之间还填充有吸附材料（沸石）。传感器的6个引脚通过0.1mm的箔导线与内部相连。其等效的内部结构见图1所示。图中，阳极与传感器的第3脚S（+）相连，阴极与传感器的第4脚S（-）相连，Pt加热器与传感器的第1，6脚相连，内部热敏电阻与传感器的第2，5脚相连。内部热敏电阻的作用是通过该电阻探测环境温度，以便对该传感器进行温度补偿，从而使校正后的测量值更加准确。

五、应用前景

这件作品的成功设计具有现实意义。设计理念符合现代科技的发展方向，更加环保，更加自动化、人性化。在自动实时监控和改善教室CO2浓度这一微环境问题上提出了可行的技术方案，并成功根据原理设计了作品。本作品涉及到化学、物理、机电等多个学科，创新性地解决了学校教室这一人员密集区域的微环境中自动改善问题，可以引起研究人员和有关部门对该项目的高度关注，有利于广大在校学生的身心健康，制作成产品当具有巨大的经济和社会效益，项目研究具有很强的现实意义。