绿色建筑背景下教学楼室内空气质量评价与改进探讨

2021-03-11张一鸣张龙武常逸航

绿色科技 2021年2期

张一鸣，张龙武，常逸航，韩龙，王晋

(西北工业大学力学与土木建筑学院，陕西西安 710002)

1 引论

随着全球气候环境的不断恶化以及常规的高能耗建筑的发展，保护环境与节约资源已经成了全球面临的重要课题。1999年，中国科学院就发布了《中国可持续发展战略报告》，2016年国务院更是印发《“十三五”生态环境保护规划》，其中强调全力推进大气、水、土壤污染的防治工作，其中空气污染因其多样性、积累性、长期性等特性，尤为受到重视[1]。

20世纪以来，在“科教兴国”的大背景下，我国的教育事业稳步发展，学校数量和面积都快速增加。然而我国绿色校园建设起步较晚，发展相对落后，1996年“绿色校园”词才在《全国环境宣传教育行动纲要(1996-2010年)》中出现，校园建设在节能、环境质量等方面仍然存在很多不足[2]。以前对教学建筑的研究方向主要是在校园的整体规划和对教学楼的外形设计上，更多注重的是对教室的视、声环境方面的设计之上，对于教室内空气质量则并没有引起建筑师太多的注意。在校园生活中，教学楼是师生进行学习工作的主要场景。据统计，学生平均有30%～40%的时间在教学楼里度过[3]，然而研究表明，教室的生物性污染会引起呼吸道疾病[4]，化学性污染不仅会降低师生的学习效率，更会对呼吸系统、神经系统、心血管系统造成伤害，严重者可能会出现昏迷休克等症状[5]。

所以应对校园教学楼室内空气质量进行相关研究，汇总有关教学楼空气质量评价与改进的经验，得出针对性的总结与规律，以期为后期的研究提供参考。

2 教学楼室内空气质量研究概要

2.1 国外教学楼室内空气质量研究概要

国外关于室内空气质量问题的报道最早出现在20世纪60年代末期，研究内容主要是关于各种呼吸性健康疾病。1973年，日本制定了《关于确保建筑物中卫生的法律》，对于特殊设计的建筑物制定了建筑物环境卫生管理标准，欧洲国家陆续颁布相关政策对室内一些无机污染物如石棉、氡、一氧化碳、二氧化碳等进行控制。1983年，四届卫生组织提出病态建筑综合症(SBS)后，室内空气品质(IAQ)越来越受关注，有许多研究机构投巨资建立了专门用于室内环境研究的实验室，比较有名的如：美国劳伦斯伯克利实验室、丹麦技术大学的室内环境和能源国际中心[6]。丹麦技术大学和捷克技术大学的学者对利用人体呼出作为示踪气体测量通风量进行了深入的研宄，在日本和德国有研究者利用该方法测量室内通风量[7]。

2003年，在对希腊雅典地区的15所学校建筑的实验研究中，测量了各种污染物(如CO2、CO、TVOC、HCHO和radon)的浓度水平和每个教室内部温度，相对湿度和空气速度，同时通过使用示踪气体技术检查通风情况。室内测得有毒污染物浓度均低于相对限值，且不会对学生造成任何影响。但二氧化碳浓度经常高过建议的限值，与人数及其活动密切相关[8]。考虑到学校建筑中的自然通风问题，在节能和舒适性的要求下，又有学者对教室中的二氧化碳浓度进行了长期的监测。结果显示IAQ的临界值在多数时间里远高于标准规定的限值，而污染主要是由于人员的存在而引起的。有学者建议通过适当的手动通风能有效改善室内空气质量，但在深入研究后发现在学校应用中进行精确的通风管理是行不通的：该方案需要在每个教室中安装仪器监测IAQ状况，使老师有意识的参与进来，以促进每个教室的有意识通风[9]。

2.2 国内教学楼室内空气质量研究概要

我国关于室内空气质量有关问题的研究始于20世纪80年代，并在1988年颁布了第一套较为完善的公共场所室内卫生标准。1996年又以新的标准代替了1988年颁布的同类标准，主要增加了对甲醛的控制标准。2003年3月1日，我国首部《空气质量标准》由国家质量监督检验总局、国家环保总局和卫生部制定并颁布实施。非典过后，室内空气质量问题越发引起关注。2005年，学者比较了国内外室内环境研究的状况并提出了我国当时情况下的IAQ对策，指出了现行《大气污染防治法》中缺乏室内空气污染防治相关内容的问题[10]。

随着理论基础及相关标准的不断完善，有关高校校园的空气质量研究也稳步进行，研究中最为常见的内容是寒冷地区高校在采暖季节的空气质量情况。经研究发现：二氧化碳是影响高校室内空气品质重要指标，人员密度过大以及通风不足极其容易造成二氧化碳浓度偏高。对于教室而言：自习状态下的空气质量明显优于上课状态，人员密度和窗口位置对室内气流分布和二氧化碳浓度扩散具有较大程度的影响[11]。

2012年，有研究调研了大学校园学生主要活动场所的室内空气中细菌含量并做出了评价[12]，在对湿度、风速、CO、CO2、甲醛、PM10、空气细菌8项指标进行检测和分析后，发现甲醛和可吸入颗粒物是最主要的空气污染内容，二氧化碳和空气细菌总数相对轻微[13]。

3 教学楼室内空气质量的污染因素

3.1 化学因素

3.1.1 CO2

CO2是影响师生工作学习效率的主要因素，通风条件相同时，当教室内人数越多，CO2的浓度也会越高，浓度在(1000 ～ 3000)×10-6内，学生感觉空气浑浊，并开始觉得昏昏欲睡，无法集中精力听讲[14]。

3.1.2 氨

氨与血红蛋白结合，破坏运输氧气功能，作为无色、具有强烈刺激性气味的碱性物质气体会对呼吸道产生刺激和腐蚀作用。室内空气中氨主要来源于有室外混凝土外加剂的使用[15]。

3.1.3 SO2

室内 SO2与在校学生湿疹、手和手臂搔痒、脸和头颈搔痒、眼睛炎症、鼻黏膜炎、喉咙干燥、头疼、恶心和容易感冒等均呈现显著性正相关。

3.1.4 NOX

作为空气污染物的氮氧化物(NOX)常指NO和NO2。氮氧化物可刺激肺部，使人较难抵抗感冒之类的呼吸系统疾病，呼吸系统有问题的人员如哮喘病患者，会较易受二氧化氮影响。经研究，室内 NOX与鼻黏膜炎、喉咙干燥、头疼、恶心、湿疹症状呈现显著性正相关[16]。

3.1.5 VOC(挥发性有机化合物)

VOC就是任何能参加大气光化学反应的有机化合物，如：苯、甲醛等，对嗅觉性有刺激。人体会通过呼吸、皮肤代谢等方式释放出VOC，是VOC的重要来源之一,所以在人口密度较大的空间里VOC的影响会更大，在教室人口过多、通风条件不好时，VOC含量可能上升、导致肺炎、干咳等病症[17]。

3.2 物理因素

固态污染物(即颗粒物污染)：包括 PM10、PM2.5等，是空气中的颗粒物，含有化学成分和生物成分，化学成分主要包括碳成分、硫酸盐、硝酸盐、重金属、有机物、矿物质等，生物成分包括—些病原微生物、细菌等，这些都会威胁人体健康。它们来自室内与室外，在教室里一般来自于室外大气中颗粒物、路上汽车尾气以及工地扬尘等。颗粒物污染会通过呼吸进入肺部，细小颗粒难以排出体外，并且颗粒物呈多孔物理结构，可吸附大量有害物质，对人体健康危害巨大[18]。

3.3 生物因素

菌落：这类污染物包括细菌、霉菌以及病毒等。这类污染物是呼吸道传播疾病的主要原因，尽管空气不适合微生物产生和生长，但人们的日常活动会导致空气中存在一些微生物，它们可以附着在颗粒物、唾沫等上，被吸入体内而引起疾病[19]。

4 教学楼室内空气质量的评价与测量

改善室内空气质量状况的最有效手段是源头进行治理和控制，因此对建筑进行评价，对建筑室内空气有统一的要求，才能更好的控制和治理源头。

4.1 客观评价法

4.1.1 指数法

指数法就是将环境实测数据与评价指标进行比较，从而判断环境空气质量的一种方法，分单因子指数法、综合指数法，使用一个或多个指数进行评价，是一种普适性较强也较为基础的室内空气质量评价方法。1998年美国提出了全球最有影响力的LEED(Leadership in Energy and Environmental Design)评价系统[20]，后又针对校园各类建筑增加了LEED for school，从全面设计、教室声学、菌落控制、空气质量等多方面进行评价。

我国的GB/T18883-2002《室内空气质量标准》中给出了对室内空气质量的基本评价标准及评价方法，是使用比较普遍的一种评价方法。后又有针对学校和绿色建筑制定的《绿色校园评价标准》GB/T51356-2019，《绿色建筑评价标准》GB/T 50378-2019，有较强针对性、强调地域适应性，但是相对发达国家的标准还是较为简单[21]。我国《中小学校设计规范》GB50099第9.1规定中小学校建筑的室内空气质量应符合现行国家标准《室内空气质量标准》GB/T18883及《民用建筑工程室内环境污染控制规范》GB 50325的有关规定。《中小学校教室换气卫生标准》GB17226规定了中小学生的必要换气量、中小学教室的换气次数、室内空气CO2容许浓度、换气方式及换气制度。具体测试方法见表1、部分工具见图1、图2、图3。

表1 室内主要污染物质检测方法的标准

图1 NOx检测装置

图2 甲醛、VOC检测装置

图3 PM2.5浓度检测装置

在所有指标中，教室类型建筑评价最多的单指数时CO2浓度，因为在上课时，室内人口密度较大容易产生过高的CO2浓度，而CO2浓度是影响使用者工作效率的重要因素，实验表明浓度过高，学生感觉空气浑浊，学习效率会大幅下降[22]。

4.1.2 复杂数学模型评价法

国家现行规范标准中对污染物指标分级浓度的表述是不连续的，但室内空气质量指标浓度的变化却是连续的，因此就造成传统的确定性数学方法用特定的分级标准去评价室内环境空气污染程度是不合适的[23]。这种评价方法在将评价指标量化后，利用模糊数学的处理方法综合考虑影响对象总体性能的各个指标 ,经过模糊变换得到每一个被评判对象的综合优劣度[24]。经过对比，这种评价可以分析出指数法无法评价出的不适感[25]。后又有灰色系统评价法，这是一种多因素统计分析方法，基本思想是通过灰色关联度来描述各个因素之间的相关性，根据序列曲线几何形状的相似程度来判断其联系是否紧密。该方法计算更简单直接，其所得结果与模糊综合评价方法所得结果基本一致[26]。

4.1.3 测试方法

客观评价的教学楼的房间数量较多，所以进行测试前，可以进行预实验，预测实验可以反映楼层、朝向、室内面积是否对空气质量有影响，之后根据预测实验的结果实验者选出几个最具代表性的教室进行深入测试。教学楼的使用时间也有明显的规律性，在上课、自习、无人使用时室内空气质量的区别较大，所以可以依据教室的入座率为标准，选择几个不同状态下进行测试[27]。

4.2 主观评价法

主观评价法是人们主观上对空气质量(IAQ)的满意度，能直接的反映使用者的主观感受，但不能很准确的反映空气质量，但仍能反映一定的空气质量情况，因此也是一项评价室内空气质量的重要指标。在主观评价时，会有很多干扰因素，如心情、环境、人文因素，都有可能会影响人们的满意度评价。而且有研究表明，人们在主观评价空气质量时，会更重视视觉和嗅觉，对可视的、可嗅的污染物感知性更强。因此主观评价法得到的数据时相对模糊的，很难量化且准确的评价空气质量，必须结合客观评价方法才能得到比较可靠的结论。

测试方法：主观调查主要是以问卷调查为主，调查问卷内容主要包括教室内基本信息、学生对教室空气质量满意程度、教室的异味情况、学生健康情况、门窗的通风情况等，为保证主观感受与客观条件的匹配，一般在客观测试的同时发放调查问卷，客观测试结束回收试卷，并且对每组数据进行编号[28]。之后将这些主观的调查问卷结合客观的测试数据，便可以进行进一步的综合评价。问卷发出份收回份,问卷调查的人数越多,越能真实地反映室内人员对所处环境的感觉[27]。

其余还有文献调查法、实地观察法、案例分析法等主观调查的方法，可以作为客观测试前收集理论基础的方法[29]。

4.3 综合评价法

综合评价法是将客观评价主观评价和主观评价综合的一种评价方法，是比较全面的评价方法。可以利用测试工具收集客观数据，用问卷调查收集使用者的主观感受，然后利用分析软件，结合测量收集到的客观数据，能直接建立主客观数据间的联系，能够较为全面的对高校室内空气质量进行评价，所以现在大多数的高校室内空气质量评价使用这种评价方法。但是这种评价方法的大部分过程中需要测试者和大量受测试人的参与以便收集到足够的数据，耗时较长，人力物力投入较大[30]。

5 教学楼室内空气质量的改进措施

5.1 使用合适的建材、家具

据中国室内装饰协会室内环境监测工作委员会调查统计，家具污染室内空气已经成为继建筑污染、装修污染以后的室内空气污染新问题，成为室内空气污染的三大来源之一。为此国家制定了有关室内环境和家具污染的标准，使用符合国家标准、污染较少的建材、家具，经过检测机构检验合格后方可使用，可以大幅减少室内的VOC、甲醛等污染物，从而降低对学生教师的健康影响[31]。

5.2 改善通风条件

改善通风条件可以选择改善自然通风和使用机械通风装置。然通风能耗少，也不需要维护管理，是无特殊情况下的首选。但是自然通风会影响室内的热湿环境，并且对室外的空气质量要求较高，一般使用新风口侧送，排风口同侧下排的方式较佳[32]。

使用一般在室外空气质量较好，且教室内学生较少或无学生的情况下选用。使用机械通风装置，如新风系统，可以不受室外空气质量的影响，为师生提供良好的通风条件，且可以维持良好的热湿环境，但是对经济的需求较大[33]。

教室的使用时间是比较规律的，十分利于管理，可以根据教室是否使用来选择使用自然通风或者机械通风。

5.3 加强污染物监测分析技术的研究

在MarekBadura对校园的空气质量研究[34](图4)中，使用了密集传感器网络对校园的PM2.5进行了监控，其中包括交通密集区、教学区域等，可以实时的检测区域的PM2.5。在掌握实时的污染物数据后，就可以更好的对室内空气质量进行控制，针对不同的污染程度，做出相对应的控制措施。

图4 密集传感器网络对校园的空气质量监控

5.4 阻滞污染物传播

这种方法一般针对可吸入颗粒物，如室外附近有扬尘较大工地、厂房等情况时，可以增加防护林来阻滞吸附可吸入颗粒物的传播。栽植滞尘能力和抗污能力强的树种可有效防范颗粒物污染源对周围空气的污染。栽植滞尘能力和抗污能力强的树种可有效防范颗粒物污染源对周围空气的污染。防护林带在阻滞颗粒物的同时还能阻截交通噪声, 是道路两旁常见的保护措施。林带的结构和宽度对消减PM2.5等空气悬浮颗粒物的能力也有一定的影响[35]。