高校教室二氧化碳監(jiān)測與受訪者主觀評價

姬鵬誠，吳首昊，馮姚晨，趙汶楨，王飛飛(華中科技大學環(huán)境科學與工程學院，湖北武漢430074)

1 概述

室內(nèi)空氣質(zhì)量對人的健康非常重要[1]，當室內(nèi)空氣中CO2體積分數(shù)為700×10-6時，少數(shù)人對此有感覺；當達到1 000×10-6時，較多人感到不舒服；當達到2 000×10-6時，可視為室內(nèi)空氣質(zhì)量不佳；當達到3 000×10-6時，人體呼吸頻率將加快；當達到4 000×10-6時，室內(nèi)人員將產(chǎn)生頭暈、頭痛、耳鳴、眼花、血壓上升等不適癥狀。GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標準》規(guī)定，教室內(nèi)CO2的體積分數(shù)應小于1 000×10-6。

在冬季，教室大多門窗緊閉，通風狀況不佳，常會出現(xiàn)CO2體積分數(shù)超標的情況，影響學生學習效率[2]。Griffiths等人[3]對門窗關(guān)閉且僅開通風設備的教室進行了測試，發(fā)現(xiàn)CO2體積分數(shù)峰值可達2 700×10-6，CO2日均體積分數(shù)為1 504×10-6。除門窗開閉外，人員密度也是教室內(nèi)CO2體積分數(shù)的重要影響因素。姬長發(fā)等人[4]對西安某高校教室內(nèi)的CO2體積分數(shù)進行實測：對于外窗關(guān)閉的普通教室，人員密度增加1倍，CO2體積分數(shù)上升50%以上；由于面積更大、層高更高，在與普通教室人數(shù)相近時，階梯教室室內(nèi)空氣品質(zhì)更優(yōu)。隋學敏等人[5]對北方某高校供暖期的3種面積規(guī)格的教室進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)這些教室內(nèi)CO2平均濃度均遠超出國家標準，可能由于開窗通風頻率低所致。

在教室內(nèi)人員的主觀評價方面，袁越[6]通過對武漢某中學教室進行問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，被調(diào)查者認為空氣質(zhì)量一般的占46.0%、空氣較渾濁的為31.3%、很渾濁的為16.6%，較清新的僅占6.1%，這表明教室空氣質(zhì)量的滿意率較低。在人體生理和心理方面，張英杰[7]研究發(fā)現(xiàn)，學生對教室整體環(huán)境滿意度會隨著CO2體積分數(shù)的升高而降低，體積分數(shù)過高時將出現(xiàn)乏力嗜睡、精神低迷沉悶、注意力不集中等情況。

在學習效率方面，戴歡歡等人[8]的研究表明，不通風教室的CO2體積分數(shù)比通風教室高約4倍，學生視敏度、反應速度、注意力集中程度均下降。張弘源等人[9]的研究表明，受試者的學習效率隨著CO2體積分數(shù)的升高而降低，學習意愿在CO2體積分數(shù)600×10-6～1 500×10-6時略有升高，超過1 500×10-6后則出現(xiàn)大幅下降。

本文針對內(nèi)廊式教室，在內(nèi)窗、外窗關(guān)閉的情況下，實測分析關(guān)門、開門以及不同教室面積條件下教室內(nèi)CO2體積分數(shù)，調(diào)查受訪者對教室內(nèi)空氣品質(zhì)的評價及高效學習持續(xù)時間。

2 研究方法

2.1 實測對象

2019年11月，筆者對武漢市洪山區(qū)某高校教學樓教室(內(nèi)廊式教室)室內(nèi)CO2體積分數(shù)進行監(jiān)測。監(jiān)測時間為8:00至12:00，第1節(jié)大課指8:00—9:40的兩節(jié)小課，第2節(jié)大課指10:10—11:50的兩節(jié)小課，每節(jié)小課時長45 min，小課間休息時間為10 min。

被監(jiān)測教室分為小教室、中等教室、大教室，教室布局、尺寸及監(jiān)測裝置安放位置分別見圖1～3。小教室高度為3.5 m，中等教室和大教室高度均為3.7 m。教室內(nèi)學生人數(shù)保持在30人，另有教師1名。小教室面積為56.0 m2，人均面積為1.81 m2/人。中等教室面積為78.4 m2，人均面積為2.53 m2/人。大教室面積為84.8 m2，人均面積為2.74 m2/人。小教室座位數(shù)為40個，中等教室座位數(shù)為68個，大教室座位數(shù)為99個。

圖1 小教室布局及監(jiān)測裝置安放位置

圖2 中等教室布局及監(jiān)測裝置安放位置

圖3 大教室布局及監(jiān)測裝置安放位置

3種教室內(nèi)均設有1臺立式分體式熱泵空調(diào)，在測試時處于關(guān)閉狀態(tài)。此外，再無供暖設施。教室內(nèi)學生著裝以較厚的外套、棉衣為主，且均處于靜坐狀態(tài)。

2.2 監(jiān)測儀器

采用CO2濃度監(jiān)測儀監(jiān)測教室內(nèi)CO2體積分數(shù)，3種教室監(jiān)測裝置的安放位置分別見圖1～3，放置高度距地面75 cm。監(jiān)測儀測量范圍為0～9 999×10-6，分辨率為1×10-6，測量絕對誤差范圍為±50×10-6。

監(jiān)測儀器在上課前5 min布置，每5 s記錄一次CO2體積分數(shù)，一節(jié)大課結(jié)束后回收監(jiān)測儀器。小課間休息時段，絕大多數(shù)同學留在座位上休息，少數(shù)同學離開座位或出入教室。為減小開門對室內(nèi)CO2體積分數(shù)的擾動，要求出入教室的人員在出入教室時動作盡量迅速。因此，可認為課間休息對測試環(huán)境的穩(wěn)定性影響不大。隨后進行數(shù)據(jù)后處理。監(jiān)測儀器使用前經(jīng)過校正，可確保測試結(jié)果準確。

2.3 測試工況

除監(jiān)測教室內(nèi)CO2體積分數(shù)外，我們還以問卷調(diào)查方式調(diào)查受訪者對教室內(nèi)空氣品質(zhì)的評價及高效學習持續(xù)時間。問卷發(fā)放時間為大課下課后，并在10 min內(nèi)回收問卷。調(diào)查問卷涉及兩方面問題：一方面是對教室內(nèi)空氣品質(zhì)的評價，分4個選項：空氣新鮮、空氣略微污濁、有些悶、喘不過氣。另一方面是對進入教室后高效學習持續(xù)時間的調(diào)查，將90 min的上課時間分成6個時段，每個時段15 min，持續(xù)時間越長表示能夠持續(xù)高效學習的時間越長。

測試工況見表1，各工況外窗均處于關(guān)閉狀態(tài)。工況1的監(jiān)測與問卷調(diào)查在第1節(jié)大課及下課進行，工況2～4的監(jiān)測與問卷調(diào)查在第2節(jié)大課及下課進行。

表1 測試工況

3 監(jiān)測結(jié)果

3.1 工況1、2

工況1、2教室內(nèi)CO2體積分數(shù)隨時間的變化見圖4。由圖4可知，對于小教室，開門狀態(tài)下，測試期間教室內(nèi)平均CO2體積分數(shù)為662.1×10-6，基本不隨時間的延長而變化。關(guān)門狀態(tài)下，教室內(nèi)CO2體積分數(shù)隨時間的延長持續(xù)增長，課程開始20 min時CO2體積分數(shù)就達到了1 000×10-6，大課結(jié)束時CO2體積分數(shù)升至3 026×10-6。由測試結(jié)果可知，開門可以確保小教室室內(nèi)CO2體積分數(shù)保持在較低水平。因此，在室外溫度比較低的冬季，為保證室內(nèi)溫度，宜采取開門措施確保室內(nèi)CO2體積分數(shù)保持在較低水平。

圖4 工況1、2教室內(nèi)CO2體積分數(shù)隨時間的變化

3.2 工況2～4

工況2～4教室內(nèi)CO2體積分數(shù)隨時間的變化見圖5。由圖5可知，在關(guān)門狀態(tài)下，對于中等教室，課程開始18.5 min時，CO2體積分數(shù)就達到1 000×10-6，但整體增長速度緩慢，大課結(jié)束時，CO2體積分數(shù)為1 560×10-6。在50 min左右時，CO2體積分數(shù)出現(xiàn)小幅下降，這可能是由于小課間進出教室的同學稍多引起的。對于大教室，測試期間教室內(nèi)平均CO2體積分數(shù)為569×10-6，基本不隨時間的延長而變化。因此，在關(guān)門以及室內(nèi)人數(shù)不變的情況下，教室面積對CO2體積分數(shù)有較大影響，教室面積越大，CO2體積分數(shù)越低且隨時間的增長速度越慢。

圖5 工況2～4教室內(nèi)CO2體積分數(shù)隨時間的變化

4 問卷調(diào)查結(jié)果

4.1 工況1、2

工況1、2受訪者對小教室內(nèi)空氣品質(zhì)的評價分布見表2。由表2可知，對于小教室，關(guān)門狀態(tài)下僅有6.25%的受訪者表示空氣新鮮，有68.75%的受訪者表示有些悶，有18.75%的受訪者表示喘不過氣。與關(guān)門狀態(tài)形成鮮明對比的是，在開門狀態(tài)下，有33.33%的受訪者表示空氣新鮮。由此可知，在關(guān)門狀態(tài)下，絕大多數(shù)的受訪者對室內(nèi)空氣品質(zhì)不滿意。在開門狀態(tài)下，則相反。

表2 工況1、2受訪者對小教室內(nèi)空氣品質(zhì)的評價分布

工況1、2受訪者高效學習持續(xù)時間分布見表3。由表3可知，與關(guān)門狀態(tài)相比，開門狀態(tài)有助于受訪者保持更長時間的高效學習。

表3 工況1、2受訪者高效學習持續(xù)時間分布

4.2 工況2～4

工況2～4受訪者對小教室內(nèi)空氣品質(zhì)的評價分布見表4。工況2～4受訪者高效學習持續(xù)時間分布見表5。由表4、5可知，在關(guān)門狀態(tài)下，小教室內(nèi)的大多數(shù)受訪者認為室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量差，且保持高效學習的時間比較短。在室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、高效學習時間方面，中等教室、大教室明顯優(yōu)于小教室，特別是大教室。這與室內(nèi)CO2體積分數(shù)的監(jiān)測結(jié)果一致。

表4 工況2～4受訪者對小教室內(nèi)空氣品質(zhì)的評價分布

表5 工況2～4受訪者高效學習持續(xù)時間分布

5 結(jié)論

① 開門可以確保小教室室內(nèi)CO2體積分數(shù)保持在較低水平。在室外溫度比較低的冬季，為保證室內(nèi)溫度，宜采取開門措施確保室內(nèi)CO2體積分數(shù)保持在較低水平。

② 在關(guān)門以及室內(nèi)人數(shù)不變的情況下，教室面積對CO2體積分數(shù)有較大影響，教室面積越大，CO2體積分數(shù)越低且隨時間增長速度越慢。

③ 在關(guān)門狀態(tài)下，絕大多數(shù)的受訪者對室內(nèi)空氣品質(zhì)不滿意。在開門狀態(tài)下，則相反。與關(guān)門狀態(tài)相比，開門狀態(tài)有助于受訪者保持更長時間的高效學習。

④ 在關(guān)門狀態(tài)下，小教室內(nèi)的大多數(shù)受訪者認為室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量差，且保持高效學習的時間比較短。在室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量、高效學習時間方面，中等教室、大教室明顯優(yōu)于小教室，特別是大教室。