寒冷地区高校教学建筑冬季室内空气品质评价

蒋 婧，李 维，狄育慧，秦石磊，云旭鑫

(1. 西安工程大学 城市规划与市政工程学院，陕西 西安 710048；2. 西安建筑科技大学 西部绿色建筑国家重点实验室，陕西 西安 710055)

0 引 言

随着人们生活水平的提高，绿色建筑、可持续发展等理念深入人心，良好的室内环境应是一个为大多数室内成员认可的舒适的热湿环境，同时也能够为室内人员提供新鲜健康的高品质空气，以满足人体舒适和健康的需要。对于以师生活动为主的高校公共建筑，师生不仅是室内的热湿源，而且是污染源，他们产生的CO2、体味等导致室内空气品质恶化，其室内空气品质对师生的身体健康、舒适感觉影响较大[1]。

目前常将CO2质量浓度作为教室室内空气品质的代表性指标[2]。文献[3-4]通过大量的人体实验，采用主观评价和生理参数测量相结合的方法，发现CO2对健康成年人感知舒适性、健康症状及工作效率影响较大，通风量的降低导致室内人员感知空气品质显著降低，增加不适症状和主观抱怨，影响了舒适性及工作效率。文献[5-6]根据实地调查，发现通风影响室内的空气品质。目前关于室内空气质量的研究大多集中于办公建筑和住宅建筑[7]，但对高校教学建筑的关注度较低。

室内人员在冬季通常以关闭门窗维持自身热舒适性， 影响室内热环境参数从而影响室内人员感知空气品质。 本文以西安市冬季某高校为例， 通过对室内CO2质量浓度、 温度、 相对湿度、 风速等参数进行监测， 同时结合主观问卷对学生的热感觉、 湿感觉、 室内空气品质、 风速期望、 不同症状、 舒适度以及满意度、 主要行为调节措施等进行调查， 分析高校建筑室内空气品质的现状和室内人员的行为习惯， 减轻室内空气污染， 改善室内人员的健康和幸福感。

1 实 验

1.1 调查对象

选取西安市某高校教学建筑为测试对象，测试地点位于关中平原中部，四季分明，冬季寒冷，多雾，少雨雪。测试对象主要以高校在校学生为主，年龄17～30岁，平均年龄(20.3±2.1)岁，其中男性平均身高(176.2±5.7)cm，平均体质量(69.1±9.7)kg；女性平均身高(163.0±5.4)cm，平均体质量(52.3±6.4)kg。本次测试时间为2020年12月2日—17日。

1.2 主观问卷调查

本次共回收有效问卷698份，其中男生484人(占比69%)，女生214人(占比31%)，男女比例2.3∶1，调查主要内容为受试者个人基本信息、热环境、空气品质、健康舒适、整体评价以及行为调节等。热感觉采取7级标尺，湿感觉、空气新鲜程度、舒适度及满意度采用5级标尺，注意力集中程度采取 3级标尺。问卷发放时间选择在课间进行，此时经过50 min的课程，受试者的生理状态也已达到稳定，在填写期间，要求受试者必须根据自身实际情况对所处的室内环境进行评价。

1.3 测点布置

为使测试具有代表性，选择具有不同设计布局和规模大小的教室评价现有教室的室内空气品质。在无穿堂风、避免阳光直射，距离外墙至少1 m的室外测量地点进行测试，用锡箔纸遮蔽，防止降雨、太阳辐射等气象因素对所测数据产生的影响。室内测点布置采用5点测量法，所有教室中的传感器都放置在高于地面1.1 m的高度上[8]，实际测点位置布置如图1所示。

图 1 测点位置示意图

1.4 参数测量

现场测试了5个典型的参数：空气温度、黑球温度、风速、相对湿度以及CO2质量浓度。其中，室内空气温度、黑球温度、风速和相对湿度均由热舒适仪实时监测，CO2质量浓度采用空气品质分析仪连续监测。室外风速以及温湿度分别采用风速仪以及温湿度自记仪监测，表1列出了测试所用的仪器及参数，所有仪器在测试之前都需要校准。为了保证测试数据的准确性，在数据开始测试之前，将被测教室门窗全部打开进行通风，排出室内前一天聚集的CO2，通风时间控制在30 min左右，使室内CO2质量浓度降低到与室外基本相同，再恢复教室门窗为紧闭状态。将操作温度作为温度评价指标[9]，计算公式为

表 1 测试参数及仪器

(1)

tmr=tg+2.44v0.5(tg-ta)

(2)

式中：to为操作温度，℃；ta为室内空气温度，℃；tmr为平均辐射温度，℃，tg为黑球温度，℃，hc为对流换热系数，坐姿时hc=4.0 W/(m2·℃)；hr为辐射换热系数，hr=4.7 W/(m2·℃)；v为空气流速，v=0.00 m/s。

由于冬季学生的门窗基本都处于紧闭状态，人对风速的感觉阈为0.20 m/s，所测风速(≤0.05 m/s)均远小于人对风速的感觉阈值，故可忽略室内风速对受试者热感觉评价的影响。

2 结果与分析

2.1 室内外环境参数

2.1.1 室外环境参数 测试期间，室外温度变化范围为-3.0～7.6 ℃，平均值(3.2±2.5)℃；室外相对湿度变化范围45.5%～84.7%，平均值(62.4±11.2)%；室外风速变化范围0.1～2.6 m/s，平均值(1.1±0.5)m/s。冬季室外环境参数见表2。

表 2 冬季室外环境参数

2.1.2 室内环境参数 测试期间教室室内空气温度变化范围为11.6～18.5℃，平均值为(14.5±1.6)℃；操作温度变化范围为11.2～18.6 ℃，平均值为(14.9±1.9)℃；室内风速变化范围为0.04～0.06 m/s，平均值为(0.05±0.00)m/s；黑球温度变化范围10.7～18.9 ℃，平均值为(15.2±2.3)℃；CO2质量浓度变化范围为491～6 883 mg/m3，平均值为(2 844±1 346)mg/m3；室内相对湿度为31.2%～67.1%，平均值为(45.8±8.7)%。

所测教室共13个，根据GB/T 1883—2002室内空气质量标准[10]，冬季采暖温度标准值为16～24 ℃；相对湿度标准值为30%～60%；CO2质量浓度评价标准为1 964 mg/m3，即超过该值则判定CO2质量浓度超标。根据分析得出所测室内温度超标率为81.3%，湿度超标率为4.7%，CO2质量浓度超标率为77.1%，室内CO2质量浓度最高为6 883 mg/m3，超过标准值的3倍，即冬季高校教室室内除湿度外，温度和CO2质量浓度均不符合我国室内空气质量标准的要求，文献[11-12]发现，高校室内CO2质量浓度随着时间的增加而迅速增加，且超标现象严重，说明目前高校教室室内通风不合理，空气品质普遍较差。这与西安市冬季寒冷的气候以及教室内暖气片年久失修，老化严重，供热不足等有关，室内人员为保持热舒适性而紧闭门窗，使室内CO2质量浓度未能及时排放而积聚，因此建议对室内有问题的设备进行翻新或者增加通风系统，同时应结合当地的气候条件、穿衣习惯等情况建立合理的室内设计温度并进行适当的通风。冬季室内环境参数见表3。

表 3 冬季室内环境参数

上课时门窗关闭，人员相对静止，室内空气流动较弱，环境对测试结果的干扰较小，逐时的测试结果准确地反映了客观因素对教室内空气品质的影响。其温湿度和CO2质量浓度的逐时变化分别如图2～3所示。

图 2 上课状态室内温、湿度变化曲线

空气的温、湿度对被感知的空气品质十分重要，人们感知的空气品质受人体周围温、湿度强烈的影响。在温度为20 ℃，相对湿度为40%，通风率为3.5 L/(s·人)时，人们感到比在温度为23 ℃，相对湿度为50%，通风率为10 L/(s·人)时的空气品质好[13]。测试结果表明，上课时的温、湿度具有相似的变化趋势。从图2可以看出，教室内的温湿度整体呈上升趋势，因为门窗紧闭，人体热源极大地影响了教室内的温、湿度，使温、湿度逐渐升高。其中温、湿度出现2次明显波动，主要是由于课间休息，人员走动带动空气流动，与室外进行了通风所致。所以各教室在上课期间温、湿度均呈上升趋势，使人感知的空气品质下降，调查结果表明室内闷热、不舒服，因此建议应适当进行通风来改善室内环境。

图 3 上课状态室内CO2质量浓度变化曲线

从图3可以看出，上课状态时教室CO2质量浓度整体呈上升趋势，因为上课时学生集中在一个封闭的环境里，随着时间的增加，CO2质量浓度不断累积，含量不断增高，其中2次下降均因课间休息，空气流动使得CO2的质量浓度下降，由于下课时间短，通风不完全，因此室内滞留的CO2质量浓度还是很高，在此之后又继续升高，CO2最高质量浓度已超过国家标准2.7倍。上述结果表明，封闭教室在上课期间CO2质量浓度严重超标，因此上课期间封闭教室内空气品质逐渐变差，因此应采用正确合理的通风方式改善室内空气品质。

2.2 室内空气质量

2.2.1 服装热阻 受试者的服装热阻分布频率如图4所示。从图4可以看出，高校学生服装热阻主要集中在1.1～1.5 clo(约占78.9%)，平均服装热阻为1.29 clo，高于文献[14]标准中冬季服装标准热阻值0.99 clo，男性平均服装热阻为1.27 clo，女性平均服装热阻为1.34 clo。由于室内外温湿度差较大，学生进出教室没有立即更换衣物的习惯且男女生服装热阻差距较大，因此女性在冬季穿衣均较男性来说更厚一些。

图 4 学生服装热阻分布

2.2.2 热湿感觉评价 为了分别获得操作温度t0与平均热感觉投票值(MTS)以及相对湿度φ与平均湿感觉投票值(MHS)变量之间的相关关系，因此选用线性回归分析建立模型，其中显著性水平α=0.05，操作温度与MTS相关性和室内相对湿度与MHS相关性分别如图5～6所示。

图 5 操作温度与MTS相关性

在显著性水平α为0.05时复相关系数临界值Rmin=0.55，从图5可以看出，决定系数R2=0.57，即复相关系数R≈0.75，说明t0与MTS呈显著正相关，即t0升高，MTS投票值呈上升状态，令MTS=0，实测热中性温度20.7 ℃；从图6可以看出，决定系数R2=0.12，即复相关系数R≈0.35，说明φ与MHS之间相关但不显著，即MHS投票值不会因室内湿度有很大的变化，说明受试者对湿度变化不敏感。

图 6 室内相对湿度与MHS相关性

同上，为了分别获得室内CO2质量浓度ω与平均热感觉(MTS)和平均湿感觉(MHS)变量之间的相关关系，利用线性回归分析建立模型，显著性水平取α=0.05，室内CO2质量浓度与MTS相关性和室内CO2质量浓度与MHS相关性分别如图7～8所示。

图 7 室内CO2质量浓度与MTS相关性

图 8 室内CO2质量浓度与MHS相关性

从图7可以看出，决定系数R2=0.04，即复相关系数R=0.20，说明室内CO2质量浓度与MTS之间相关但并不显著，呈正相关，即CO2质量浓度升高，MTS呈上升状态；从图8可以看出，决定系数R2=0.20，即复相关系数R≈0.45，说明室内CO2质量浓度与MHS之间相关不显著，呈负相关，即CO2质量浓度升高，MHS呈下降状态。

综上，可知室内物理参数t0和CO2质量浓度均与MTS和MHS投票值相关，即因CO2为温室气体，CO2质量浓度升高，造成室内闷热，MTS投票值呈上升状态，MTS投票值随CO2质量浓度的增加而增加；φ与MHS以及CO2质量浓度与MHS之间相关但不显著，即MHS投票值不会因室内湿度以及CO2质量浓度有很大的变化，此结果与文献[15]研究结果一致，说明在非极端条件下受试者对湿度变化不敏感。

2.2.3 空气新鲜程度 针对高校教室室内空气新鲜度进行调查，结果显示室内空气不新鲜的原因如图9所示。

图 9 室内空气不新鲜的原因

从图9可以看出，人员密度大占比40%，没有开窗占比26%，室内有不良气味占比17%，室内灰尘多占比10%，室外空气的影响占比6%，其他占比1%。即受试者认为室内空气不新鲜的原因主要是因为人数多以及没有开窗，这与西安市冬季寒冷气候以及高校教学环境相关，使得室内人员通常以关闭门窗保持自身热舒适性。建议应适当的减少人员密度，在保证室内学生热舒适的条件下合理结合室外气象条件开启门窗；及时开门窗通风换气，降低室内CO2质量浓度；合理的运用绿色植物来布置教室以净化室内的空气；若条件允许，可安装通风机为教室内提供足量的新风，以满足学生对于室内空气质量的要求。

2.2.4 行为调节 此次调查过程中，由于上课期间大部分时间内门窗紧闭，室内CO2质量浓度随着时间累积，室内出现闷热，空气品质下降，40% 学生犯困，26%学生学习效率下降，同时学生对室内整体环境感知不舒适及不满意的人数是舒适及满意人数的2.5倍。由此可见，未合理使用门窗进行通风，导致室内空气不流通，学生对感知上课期间整体环境的舒适度以及满意度均较低，且犯困、注意力下降、精神不集中，影响效率[16-17]。高校学生行为调节方式的频率分布如图10所示。

图10 行为调节方式

从图10可以看出，西安市冬季高校学生在室内的行为调节措施主要以开门窗、轻度活动、增加绿植、采用空气净化器、局部加热和加湿器加湿为主。其中空气净化器占到了20%，增加绿植和开门窗均占15%，局部加热占14%，加湿器加湿和轻度活动分别占13%和12%，这与西安市的地理环境相关，冬季室外气候寒冷干燥且高校学生上课时间长、人员密度大等有关。

2.3 室内空气质量对比分析

2.3.1 热环境 平均热感觉随温度的变化，斜率为0.23，比其他地区相对较高，故西安市高校学生对温度的敏感程度较高于其他地方，西安与北京同处于寒冷地区，其中服装热阻、热中性温度与决定系数R2均比较接近，但是平均热感觉随温度变化的频率相差比较大，其原因可能与北京冬季为风机盘管系统连续性供暖[18]，而西安是集中供暖系统，末端为散热器，实行间歇性供暖，且教室室内暖气片老化严重，供热不足等有关。因此设计合理的建筑可减少冬季教室的热损失，合理地利用自然环境条件进行室内通风设计是改善室内热环境的主要策略方向。

2.3.2 室内空气品质 随着绿色建筑、可持续发展理念逐渐深入人心，众多学者针对改善高校室内空气质量的策略认识到节约能源的重要性，文献[19-20]指出对室内植物种类的适当选择和有针对性的增加可以降低过量的CO2质量浓度来改善室内空气质量。戴欢欢等建议在教室安装保温型排气扇进行换气可改善教室内的空气质量[21]；在室内养殖花草, 营造一个良好的“小气候”；用活性炭吸附方法改善室内空气质量。要想使教室空气品质得到优化，应建立在对教室室内环境充分认识的基础上，才能综合应用各种治理措施，达到真正优化教室的空气品质，从而更好地促进师生身体健康，进一步提高教育教学质量。

室内人员冬季经常不开窗，室内换气量不足，CO2在教室中的质量浓度随时间不断增长所致，对室内环境的舒适度及满意度均较低。因此，及时调整冬季教室的室内CO2质量浓度，是改善室内空气品质的关键，通风是保证室内良好空气品质的主要措施，不能仅靠从门窗缝隙渗透进入的冷风来进行换气，这种冷风渗透不但不能达到改善室内空气品质的要求，同时使被吹到的人产生不舒适感，而且加热冷风和热空气从门窗缝隙排出还会浪费大量的能量；如果依靠在窗户的顶部安装排气扇的方法来增加教室内的新风量，虽然可以改善室内空气品质，但同时大量进入的低温冷空气会造成人体的不舒适，且室内的大量热量就会白白浪费掉，还会影响室内的温度。即根据外部气象，在满足热舒适条件下应合理采用自然通风策略既可改善室内空气品质又能增加节能效益。

3 结 论

1) 西安市冬季高校学生平均服装热阻为1.29 clo，高于文献[14]中冬季服装标准热阻值0.99 clo;男女生服装热阻差距均较大，并且男生服装热阻普遍明显低于女生。

2) 所测冬季西安高校教室室内空气温度变化范围为11.6～18.5 ℃，相对湿度为31.2%～67.1%，CO2质量浓度变化范围491～6 883 mg/m3。根据文献[10]，所测室内温度超标率为81%，湿度超标率为4.7%，CO2质量浓度超标率为77%，即除湿度外，温度和CO2质量浓度均不符合我国室内空气质量标准的要求。

3) 回归分析表明，操作温度t0和CO2质量浓度均与MTS和MHS投票值相关，MTS投票值随CO2质量浓度的增加而增加；相对湿度φ及CO2质量浓度均与MHS投票值相关但不显著，即MHS投票值不会因室内湿度以及CO2质量浓度有很大的变化，表明受试者对湿度变化不敏感。

4) 主观问卷调查结果表明，学生对感知上课期间整体环境的舒适度以及满意度均较低，同时伴随着犯困、注意力下降、学习效率下降、情绪压抑等影响，空气不新鲜主要是人数多以及没有开窗，应以开门窗、轻度活动、增加绿植、采用空气净化器、局部加热和加湿器加湿为主。