北京地区中小学校室内空气质量现状及新风系统应用
中国建筑科学研究院 邓高峰 廖桑 杨英霞 伍品 王宝艳 李薇
【摘 要】近年来北京室外污染严重，已影响了中小学正常的教学和生活。为改善教室室内空气质量，本文选取北京地区中小学校为调研对象，对室内空气污染现状及是否需要采用新风系统进行了调研，并对新风系统安装案例进行了效果测评、对该技术进行了可行性分析。研究结果可为北京地区中小学校新风系统的应用和发展方向提供了参考。
【关键词】CO2 PM2.5 室内空气质量 新风系统
Abstract：Air pollution in Beijing caused bad outdoor air quality in recent years, and hence affecting students’ study and life in primary and secondary schools. In order to improve air quality in classrooms, this paper selects primary and secondary schools in Beijing as the main research target, investigates the current indoor air quality in these target buildings, researches whether outdoor air purification system should be installed, and tests and analyzes cases studies and technological feasibility evaluations of the installed systems, therefore providing references for the application and development of outdoor air purification systems in schools in Beijing.
Keywords: CO2, PM2.5, Indoor air quality, Outdoor air purification system
1 引言
教室是高密度人群活动场所，教室内空气质量受到室内和室外双重污染源的影响。室内高密度人群活动产生的大量CO2、教学产生的粉笔灰及装修产生的其他室内污染物严重影响学生和老师的学习和工作效率[1,2]。传统的解决办法是通过开窗通风换气稀释室内的污染物和CO2。然而，近年来北京地区的大气污染问题日益严重，开窗通风会引入大量污染物，包括PM10、PM2.5、NO2、SO2、臭氧等。发布于2015年的《中国主要大气污染物的时空分布特征研究》[3]收集了2014年3月-2015年2月中国190个城市的大气常规污染物资料，结果显示PM10和PM2.5的浓度明显高于《环境空气质量标准》GB3095-2012[4]的年平均二级浓度限值，且PM10和PM2.5达标天数比例仅79.52%和69.61%。相关数据[5-7]显示北京市自2013年开始监测臭氧以来，发现臭氧污染主要集中在中度污染等级以下，成为颗粒物之外的首要污染物。若将门窗关闭阻止室外污染源进入室内，室内污浊的空气则得不到稀释和置换。随着北京地区建筑节能标准的不断提升，建筑密闭性越来越高，室内外换气率也不断下降。新风净化系统通过风机和风管引入并净化室外的新鲜空气，同时将室内的污浊空气排出。因此，新风系统作为一种教室内空气质量解决措施被提出，本文对北京地区中小学校室内空气质量现状、增加新风系统的效果检测及新风系统技术评估进行了调研和分析。
2 室内CO2和PM2.5浓度现状
本文对北京市的部分中小学校进行问卷调研，大部分师生认为教室内新风量不足，有必要采用新风净化系统改善室内空气质量。
针对人们对于室内空气质量的感受，本文对中小学校的CO2和PM2.5分别进行了检测。
2.1 室内CO2浓度现状
我国中、小学校普通教室的人员密度约0.75~0.9人/m2，属于高密度人员建筑。对北京市部分中小学进行了教室上、下课期间的CO2浓度监测，某小学五年级某班的结果表明：在门窗关闭、教室未采取任何通风措施的条件下，上、下课期间测试教室CO2体积浓度的平均值分别为2758ppm、1805ppm，最大值分别高达3500ppm、2049ppm，最小值分别为1688ppm、1616ppm，不但高于《室内空气质量标准》GB/T 18883-2002中规定的最高限值1000ppm，而且高于《中小学校教室换气卫生标准》GB/T 17226-1998中的较为宽松的最高允许浓度（1500ppm）。
学校师生每节课至少有45分钟的时间处于室内，也就是说，老师和学生每节课有45分钟的时间是处在这种开始恶化或者已经恶化的空气状态下工作学习。
Usha等人[9]通过在CO2浓度分别为600ppm、1000ppm和2500ppm的环境下（除CO2外其他室内环境一致），分析参与实验者对场景问题做出决定的表现，从而判断CO2浓度对人们健康的影响。对三种CO2浓度下人们答题的水平进行数据分析，如图2-1，发现人们的基本决断力、应用决断力、分析方向、主观能动性、信息使用能力、分析深度以及分析方式都受到CO2浓度影响，在浓度达到1000ppm时即有表现，达到2500ppm时较为明显（此结论已被哈佛大学相关研究证实）。
图2-1 CO2浓度600ppm、1000ppm、2500ppm时人们的答题水平
2.2 室内PM2.5浓度现状
通过对北京市4所学校教室的PM2.5浓度进行实地检测，得出如下结论：
室外PM2.5浓度越高，室内PM2.5浓度也越高。当室外PM2.5浓度处于较高水平（大于0.075mg/m3）时，4所学校的PM2.5浓度无论在室内有人工况下还是无人工况下均高于《建筑通风效果测试与评价标准》中规定的0.075mg/m3。
对比教室有人工况和无人工况下的PM2.5浓度发现，当室内人员活动较大时，会造成PM2.5浓度较高的现象。
2.3 室内空气质量改进措施
基于以上调研分析，中小学校普遍存在CO2浓度和PM2.5浓度超标的问题。开窗通风可稀释室内污浊的空气但会引入室外的污染物，因此需通过机械式新风系统引入新鲜空气。新风净化系统是指根据室内所需新风量有组织的引入并通过过滤装置净化进入室内的空气，并将废气通过排风管道排出，可以同时解决室内CO2浓度过高和PM2.5及其他污染物超标的问题。下文对安装了新风净化系统的中小学校案例进行了测试效果讨论。
3 北京地区中小学校新风系统案例分析
选取曾经做过室内空气质量现状测试，且现在已经完成新风系统改造的3所学校再次进行PM2.5、CO2浓度实地检测。其中某小学教室（见图3-1）选取热交换净化新风机一套，新风量800m3/h，人均新风量23m3/h，方案采用机器直接送新风、远端顶部回风方式，教室内共有学生32人，老师3人；教室加装新风净化系统后，PM2.5无论在有人工况还是无人工况下，如图3-2、3-3，都处于较低水平。另外，改造后的CO2浓度均有了较为明显的下降，如图3-4，在有人工况下的浓度值高于无人工况下，说明新风量和净化能力在有人无人不同工况下的需求是不同的，因此新风净化系统有必要加装智能可调节装置，实现上课-下课期间工况的自动切换功能。
图3-1 某小学教室照片
图3-2 某小学测试点一PM2.5浓度对比
图3-3 某小学测试点二PM2.5浓度对比
图3-4 某小学测试点CO2浓度对比
4 北京地区中小学校新风系统技术评估
在夏季空调及冬季供暖系统作用下，室内外通风换气系统的应用势必造成室内空气的热损失、增加建筑能耗，这部分热量可通过室内外空气热交换的方式进行回收。对于是否该选择带有热回收功能的系统、新风净化的风机噪音和部分净化方式产生的臭氧同为大众所关注的技术指标。本文从热回收功能、新风净化系统产生的噪声以及臭氧三个方面评估该技术的可行性及设计指标。
4.1 热回收式新风系统的可行性分析
从节能性、经济性及舒适性方面对中小学教室采用热回收新风净化系统进行了计算分析，学校在过渡季一般采取开门开窗自然通风，在冬夏季一般是每周五天，每天12小时开机，合计开机时间为夏季280小时，冬季660小时计算，得到如下结论：
（1）从节能性方面，冬季显热回收量与耗功量之比为16.0，冬季全热回收量与耗功量之比为19.0，均高于3.4，所以可考虑采用全热热回收式新风机。夏季显热回收量与耗功量之比为2.91，夏季全热回收量与耗功量之比为5.8，可采用全热热回收式新风机。
（2）从经济性方面（见表4-1），若每间教室采用两台新风机，新风量为1200m3/h时，冬季全年可节约费用为871.8元，冬季新风机设备功耗为380kwh，功耗费用约380元；两者相较，热回收可节约491.8元；夏季热回收可节省电量能耗510kwh，新风机设备功耗为161kwh；两者相较，费用节约14.4元，冬夏季均可考虑热回收装置。
表4-1 中小学校热回收冬夏季经济性分析表
（3）从舒适性方面，在冬季室外温度为-5℃时，未采用热回收时，新风将使室内温度降低10.4℃，会使室内学生有寒冷感觉；考虑热回收后，室内温度仅降低3.4℃，可保持在16.6℃左右，而且如果考虑散热器的负荷也会相应变化，下降温度可能更少，所以采用热回收的新风冷负荷不会对室内舒适度造成太大影响。
综上所述，采用热回收式新风净化系统可节约能耗，从而节约用电、耗煤费用，并增加冬季室内学生的舒适度，在设备选型时可被采纳使用。
4.2 噪声影响
国标《民用建筑隔音设计规范》GB 50118-2010对学校教室的噪音限值做出了规定。目前市面上的新风净化产品是依据《空气净化器》GB/T 18801-2015、《通风器》JG/T 391-2012、《新风净化机》T/CAQI10-2016等通风净化类标准进行生产。对比GB 50118-2010要求的噪声级与各类通风净化标准发现，JG/T 391-2012、GB/T 18801-2015、T/CAQI10-2016中对设备的噪声限值均未达到GB 50118-2010要求的室内噪声限值。
另外，对部分新风净化机厂家进行调研，其中有厂家提供的数据显示风量为220m3/h的设备噪声值达到50-60dB,高于学校普通教室要求的低限要求45dB。可见，目前大部分新风净化产品的噪音值达不到GB 50118-2010中教室噪音限值的要求。因此，建议在安装新风净化系统时要求该系统的噪音达到GB 50118-2010中的室内噪音限值。
4.3 臭氧影响
《室内空气中臭氧卫生标准》GB/T 18202-2000规定室内空气中小时均值的平均最高允许浓度为0.1mg/m3，即0.05ppm。此项标准和美国环保署(USEPA)的相关标准一致。当运行净化系统臭氧增加量小于0.05ppm时，对人体无害。因此，在选择安装新风净化系统时，必须要求臭氧增加浓度小于0.05ppm（0.1mg/m3）。
5 结论
（1）大部分北京地区中小学校被调查者对室内空气质量较不满意。对室内CO2浓度进行测试，在检测样本中，中小学校教室在上下课期间，室内CO2浓度均远高于相关标准。
（2）对PM2.5浓度进行测试，中小学校在上下课期间，室内PM2.5浓度均高于相关标准。
（3）北京地区节能型建筑和非节能型建筑均不能满足室内人员所需新风量的最低要求，基于北京室外空气污染较严重的现状，均需要通过机械式新风系统引入新鲜空气。
（4）对比实际安装新风系统前后的室内CO2和PM2.5浓度，可以看出：安装新风系统可以显著降低室内CO2和PM2.5浓度，起到保障室内空气质量的作用。
（5）在技术应用上，中小学教室在冬夏季均可采用热回收技术。安装新风净化系统时，应要求其达到《民用建筑隔音设计规范》GB 50118-2010要求的限值，臭氧增加浓度小于0.05ppm（0.1mg/m3）。
参考文献
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[3] 臧星华, 鲁垠涛, 姚宏,等. 中国主要大气污染物的时空分布特征研究[J]. 生态环境学报, 2015, 24(8):1322-1329.
[4] 中国环境科学研究院. 环境空气质量标准[M]. 中国环境科学出版社, 2012.
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[9] Usha S, Mendell M J, Krishnamurthy S, et al. Is CO2 an Indoor Pollutant Direct Effects of Low-to-Moderate CO2 Concentrations on Human Decision-Making Performance[J]. Environmental Health Perspectives, 2012, 120(12):1671-1677.
[10] 北京市环保局. 2015年PM2.5年均浓度降6.2%[EB/OL]. http://news.xinhuanet.com/local/2016-01/05/c_128594820.htm.
[11] 北京日报. 清华大学发布首个室内PM2.5污染大数据调研报告[EB/OL]. http://news.xinhuanet.com/local/2016-01/05/c_128594820.htm.
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