冬天教室通風頻率探究

黃天立

摘 要：北京冬季較為寒冷，開窗通風會降低室內溫度，但是長時間不開窗對人體健康會有一定影響。本文針對冬季開窗對室內溫度、空氣中污染物濃度、氧氣濃度的影響進行了測量，并對測量結果建模分析，預測了冬季教室開窗通風適宜的時間間隔和開窗時間。

關鍵詞：溫度;污染物濃度;氧氣濃度;開窗頻率

北京屬于溫帶季風氣候區，氣溫年際變化大。很多人在寒冷的冬季選擇減少開窗頻率、開窗時間，以保持室內溫度。但是研究表明，長時間不開窗對室內空氣質量有較大影響[1]。為了研究冬天教室通風頻率，通過查閱文獻發現：室內微生物的數量、密度在較短時間內開閉窗條件下無過多影響，因而不予以考慮。而在溫度的舒適度方面：盡管PMV隨時間不斷地發生變化，但PMV值都在-0.7～+0.7之間變化，舒適類別為C，處于舒適區。所以我們忽略溫度的日際變化，而著眼于溫度由于開窗而產生驟降的影響。因此，本文對開窗頻率和時長影響較大的三個因素進行研究，即短時間內溫度驟降、可吸入顆粒物濃度變化、氧氣的濃度變化。

1.建立模型

本研究主要調查了以某高中教室為例的各項影響因素，數據采集的時間為2018年12月24日～12月29日。為了使模型簡化，本研究所選擇的時間為基本無風，使開窗時的氣體及溫度交換簡化;霧霾濃度較低時期，因為霧霾較重時為了身體健康基本不開窗，還會有使用空氣凈化器等多種影響因素。為了獲得調查數據，本研究使用了溫度計、霧霾測試儀等設備測量了室內外實時溫度及PM2.5、PM10等主要污染物參數。

根據上述分析，對于開關窗對室溫和室內空氣潔凈程度的影響，根據室內的溫度t1、室外的溫度t2、室內污染物濃度初始值p1、室內污染物濃度初始值p2、時間t;對關窗時氧氣因呼吸導致的下降，根據教室體積V、每次呼吸時間T、每次呼吸氣體的體積V等進行建模。

2.模型假設

為了簡化模型，便于計算，作出如下假設：人在不同含氧量的環境中呼吸頻率不變;每次呼吸都消耗當前空氣含氧量的17.332%;教室關窗時門縫、窗縫等處進行的空氣交換忽略不計;教室中空氣每時每刻都是均勻的;對一些參數做出假設：教室體積V=75m3;每次呼吸體積V=1×10-3m?，呼吸一次的周期T=4s;上課時教室中有40人;白天室外的溫度t2=2.5℃。

3.模型求解

3.1探究開、關窗時間對室內溫度的影響

由于長時間關窗時，室外溫度對室內舒適度的影響不大，所以本研究著重測量了開窗通風的溫度t1驟降以及溫度回升t1的變化數據。在開窗時刻，室內溫度21℃，室外溫度2.5℃，氣溫在25分鐘的時間內驟降，速率整體上有減小的趨勢，而根據國家標準，冬季北京室內溫度t1應達到16℃以上，所以以此次測量為例，開窗時間t應在20分鐘以內。關窗后，在45分鐘，大約一節課后的時間，溫度又再次回升到室溫21℃，且基本恒定，且在這段時間內根據下文研究結果，不會再次開窗，所以關窗后的溫度變化，不作為主要影響因素。

3.2探究室內污染物與關窗時長的關系

從以上圖表可看出，早上開始上課前，室內污染物濃度p1高于室外污染物。濃度p2，且由于教室內長時間無人活動，一部分大顆粒污染物也會積累。此時應先開一次窗，使得污染物濃度降低，從而有利健康。而根據室內污染物與關窗持續時間的關系可以發現，污染物指數隨時間逐漸下降，其原因可能為：在一個密閉的空間中，人的呼吸將空氣中的污染物吸入體內，使污染物的濃度逐漸降低，而3.1節數據測量當天以關窗為主，發現室外污染物濃度p2略高于室內。所以，為了使學生在一天中吸入污染物減少，應在早晨開窗后，使關窗時間t延長一些。

3.3探究室內空氣含氧量隨關窗時長變化的關系

查閱文獻得到以下數據：空氣中氧氣含量20.77%、二氧化碳含量0.056%;呼出空氣中氧氣含量17.17%，二氧化碳含量3.67%。空氣中氧氣含量小于15%時，人會頭痛暈眩;小于12%則會窒息。

根據模型假設，進行計算推演：當上課教室關窗t秒（在t秒內呼吸交換的空氣小于室內空氣總體積）時：t秒后教室空氣中氧氣含量變為：p1=（p0V-q1V1）/V同樣地，當下一個t結束后，空氣中氧氣含量又變為：p2=（p1V-q2V1）/V以此類推，第n個t結束時，空氣中氧氣含量變為：pn=（1-kV1/V）pn-1。

可以看出，當t給定后，p（n）是一組等比數列。t越接近0，則得出的結果越接近模型預期。依據上述推理，對模型進行編程求解，代碼如下：

Def main（）

T=eval（input（“t=”））

P=0.21

count=0

While p>=0.16：

p=（1-（0.17332*1*t*0.01）/75）*p

count+=1

Time=count*t

Else：

Time=count*t

Minute=int（time/60）

Time-=minute*60

Print（minute，time）

反復執行程序，不斷調整t，發現p降到16%以下的時間總在196～198分鐘間。說明超過3小時不開窗，室內的氧氣含量將會低至危害人健康的程度。改變程序，使之輸出45分鐘（一節課的時間）后的含氧量。反復執行程序，不斷調整t，發現p為19.6%左右。

4.敏感度分析及結論

這里使用的教室體積為V=75m3，人每次呼吸交換氣體體積v=1L，顯然不能代表全部具體情況。因此，對模型進行敏感度分析和測試。改編程序，使V、v、t、T均為程序運行中輸入的值，并反復運行程序，改變每次輸入的V、v、t和T，進行初次模擬得到：室內空氣含氧量降至16%的時間在141～279分鐘;關窗45分鐘后，室內空氣含氧量降至17.76%～20.28%。對模擬結果影響最大的是每次呼吸所用的時間T應當是較為確定的變量。教室體積V對模擬結果影響小于前兩者，但教室體積的差距卻是客觀存在的。估計教室體積的范圍大約在75～120m3之間。據此，再次運行程序，只改動V，得到：

室內空氣含氧量降至16%的危險值時間在165～263分鐘范圍內，教室體積越大，這個時間越長;關窗45分鐘后，室內空氣含氧量降至19.32%～19.85%。因此，北京冬天教室應在早晨先開窗一次，之后間隔最多不超過3個小時開窗一次，每次開窗20分鐘。

參考文獻

[1]申曉宇.學校教室空氣污染物的擴散傳播特性研究[D].南京師范大學，2013.