济南某高校教室室内环境测试与问卷调查

赵莹莹 宋金峰 郝振凯 周升迪 李天一 刘吉营、2、3*

1 山东建筑大学热能工程学院

2 可再生能源建筑利用技术教育部重点实验室

3 山东省可再生能源建筑应用技术重点实验室

0 引言

教室作为学生学习和活动的主要场所，具有使用时间长、人员密度高等特点，教室内的空气环境品质与学生的健康、舒适等息息相关[1-2]。当人长时间处于CO2体积分数较高的环境中时，人的呼吸系统、循环系统、大脑器官的机能将受到很大影响[2-4]。美国LEEED 认证标准中认为室内空气品质会直接影响学生的学习效率。诸多的学者也对教室的空气品质以及通风量进行了研究，黄衍等[5]提出对于教室内CO2浓度超标的问题，仅靠自然通风不能完全解决室内的通风不足问题。邓大跃[6]提出CO2浓度过高，会严重影响学生的学习，降低课堂教学效果。徐菁[4]针对小学教室冬季室内热环境进行测试，教室室内热环境在冬季大部分时间内并不舒适，长此以往会严重影响学生的身心健康及学习效率。

尤其对于北方的冬季，供暖时期能耗较高，所以设计时其门窗的气密性也较高，通过渗透作用进入室内的新风量很少，同时教室里也没有独立的通风系统，紧闭的门窗导致室内空气品质更加的恶劣[2-3]。若室内气温骤变或者空气不够流通，容易使学生精神不振，注意力不集中，引起流行性疾病。济南供暖期既是雾霾频发的季节又是流感频发的季节，合理的通风换气至关重要。截止目前，对寒冷地区冬季采暖季节自然通风教学楼通风的研究较少，一次论文对济南某高校自然通风教室室内进行客观与主观的调查分析，结合室内CO2浓度的变化以及学生的瞌睡与开窗意愿的情况，提出相应的通风改善措施。

1 实验方法

1.1 测试对象及时间

济南市供暖时间为每年11 月15 日至次年3 月15 日，测试时间选在2018 年12 月中旬和3 月初。测试教学楼位于山东建筑大学内，教学楼共6 层，教室约50 个，教室采用暖气片集中供暖。全楼采用自然通风。该实验选择最具代表性的中间层312 教室作为测试对象，被测教室共有座位150 个，属于多媒体教室。

该实验测试的主要内容包括测试室内CO2浓度，温度，湿度，风速，黑球温度以及墙体的辐射温度。测试时间及当天天气状况见表1。

表1 测试当天气象参数

1.2 测试仪器及测点布置

表2 为主要测试仪器及参数。根据《室内空气质量标准》（GB/T 18883-2002）中室内空气采样布点的要求，在被测教室布置3 个采样点，3 个采样点呈对角线分布，测点距离墙壁为1 m，采样点高度为1.0 m，即坐姿下人体呼吸带位置[7-8]。风速，黑球温度以及墙体的辐射温度测试仪布置在无人干扰的教室过道，其目的主要计算教室内的PMV，测试时间间隔为5 min，其余参数的测试时间间隔为1 min。该实验测试教室的平面布置图如图1 所示。

表2 主要测试仪器及参数

图1 测试教室平面图

1.3 调查问卷

问卷调查与实验测试同步进行，所取的是12 月份的调查数据。在课前将问卷下发，涉及到课前、课间、下课前需要填写的内容，提前示意学生去填写相关问题。为提高问卷反馈的有效性，针对问卷中部分内容对受试者进行讲解与培训，由于学生的个体差异，剔除掉对环境变化反应极度敏感与极度不敏感的样本[9]，共回收有效问卷共431 份。

2 实验结果与分析

2.1 12 月份室内CO2 浓度值的逐时变化

为更全面、准确地判断一天内教室CO2的浓度变化，了解不同时间段自然教室内CO2浓度的变化情况，将对312 教室从上午7:42-9:25 和9:40-12:00，下午13:40-15:15，晚上18:55-21:00 这四个时间段进行详细分析，教室均为上课状态。室内CO2的逐时变化情况如图2 所示，当天室内平均温度在16.5 ℃，温度相对较低，室内CO2浓度值总体呈上升趋势。由于夜晚没有人员活动，因此清晨教室的CO2浓度与室外CO2浓度相差不是很大。随着学生陆续的进入，CO2浓度持续上升。随着上课的进行平均CO2浓度从430 ppm 升至3379 ppm，CO2浓度超标严重，室内明显感觉闷热。在11:20 左右CO2浓度开始逐渐下降，主要是因为学生的活动使11:20 之后教室后门开了一半，使教室通风量增加，教室聚集的CO2开始稀释，从最高值3332 ppm 降低至2324 ppm，说明开窗通风能明显降低室内CO2浓度，但通过现场观察，并没有人会主动开启门窗来改善教室空气品质。

图3 12 月10 日室内CO2 浓度和空气温度的逐时变化

下午前两节课CO2浓度从1257 ppm 迅速上升到了4140 ppm，平均值为2916 ppm。由于午休时段随着人员密度的减少以及开门通风的原因，才使得CO2从比较低的浓度开始上升，但上课时门窗紧闭，上课人数多，导致CO2浓度持续升高。晚上从18:55-9:00，CO2浓度从1813 ppm 上升到4648 ppm，平均值为3467 ppm。在19:50-20:00 这个时间段产生波动，主要原因是课间大部分学生出教室造成通风量增加以及室内CO2源减少所致，第二节课开始又持续上升，期间同学们感到头晕，注意力开始分散。因为全天的室内温度较低，门窗基本处于紧闭的状态，所以导致室内CO2浓度一直处于很高状态，平均浓度为2800 ppm 左右。

2.2 3 月份室内CO2 浓度值的逐时变化

在3 月5-6 日，同样为供暖季节在上课期间对312教室进行测试。室内CO2浓度变化如图3 所示，天气回暖，室内外温度相对升高，会出现学生主动开门窗通风的现象，室内换气次数增加，CO2浓度减小。相较于12 月份的数据，3 月份CO2浓度变化曲线比较曲折，主要原因是室内通风换气增加，使室内空气流动加快。如图3（a）所示，在3 月5 日室内平均温度为21.3 ℃，最高温度达到23.1 ℃，可见CO2浓度均未超过1800 ppm，平均浓度为1315 ppm。如图3（b）所示，在3 月6 日室内平均温度为21.9 ℃，最高温度达到23.7 ℃，最低温度为16 ℃，出现在早晨刚上课时段，所以上午前两节课室内温度较低，教室门窗处于关闭状态，室内通风换气量较少，CO2浓度升高较快，最高达到2755 ppm，三四节课温度回升，有主动开窗通风现象，CO2浓度迅速下降，之后基本保持在1500 ppm 左右。3 月5-6 日这两天的室内平均温度都在23 ℃左右，室内相对来说较暖些，开窗通风使室内CO2浓度维持在1400 ppm 左右。

图3 3 月室内CO2 浓度和温度的逐时变化

由此可见，与12 月份的数据相比较，开窗通风能有效改善室内空气环境，使室内CO2浓度保持在相对较低的状态，但前提是在比较暖的环境下，在12 月份的天气状况下，上课时开窗通风是不可行的，所以借助通风设备来增加换气是非常有必要。

2.3 室内风速与室内CO2 浓度变化的关系

为研究风速对室内CO2的影响，分别在12 月10-12 日同样以312 作为测试对象，测试时间为18:40-21:00。室内CO2 浓度变化与室内风速之间的拟合关系如图4 所示。10、11、12 日的平均风速分别为0.015 m/s、0.099 m/s，0.050 m/s。由拟合关系图可以看出，在10 日平均风速最低，CO2浓度分布在2000～3000 ppm，平均浓度为3467 ppm，在11 日风速最高，CO2浓度分布在1200～1800 ppm，平均浓度为1768 ppm，两者之间相差1699 ppm，说明在室内人数相等的前提下，风速越高，CO2浓度越低。所以适当的通风能够很好的改善室内空气品质。从实验现场观察来看，10 日室内玻璃明显有雾气，偶尔见学生有脱掉外套的现象，室内空气比较污浊。在11 日测试期间，大部分学生反应室内比较冷，有小风嗖嗖的感觉，衣服裹的比较严实。所以在增大通风的同时，必定会损失室内热量，降低室内的热舒适度。

图4 室内风速与CO2 浓度关系图

2.4 室内CO2 通风量的计算

关于教室内通风量的计算，参照孙越霞等[10]的通风量计算方式，采用上升法来计算换气次数。具体的计算公式如下：

式中：Vz为房间体积，m3；F 为CO2释放量，m3/h；N 为换气次数，h-1；c1为Δτ 时间段初始的CO2体积分数，10-6；c0为室外CO2的体积分数，10-6。R 为人员呼吸比，取0.83；H 为身高，m；W 为体重，kg；M 为新陈代谢率，met。

由问卷信息得到人员身高，体重以及代谢率的值，计算出F=0.015 m3/h。取312 教室体积为365 m3，多次取不同的时间间隔计算换气次数，但经计算得出的室内换气次数基本在-0.58～0.13 之间。分析原因由于测试教室每次的上课人数比较多，而上课时又紧闭门窗，可见教室实际的通风换气量很少，基本上可以认为没有换气，所以上述公式对于通风量如此小的教室来说不适用。

2.5 PMV、PPD 热舒适评价及热感觉调查

图5 为12 月份教室内上午一二节课PMV、PPD的变化图。依据Fanger[11]提出的PMV 热舒适指标，各项实验参数如人体活动量取静坐时M=58.15 W/m2，服装热阻值取Icl=1.56 m2/W，其余变量都是由实验测得。如图5 所示，PMV 值逐渐升高，由起初的-1.5（凉）逐渐趋向于0（适中），变化不是很明显。PPD 逐渐下降，由起初的50%左右的不满意率逐渐降低至5%左右，感觉不满意的比率大幅下降。这主要是因为随着上课的进行，室内温度上升，大多数人能够适应教室的热环境，不满意人数相对减少。

图5 12 月份教室内PMV、PPD 变化曲线图

热感觉投票采用ASHRAE7 点标尺（-3 冷、-2 凉、-1 微凉、0 适中、1 稍暖、2 暖、3 热）。关于热感觉的调查分为三个阶段来填写，分别是课前、课间、下课前。由图6 可见，随着上课的进行感觉冷的比例稍稍降低，感觉暖的人数在增加，说明人们对教室的热环境开始逐渐适应，但仍有多数人的热感觉在微凉以下，该调查结果与计算所得的PMV 值的变化曲线所得结果基本一致。

图6 12 月份教室内热感觉变化图

2.6 瞌睡情况调查

在调查学生上课期间的瞌睡情况时，由于瞌睡情况与学生当时的身体状况、昨晚的睡眠质量、饮食摄入量等因素有关，综合以上因素，将身体状态极差的与睡觉晚于凌晨等的样本剔除，对剔除后的样本进行分析处理如图7 所示。

图7 学生上课瞌睡原因分布图

一般情况下，学生在上课无聊与睡眠不好时会比较容易犯困。由调查结果看出，因上课无聊而犯困的只占13.8%，没睡好的占19.85%，只有5.57%的学生上课不会打瞌睡，大多数学生反应教室太闷或太暖时会打瞌睡，分别占38.9%和18.7%，说明教室的通风对学生的学习状态有很大的影响。

2.7 开窗及窗户开度调查

关于学生对开窗意愿的调查结果见图8～9。上述有学生反应教室太闷太热的时候容易犯困，并且对室内空气品质进行评价时有56.37%的学生对室内空气不太满意，基于此调查仍有62.54%的学生不希望开窗通风，有27.72%的人选择开距离自己较远的窗户。说明很少有人会以牺牲热舒适度为代价来进行开窗通风。针对开窗的情况，有一个窗户开度的调查，仍有37%的人选择不开窗，有一半的人选择开大约手掌宽度的缝隙，说明大多数人还是有意识想去改善一下室内空气质量，窗户适当的开一点缝隙，是可采取的最简单有效的措施。

图8 开窗情况调查

图9 窗户开度调查

3 结论

针对济南市某高校采暖季自然通风教室室内环境状况的测量和问卷分析得出：

1）12 月份室内平均温度为16.5 ℃，室内比较冷，门窗基本处于紧闭状态。室内CO2浓度较高，平均浓度为2800 ppm 左右。3 月份室内平均温度为23 ℃，室内温度相对12 月份较高，有主动开门窗通风的现象，室内CO2平均浓度为1400 ppm 左右。

2）随着上课的进行，室内温度增加，感觉冷的人数比例稍稍降低，感觉暖的人数在增加。

3）经调查，有38.9%的学生反应教室太闷的情况下比较容易犯困，室内较闷成为瞌睡的原因之一。

综上，CO2浓度越高，室内环境质量越差，学生的学习的效率越低，开窗通风是改善室内空气品质最简单有效的措施。但是很少有人会以牺牲热舒适为代价去主动开窗通风，并且在较冷的环境下大部分人都不希望开窗。在调查结果中，32.52%的学生希望使用通风换气机，43.17%的学生希望使用空气净化器，24.31%的学生希望开窗通风，并且该教学楼全部未采用任何的通风系统，所以结合实验及问卷，提出了以下几种建议：

1）自然通风：在下课期间或者在上课前打开教室门窗来进行通风，以减少室内CO2含量。由于课间时间较短，室内CO2浓度变化不是很明显，因此还是建议在下课之后或者在午休期间开窗通风，防止CO2浓度过高，上课时再将门窗关闭。高校可以在窗户上张贴及时开窗通风的标语，提醒学生经常开窗通风换气。

2）机械通风：为了正确处理室内热舒适与空气质量之间的矛盾，也可以从通风换气机方面考虑。使其能在不开窗情况下实现室内外空气不间断循环置换，是目前解决室内换气通风最有效方法，如采用通风窗。