王炳琰

【摘 要】在学校上课时，为解除学校教室在无风情况下所产生的闷热、潮湿等情况，根据生物净化原理，采用单因子梯度法，在窗外没有风的情况下，该系统也能将外面的空气吸进来，形成自动换气的效果。试验结论：室内换气系统的意义在于“使空气达到所要求的状态”或“使空气处于正常状态”，是通过自然或者机械通风的原理，给室内通风换气，从而改善室内环境。据此，一个内部受控的空气环境，一般是指在某一特定空间内，对空气温度、湿度、空气流动速度及清洁度进行人工调节。本文主要概述了室内系统换气方式的分类，给出了换气量的计算方法，并对室内换气方式进行了论述。研究目的：该装置可以在密闭的内部空间中当氧气的含量低于人类正常呼吸的需求时，可以适时更换室内的空气，使教室内的空气达到自然空气的水平并提高教室内空气质量，保证人类的正常呼吸需求的氧气。

【关键词】教室；净化；过滤；空气

0 引言

1）研究问题由来

冬季门窗紧闭的环境下教室内二氧化碳的含量是多少呢？可能没有多少人特意关注这个问题，或者因为各种原因不能深入的研究这个问题，笔者为了研究这个问题，并得到有效的解决方案，在网上查阅了有关教室空气如何通风换气的一些知识，继而产生了一个利用二氧化碳传感器，解决空气净化的想法。在老师的帮助与指导下，采用设定上限值、下限值和室内温度等方法，在几个不同的房间内，分别放入二氧化碳传感器实测的浓度的液晶屏，同时观察与测定二氧化碳传感器的效果设定上下限的值，开展了室内空气净化的试验研究。

2）实验目的意义

通过笔者调查发现：采访对象中超过50%的人每天早上的开窗通风时间都到不了15分钟。虽然大多数人对所处的室内空气质量存在着不同程度的不满，但是对于室内通风换气重要性的重视度并没有因此而提高。

二氧化碳与人体健康：

二氧化碳是人体代谢的产物，它本身并不具有毒性，人每天要呼出大约1kg的二氧化碳。大气中二氧化碳的正常含量值约为0.03～0.04%，超过0.1%即为轻微污染。二氧化碳含量超过正常含量值的空气被人体吸入后，二氧化碳在体内滞留使人体血液中二氧化碳含量超过一定浓度，就会造成人体呼吸性酸中毒，中枢麻醉窒息等一系列不良反应。

当二氧化碳浓度为1000000ppm时，可引起人的意识模糊，接触者如不移至正常空气中或给氧复苏，将因缺氧而致死亡。二氧化碳达到窒息浓度时，人不可能有所警觉，往往尚未逃走就已中毒或昏迷。

低浓度的二氧化碳可使呼吸中枢神经系统产生兴奋，使呼吸加深加快，长时间处于低浓度二氧化碳环境中，则会造成人体二氧化碳中毒，主要表现为头晕头痛、耳鸣心悸、胸闷嗜睡、视力模糊、注意力不集中、记忆力减退等。

高浓度的二氧化碳对中枢神经系统有抑制和麻痹作用，突然进入高浓度二氧化碳环境中也会引起人体二氧化碳中毒，主要表现为脑缺氧症状，可引起反射性呼吸骤停而突发死亡。在正常情况下，人体呼出的气体中二氧化碳含量约为4.2%，血液二氧化碳的分压高于肺泡中二氧化碳的分压，因此，血液中的二氧化碳能弥散于肺泡。但是，如果环境中的二氧化碳浓度增加，则肺泡内的浓度也增加，PH发生变化，由此刺激呼吸中枢，最终导致呼吸中枢麻痹，使机体发生缺氧窒息。

因此，室内空气质量需引起足够重视！在人群密集的室内，应注意通风换气。人一生中一半以上的时间是在室内度过的；尤其现代社会条件下一天中的绝大部分时间实在室内度过的，因此，室内空气质量也成为决定人体健康的重要因素之一。研究表明，甚至室内空气质量问题反而更加严重，改善室内空气质量的重要性和迫切性可见一斑。一个人每天需要补充1公斤食品、2公斤饮水，而所需空气则高达10公斤，室内空气质量的好坏直接决定着人的身体健康指数、感受舒适度以及工作学习效率。在封闭的室内环境中氧气的含量是有限的，而通过人的呼吸会逐渐消耗掉空气中的氧气并将之转化成二氧化碳，导致空气中二氧化碳含量上升，而氧气含量越见稀少，从而引起人呼吸不畅，睡眠质量下降等现象。所以科学的通风是非常重要且必要的。在欧美发达国家，通风指数一直是家居舒适度的重要参数指标，甚至一些发达国家已把住宅通风作为强制执行的条款。

3）实验资料和原理

随着国民经济水平的提高，人们对生活质量的要求也随之提高，如何科学的进行室内通风换气已经受到越来越多的关注。长时间处于密闭空调环境下的人常常会感到胸闷、气短，但在一些安装中央空调的房间内人们往往会觉得舒服很多，这是因为这些中央空调配置了“换气”装置，一则，可以将室内“被污染”的空气排出室外；二则，可以将室外的新鲜空气“吸”进室内，这样就起到了给密闭房间通风换气的作用，这就是我们所说的“换气系统”。因为“换气系统”的进风口装有过滤装置，可以有效避免因为通过开窗通风换气而流进室内的烟尘、有害气体等污染物，所以被称作健康的室内通风换气方式。根据调查数据显示，在普通城镇的室外大气的负离子含量为400～500个/m3，但在密闭房间中的负离子含量仅有40～50个/m3。当教室内二氧化碳含量不超过1500PPM，在适宜的温度下合理通风，将室外的新鲜空气引入室内，并借助通风设备在房间健康呼吸。

1 材料与方法

1.1 实验材料

（1）C02传感器；（2）控制系统（含开关）；（3）液晶显示器；（4）电线；（5）电路板；（6）电焊条；（7）温度计；（8）记号笔和记录本。

1.2 实验方法

1.2.1 实验设计原理

根据预备实验初步了解，在教室内放入通风换气系统。是通过二氧化碳浓度传感器，安装在换气系统上面，什么是二氧化碳浓度传感器呢？二氧化碳传感器是有机电设备监控（BAS）智能化工程能进行信号的采集，利用采集回来的信号，来自动化的调节空调的风量，启停状态的。

1.2.2 换气方式的分类

从广义上来划分，换气主要有自然式换气和机械式换气两种方式。通过门、窗的自然开启来进行室内外通风换气的方式称为自然式换气（图1）。在卫生间或水房、厨房等场所安装换气扇使空气流通的换气方式称为机械式换气，机械式换气更有效。

根据建筑物标准法的内容得出结论为：必须采取机械换气方式针对化学物质的发散进行换气。机械式换气分为：通过机械同时进行吸气和排气；强制吸气、自然排气；强制排气、自然吸气方式三种方式。

1）通过机械同时进行吸气和排气是通过吸气以及排气的两侧，或者其中一侧使用机械（送风机）强制进行换气的方法（如图2所示），可以自由平衡室内空气及二氧化碳含量，这种方式多应用于办公大楼或大型商场等场所。而空气交换器+换气扇，全热交换器，带直膨线圈的外部调节机等设备可以有效节约能源，更更符合现代社会发展的要求。

2）强制吸气、自然排气是指只用机械吸气而通过门、窗的自然开启来排气的方式（如图3所示）可以保持室内空气处于正压状态并保持室内空气压力的正常并可以防止灰尘及被污染的空气进入室内，可以保持室内空气的清洁，这种方式多用于对空气清洁度要求较高的房间比如医院手术室等。

3）强制排气、自然吸气是指通过门窗等自然开启来是室外空气流通到室内，并强制使用换气扇等工具进行排气的方式（如图4所示），这种方式下室内空气处于负压状态中。这种方式也是目前被广泛应用的一种换气方式，如家庭、学校、小型办公室和店铺等众多场所都普遍应用。

1.2.3 换气量的计算方法

建筑物施工相关法规和暖通空调规范中明确规定了建筑物内对人体呼出的二氧化碳进行有效换气以及对有毒化学物质所散发出的有害气体进行换气的标准及换气量。二氧化碳的换气方式根据建筑物的构造不同而采用的换气方式不同。如住宅、小型商铺和学校等有能开启的门窗的建筑物多采用自然换气的方式。有毒化学物质散发的有害气体的换气方式不会因为建筑物的构造不同而产生变化，多采取强制安装符合要求的机械换气设备来达到不同的换气次数的方式以保证有效的对室内污染空气进行换气。换气量的计算方法分为按换气次数计算和按人均换气量计算两种。

1）换气次数的计算

房间内空气每小时之内的换气的次数成为换气次数，例如换气次数0.5次每小时是指一小时内这一房间进行半次即每2小时进行1次的空气交换。换气次数的计算方法：换气量除以房间面积等于换气次数，若吸气量与排气量不同时则取其中较大的数值做为换气量（如图5所示）。

2）人均换气量的计算

建筑物标准法中明确规定人均换气量为20到30立方米每小时为正常换气量（因人的运动量而发生变化），因此，人均换气量作为计算室内换气量的基本依据。在此我们探寻一下人均换气量确定的理论根据。

人均换气量（人均必要换气量已室内的二氧化碳为基准）是所处室内二氧化碳的容许浓度减去室外空气的二氧化碳浓度除人均的二氧化碳发生量所得出的值。

3）换气量的计算公式

通常情况下房间的换气量都是以人为对象来进行计算的，因此室内换气量是由房间内人均换气量和房间内人数来决定的。

方法1：按人均占有室内面积N（m2）计算换气量。

V（m3/h）=20（m3/h·人）×■

公式中的A代表室内地板的面积（m2）。

方法2：按室内人均换气量和室内收容人员数量计算换气量。

室内人均换气量乘以室内人数（室内地板面积除以室内人均占有面积）所得出的结果为室内换气量。参考方法一中的计算公式和建筑福标准法中的室内标准换气量（20～30m3/h·人）可以发现此数值对室内换气来说是越大越好的，但同时也会增加空调的负荷，由此可见，室内换气量已使用建筑物标准法规定的数值为最佳（如表1所示）。

方法3：按房间的必要换气次数n（次/h）计算换气量。

按房间的必要换气次数n（次/h）计算换气量应注意以下两点：

（1）一般起居室应确保室内换气次数在每小时0.3次以上，有化学物质散发的房间室内换气次数应确保在每小时0.5次以上；

（2）符合2010年《全国中小学校室内空气质量标准》规定的学校空气质量的标准。

教室换气次数测定方法如表2所示：

1.3 通风换气系统

由抽风机、二氧化碳传感器和配套监控软件等组成的室内空气转换系统称为通风换气系统。其作用原理是通过二氧化碳传感器和配套监控软件监测室内的二氧化碳浓度，进行数据分析，根据软件预设值，当室内二氧化碳浓度高于软件上限值时将自动开启抽风机进行换气，通过补充室外空气降低室内二氧化碳的浓度。

【参考文献】

[1]夏克盛，郭宋，张浩.建筑物内空调系统的换气方式[J].机电信息，2013（06）.

[2]智能教室建设解决方案[Z].2011.

[3]中国环境质量检测报告[R].2010年、2011年.

[4]全国中小学校室内空气质量标准[S].2010.

[5]杨海平.一种新型常压低氧舱的研制[D].山东大学，2012（05）.

[责任编辑：王楠]