杭州某中学教室空气质量动态监测分析

刘思坦 田臻 朱春

1.概述

校园是全国数以亿计的学生人群的日常学习生活的基本场所，从幼、小到中学、大学，学生人群每天需要在教室度过约1/3 的时间，并将持续近20 年的学习生活，因此教室环境对学生的发育成长及健康状态[1]、学习效率与认知能力[2、3]等有重要影响。

教室是人群高密度的一类场所，除考虑全年气候条件下营造室内热舒适环境外，还需防控室内、外环境污染，满足合理的室内空气质量。在春、秋季门窗开启条件下，教室环境直接受室外大气和周围环境影响，包括灰霾PM2.5、周围噪声等；在夏、冬季门窗密闭条件下，教室环境需要防范室内人群呼吸产生的CO2、微生物、以及避免建材散发甲醛、VOCs 气体污染等；此外还包括室内光环境、建筑布置与色彩环境等对学生身心健康的影响。

多位学者曾调查过一些地区多个教室环境质量，滕立新[4]等2004 年冬季对北京市94 所中小学的CO2、菌落群数、甲醛等进行了抽样检测；常桂林[5]等2003 年对湖北的7 所高校进行菌落群数、粉尘浓度和噪声进行检测；周亚丽[6]等2019 年冬季对湖南衡阳市74 所中小学进行了CO2浓度检测调查。不同实测的调查统计反映出教室空气质量有很大差异性，CO2浓度水平是否超过标准规范也有显著不同。这主要受教室环境质量因素，包括季节特点、地域特征、人群年龄段、通风空调设备及其水平、教学时长等的影响，已有调查中使用的标准检测方法及其设备仅能测试某个采样时间点下的静态环境结果。尽管笔者曾述及学校通风的必要性[7]，但国内仍缺乏足够的教室微环境动态化调查数据，对教室环境使用新风系统的实际效果[8]也亟待全面评估。为反映教室空气质量的动态变化特征，本次采用空气传感器在线监测方法[9、10]，通过云技术对教室环境质量多参数进行一体化逐分钟的动态监测和数据存储，进一步分析不同通风工况下教室的微环境特征。

图1 NANO 2.0 空气质量在线监测仪

2.测试条件

2.1 测试设备

本次对杭州市某重点高中、初中的两间中学教室进行微环境测试。使用的空气质量传感监测仪（DST-NANO2.0），实现包括对室内温度T、相对湿度φ、PM2.5、CO2、甲醛（HCHO）、典型挥发性有机物（VOC）的动态测评，采用NB-IoT 无线网络技术将所有环境监测参数按逐分钟的数据动态上传存储至云平台。选用DST 在线监测设备在测评试验前，均已经过CMA 认证单位进行标准化检验测试以及一致性比对测试，满足相关空气在线监测标准要求[11]。

2.2 测试工况

测试分别选在2021 年6 月、7 月和9 月，在高温季节下，分别对杭州市某初中教室A 安装新风系统改造后的通风工况（新风系统的额定风量1200m3/h）和某高中教室B（无新风工况）（如图2）进行空气质量（IAQ）在线动态测试，具体工况描述如表1。

表1 IAQ 测试教室及工况

图2 某教室空气质量监测实景

对教室B 环境使用两台监测设备同时监测教室环境，测点位置放在教室的前、后墙面的桌面高度，测试发现两台监测设备数据具有良好一致性，如图3 给出CO2、TVOC 的比对结果，因此认为房间空气混合均匀，可以设置1 个监测测点代表教室环境质量。

图3 教室A 在线监测CO2、TVOC 参数一致性比对

3.测试结果讨论

对教室A 的空气质量参数进行连续监测，其中9 月6日～10 日，教室保持5 天不开门窗密闭；9 月13 日～16 日教室连续4 天门窗开启（上学时间段）；9 月17 日～18 日连续2 天使用新风系统，保持门窗关闭（上学时间段）。对教室B 进行连续空气质量监测，一直保持门窗关闭。

3.1 CO2 测试

高中教室B 不设新风系统，由于室外高温，室内学习期间保持常态化开启，而教室门窗保持密闭。如图4，教室B 内CO2环境有明显的日变化特征，随着室内上课和下课而呈节律性的峰谷变化。高中教室内的CO2浓度分为早课峰、下午课峰、晚自习峰，峰值CO2浓度在4000～5000ppm，是《中小学设计规范》（GB 50099-2011）关于室内CO2浓度1500ppm 最高限值要求的3 倍以上。

图4 教室B 监测CO2 日变化曲线

对初中教室A 进行连续两周IAQ 监测，发现CO2在教室门窗密闭工况、门窗开启工况、新风工况呈现了显著的浓度差别，其中峰值浓度分别为3005ppm、904ppm、1341ppm；可见同在房间密闭条件下，初中教室CO2峰值浓度尽管低于高中教室峰值，但较《中小学设计规范》（GB 50099-2011）的最高限值超标1 倍，而使用新风系统、教室开启门窗条件均可满足教室CO2最高浓度限值要求。

图5 教室A 监测CO2 时序图

对不同工况下的典型日CO2日均浓度统计（如图6），发现教室在保持门窗密闭（工况A）和门窗间歇性密闭（工况B）时，教室日均浓度高于GB/T18883《室内空气质量标准》规定日均CO2浓度标准；而当教室门窗保持开启（工况C）和教室使用新风系统时，满足标准限值1000ppm 的要求。其中高中教室在保持密闭条件下，CO2均值浓度为2359ppm，为相应CO2标准限值的2.36 倍，日超标时间比例为88.2%，可见该工况下，学生的学习效率最低；而使用新风系统则满足标准环境要求。

图6 典型日CO2 日均浓度比较（ppm）

3.2 热环境测试

对不同工况下的典型日的日均温度T 统计（如图7），发现教室在室外高温条件下，工况A、B、C、D 的室内日均温度分别为26.7℃、30.5℃、29.5℃和28.1℃，分别高于《室内空气质量标准》（GB/T18883）26℃限值温度 0.7℃、4.5℃、3.5℃，2.1℃。比较可见，教室内常态化密闭时，室内温度相对接近标准，其次是在使用新风系统时，开门窗对热环境有较大改善作用。测评相对湿度，各工况日均湿度在58.4%～65.4%范围。就热舒适性而言，各工况下均为湿热环境，按优劣比较次序为：工况A>工况D>工况C>工况B，其中工况B 和工况C，在高温季节开启门窗情况下，室内热湿条件最差。

图7 典型日温度日均温度T 比较（℃）

3.3 PM2.5、甲醛和TVOC

对房间开启门窗模式和使用新风系统模式，比较PM2.5的变化（如图8），可以明显发现教室在开启新风系统后，室内PM2.5浓度迅速下降，并在低水平范围波动。经统计，门窗开启模式下的PM2.5浓度为15.3±1.5μg/m3，而使用新风系统条件下PM2.5浓度为5.7±7.1μg/m3，可见新风系统对室内颗粒物防控有显著效果。

图8 初中教室PM2.5 变化时序图（ppb）

对比甲醛监测结果（图9）发现，尽管室内甲醛随室内温度有波动变化，但室内甲醛均未超过标准限值要求。此外测试TVOC 结果（图10），发现室内TVOC 变化主要在教学时间段有跳跃性变动，可能与不同的教学课程有关。

图9 高中教室甲醛时序图（ppb）

图10 初中教室TVOC 时序图（ppb）

4.结语

本文采用空气传感在线监测平台系统，对杭州市高温季节条件下的4 种工况条件进行了教室环境下6 个空气质量参数的动态监测分析。空气质量在线监测技术具备空气多参数传感集成化、小型化、实时连续动态化、数据信息智能化的特征，并且由于布点灵活、低成本，可以广泛推广，成为室内空气污染物测评应用与研究的趋势。如最新的文献中，哈佛大学学者对横跨6 个国家和超过40 座办公楼的300 多名受试者同时进行为期一年的工作环境在线环境质量研究，包括跟踪PM2.5、CO2、温度和相对湿度的实时水平。

本文对杭州校园教室在4 种不同工况下的空气质量监测的全面测评发现，安装新风系统可有组织引入室外气流模式，可以有效降低教室内CO2浓度，满足新鲜度要求，可以防控室内PM2.5污染。测评同时发现，夏季杭州教室的热舒适性较差，需要新风系统与空调系统良好结合，以解决高温季节室内热湿调节与新风换气水平的平衡问题。另一方面，使用空气质量在线监测技术，对防范室内甲醛、TVOC 等污染也有监视促进作用。