基于连续监测与新型暴露指标的学校教室热环境重构：气候适应视角下的健康与学习影响研究

本研究针对全球变暖背景下学校教室热暴露问题，通过部署3600余间教室的商用级传感器网络，首次量化了美国波士顿公立学校不同空调类型建筑的热暴露差异。创新性提出整合强度、频率和持续时间的多维热指标，揭示顶层教室较底层最高温差达5.7°C，无空调教室极端警戒阈值(32.2°C)超标率达8.4%，为学校气候韧性建设提供了数据驱动的决策依据。

　　

随着全球气温持续攀升，学校教室的热暴露问题日益凸显。数百万在无空调(AC)环境中学习的学生面临健康风险，包括热痉挛、热衰竭甚至热射病，同时高温还会显著降低阅读速度、数学能力和标准化测试成绩。尤其令人担忧的是，儿童因体表比大、自我防护意识弱成为易感人群，而美国约41%的学校亟需冷却系统升级。波士顿公立学校(BPS)作为全美最古老的学区，其平均80年楼龄的建筑群成为研究热暴露的典型样本。

为系统解决这一公共卫生挑战，波士顿大学联合BPS开展了一项开创性研究。通过覆盖125所学校3666间教室的商用级SmartSense传感器网络，团队首次实现了分钟级温湿度数据采集，构建了包含强度、频率和持续时间维度的新型热暴露指标。研究特别关注了中央空调、窗式空调和无空调三类建筑的差异，并创新性引入职业安全与健康管理局(OSHA)的20-24.4°C舒适阈值和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的热指数(HI)分级标准。

关键技术方法包括：1) 部署高密度传感器网络实现分钟级温湿度监测；2) 开发15分钟滚动平均算法处理数据波动；3) 应用Weathermetrics软件包计算热指数(HI)；4) 构建%TawbT(阈值超限时间占比)、AEDMaT(平均超阈值度数分钟)和LCPaT(最长连续超阈值时段)三项新型指标；5) 采用PostgreSQL数据库管理超10亿数据点。样本来源于波士顿46,000名学生所在的125所学校，覆盖地下室、地面层、中层和上层四种空间类型。

温度变异性特征显示：
• 建筑内温差惊人：单栋建筑内教室间日均温差达2.3°C，极端情况下可达14.4°C，且与空调类型无关。
• 空调类型决定热负荷：在最热日(9月7日，室外33.9°C)，无空调教室平均温度较中央空调教室高2.6°C，窗式空调教室高2.2°C。顶层教室温差尤为显著，无空调建筑顶层较地下室温差达5.7°C。
• 新型指标揭示隐藏风险：虽然全研究期平均温度22.5°C看似安全，但最热周46.4%的教学时间超出OSHA阈值，最长持续过热达175.7分钟(约3小时)。

热暴露指标创新应用：
• 阈值选择影响评估：采用OSHA标准时，窗式空调与无空调教室超标时间相近(60.6% vs 61.5%)；但使用NOAA极端警戒阈值(32.2°C)时，差异显著扩大(0.1% vs 6.5%)。
• 指标相关性分析：新型指标与传统均值仅呈弱相关(r=0.14-0.24)，证实其能捕捉独特暴露特征。例如某校温度均值排名中等，但AEDMaT指标显示其冷却需求实际居前30%。

讨论与意义：
研究发现中央空调系统在维持热稳定性方面具有不可替代的优势，其不仅能将极端警戒阈值超标率控制在0.1%(窗式空调1.1%，无空调8.4%)，还可通过配套新风系统改善空气质量。研究独创的AEDMaT指标可转化为冷却能耗预测工具，为学校能效改造提供量化依据。

政策层面，该研究支持将地下室设为"热避难所"的应急方案，同时强调全域监测的必要性——仅靠部分教室数据会导致严重误判。作者团队开发的标准化工作流程已开源，可供全球老旧学校建筑参考。值得注意的是，虽然窗式空调可缓解高温，但其能效比低且无法改善通风，研究建议搭配遮阳装置、冷屋顶等被动降温措施。

这项发表于《Indoor Environments》的研究标志着室内热暴露评估范式的转变。通过产学研合作，团队不仅建立了目前最大的学校热环境数据库，更开发出可迁移的分析框架，为气候适应型校园建设提供了科学基准。随着全球14,000所1970年代无需空调的学校将在2025年前面临改造需求，该研究成果具有广泛的指导价值。