野火烟雾事件期间，教室通风率与学校特征之间的关系对教室室内空气质量的影响

《Environmental Pollution》：Associations between classroom ventilation rates and school characteristics with indoor air in classrooms during wildfire smoke events

学校通风场景下野火烟雾PM2.5渗透影响因素研究，通过CO2释放测试17所教室通风率，结合低成本传感器监测发现未配备中央HVAC系统学校在关闭窗户时无法达到ASHRAE标准通风率，存在室内PM2.5浓度显著高于室外的风险，建议通过升级HVAC系统优化野火烟雾防控。

　　

A. Lamplugh|T. Sones|M. Woodland|C.E. Reid

AirOn Environmental LLC，美国科罗拉多州戈尔登市

摘要

在这项研究中，我们致力于了解影响野火烟雾渗透到学校内的学校层面因素。鉴于野火烟雾日益影响北美西部，并且已被发现会对儿童的呼吸健康造成影响，这一点尤为重要。首先，我们通过控制释放二氧化碳（CO₂）的衰减测试，在四种通风情况下测量了17所学校的换气次数（以每小时换气次数（ACH）为单位）。我们还研究了在学校层面特征和四种通风情况下的换气次数在2023年5月野火烟雾影响期间对室内/室外（I/O）颗粒物（PM）比率的影响，以确定这些特征是否以及如何影响颗粒物进入学校。根据我们的研究结果，一些学校（大多数没有中央供暖、通风和空调（HVAC）系统）只能通过打开窗户来达到推荐的教室换气次数。在野火烟雾事件期间，这些教室可能需要在保护学生免受野火烟雾侵害和满足标准换气次数之间做出选择。我们还发现，自然换气率和建筑年龄与I/O PM比率呈正相关，而中央HVAC系统的存在则在野火烟雾事件期间与I/O PM比率呈负相关。这一发现表明需要中央HVAC系统来防止野火烟雾，并在学校教室内实现必要的换气次数。

引言

学校教室内的通风率（有时也称为换气次数）的重要性已在许多场合得到证实，研究表明通风率会影响学生的表现和认知功能[1]、[2]、[3]，暴露于室外和室内污染物[4]、[5]，以及疾病和空气传播[6]、[7]、[8]。尽管如此，许多学校教室仍然缺乏足够的通风率[9]、[10]、[11]，这可能会增加室内空气污染水平或教室空气中的病毒载量。鉴于大多数学校的学生都是儿童，他们由于行为和较高的呼吸频率可能更容易受到空气污染的影响[12]，因此这成为一个公共卫生问题。因此，许多研究人员和健康专业人士呼吁提高教室的通风率[13]、[14]、[15]、[16]。

在美国西部，野火烟雾造成的污染及其相关的健康风险尤其令人担忧[17]、[18]、[19]，并且已被证明会影响儿童的健康[20]。我们研究区域的科罗拉多州前岭地区许多学校建于20世纪早期至中期，其中一些学校仍然没有现代化的中央供暖、通风和空调（HVAC）系统或密封的建筑围护结构，而是依靠窗户和教室级别的机械通风系统（通常称为“univents”）进行空气交换。然而，该地区的其他学校则是较新建造的，配备了中央HVAC系统，并且可能具有更紧密的建筑围护结构。美国供暖、制冷和空调工程师协会（ASHRAE）在ASHRAE标准62.1中规定了最低通风率，这些标准“旨在提供人类居住者可接受的室内空气质量（IAQ），并尽量减少不良健康影响”[21]。这些水平是根据房间面积和通风区域内估计的人口数量计算得出的。

越来越多的人购买低成本传感器，如PurpleAir传感器，因为它们价格低廉，可用于监测室内外PM_2.5浓度，尤其是在野火烟雾事件导致室外PM_2.5浓度升高时[23]。虽然低成本传感器的准确性不如昂贵的监测设备，但许多研究表明，通过清洁和数据校正，即使在野火烟雾事件期间，它们也能接近联邦参考监测设备的测量值[24]、[25]。低成本PM_2.5传感器的一个关键优点是它们可以在室内外使用，许多最近的研究利用它们来了解PM_2.5进入学校[27]、医疗设施[28]、家庭[29]和其他公共建筑[30]内部的渗透率。

先前的研究已经调查了其他城市和国家的教室通风率[9]、[10]、[11]、[31]、[32]、[33]、[34]，以及建筑特征和通风系统对烟雾渗透的影响[35]、[36]、[37]，以及通风率对室内颗粒物沉积的影响[38]，但作者尚未发现任何结合这些要素来研究通风率如何在野火烟雾事件期间影响颗粒物（PM）进入教室的研究，以及哪些建筑特征可以调整以提高对野火烟雾的抵抗力。在这项研究中，我们在科罗拉多州前岭地区的17所学校中，每种通风情况下测量了一个教室的换气次数。我们还使用低成本空气质量传感器在野火烟雾影响期间测量了室内外PM水平，并将这些比率与教室的换气次数和建筑特征进行了比较，以确定哪些学校层面的因素会影响PM的渗透。这些知识可以用于指导在野火烟雾事件期间改善学校室内空气质量的措施。

部分内容摘录

测试和时间线

我们使用二氧化碳（CO₂）的控制释放测试来确定17个教室的换气次数。控制释放测试可以通过测量释放到空间中的示踪化合物的衰减来计算室内空间的换气次数。这种实验常用的示踪剂包括六氟化硫（SF₆）[39]、[40]、[41]、甲烷（CH₄）[39]、[42]、乙烷（C₂H₆）[39]和二氧化碳（CO₂）[33]、[43]。二氧化碳的优势在于易于测量。

通风测试

表3总结了每所学校在每种通风情况下的平均换气次数，更多详细信息见补充表S3。如表所示，平均自然换气率在0.1 hr^-1到3.3 hr^-1之间，窗户换气率在1.3 hr^-1到9.03 hr^-1之间，HVAC换气率在1.1 hr^-1到8.5 hr^-1之间，而HVAC + 窗户换气率在4.03 hr^-1到14.67 hr^-1之间。由于自然通风可以

讨论与结论

我们的研究了科罗拉多州前岭地区不同学校环境中17个教室在四种通风情况下的换气次数。重要的是，我们发现，在这项研究中测试的5个没有中央HVAC系统的教室中，有3个（60%）在关闭教室窗户时没有达到ASHRAE的最低换气率标准，有一个（学校5）勉强达到了标准，但并非所有三次测试都达到（见表S3）。这与

CRediT作者贡献声明

Tanner Sones：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。Matthew Woodland：撰写 – 审稿与编辑，数据管理。Aaron Lamplugh：撰写 – 审稿与编辑，初稿撰写，可视化，方法论，正式分析，数据管理。Colleen E. Reid：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金获取，概念化

数据声明

本研究使用的数据将在工作发表后发布在公共存储库中（通过科罗拉多大学或美国环境保护署）。

资金支持

本出版物是在美国环境保护署授予科罗拉多大学Colleen Reid博士的援助协议号R84023201的支持下完成的。该出版物尚未经过EPA的正式审查。本文表达的观点仅代表作者本人，并不一定反映该机构的观点。EPA不认可本出版物中提到的任何产品或商业服务。

本工作与海军部的奖项（#HQ00342220005）有关

利益冲突声明

? 作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Colleen E. Reid报告称获得了美国环境保护署的财务支持。Aaron Lamplugh报告称获得了海军研究办公室的财务支持。Aaron Lamplugh报告称获得了AirOn Environmental LLC提供的设备、药品或物资。如果有其他作者，他们声明没有已知的利益冲突

致谢

感谢Shelly Miller教授及其研究小组慷慨提供许多二氧化碳（CO₂监测仪，没有这些监测仪，这项工作就无法完成。感谢允许我们进行这项工作并在必要时提供帮助的学区、学校、校长和设施工作人员。