机械通风与窗户通风教室中健康、舒适与室内环境质量的关联性研究：一项对照观察性研究

《Buildings》：Linking Health, Comfort and Indoor Environmental Quality in Classrooms with Mechanical Ventilation or Window Airing: A Controlled Observational Study

本研究通过对照观察比较冬季感染期教室采用手动窗户通风（WA）与分散式机械通风（DV）对小学生上呼吸道感染症状、唾液生物标志物（sIgA、sCRP）、主观舒适度及室内环境质量（IEQ）的影响。结果显示，DV教室能显著降低CO2和PM2.5浓度，改善热舒适度，并可能通过减少颗粒物暴露影响黏膜免疫活性（如sIgA降低39–59%），从而减轻症状负担（绝对风险降低7.8%）。多维方法整合医学结局与连续IEQ监测，为学校通风研究提供健康新视角。

　　

引言

小学生每日大部分时间在校内度过，教室室内环境质量（IEQ）包括室内空气质量（IAQ）和热舒适度，直接影响其暴露于污染物、空气传播病原体和热环境的程度。室内二氧化碳（CO₂）浓度因人体呼吸而升高，常作为通风充足性的指标；浓度低于1000 ppm被视为卫生安全，超过2000 ppm则不可接受。机械通风系统可通过过滤降低室外颗粒物（PM）侵入，而自然通风则直接引入未过滤空气。德国环境署报告显示，学生和教师常出现头痛、疲劳、注意力不集中等症状，与学校环境暴露相关。多数研究指出，教室通风率不足，CO₂浓度常超1000 ppm，尤其在采暖季窗户关闭的教室中更为突出。一项对125所自然通风小学的综述发现，81%教室CO₂超阈值，且与PM、挥发性有机物（VOC）和微生物负荷相关。欧洲研究项目证实，学校IAQ差（包括通风不足、CO₂、VOC、PM及潮湿指标）与儿童呼吸道症状和健康下降相关。

传统通风研究多关注认知表现，低CO₂与注意力提升相关；舒适度研究则侧重温度、湿度、气流和声学。上呼吸道感染（URTIs）如普通感冒全球高发，但学校研究中整合URTI症状问卷的较少。WURSS-K（儿童上呼吸道症状调查）为评估急性呼吸道疾病提供了适宜工具。波兰和泰国研究均显示PM暴露与儿童呼吸道症状及肺功能受损相关。COVID-19大流行期间，通风作为关键防控策略受重视，CO₂浓度可指示空气感染风险。德国环境署2021年建议教室逐步配备机械通风系统，但德国仅不足10%学校有此设备。

本研究为对照观察性研究，于2023/2024冬春感染期在德国中弗兰肯三所小学进行，比较手动窗户通风（WA）与分散式机械通风（DV）对健康、舒适和IEQ的影响。采用多维方法整合症状自评（WURSS-K）、唾液生物标志物（sIgA、sCRP）、主观舒适度（WHO-5、Comfort-13）及连续IEQ监测（CO₂、PM_2.5、VOC、温湿度），旨在从健康视角补充学校通风研究。

材料与方法

研究设计

研究于2023年10月至2024年4月进行，获伦理批准。原计划包含中央通风组，但因参与率低及运行不一致被排除。最终分析聚焦WA组（4间教室，仅手动通风配CO₂交通灯）和DV组（2间教室，各装分散式空气处理机组AHU，含热回收和过滤）。窗户开启由师生按常规操作，无研究干预。CO₂交通灯仅装于WA教室，可能影响行为差异。

通风概念与教室

WA教室配备三扇大型滑动窗和CO₂交通灯（绿<1000 ppm，黄1000–2000 ppm，红≥2000 ppm）。DV教室各有一台AHU，最大风量1000 m³/h，配F7和M5过滤器，供应空气经天花板出口进入，可额外开窗。AHU按时间表运行（工作日7:45–13:00），设定送风温度20°C。一教室AHU于2024年2月加装CO₂传感器实现需求控制。教室结构特性各异，WA教室为老建筑保温差，DV教室容积不同。所有教室符合巴伐利亚校舍规范（人均面积≥2 m²，体积≥6 m³）。所需新风量按DIN EN 16798-1 IEQ_II类别计算，因班级人数异。

参与者招募

参与者为2–4年级学生，年龄6–12岁，基于原有班级分配至组别，非随机化。征得家长知情同意后，109名儿童入选，最终WA组64人、DV组34人纳入分析。基线特征显示两组在性别、年龄、哮喘、过敏、家庭吸烟等无显著差异。

研究程序与数据收集

研究历时7个月（含120个上学日），于2023年11月（T1）、2024年1月（T2）和4月（T3）三次收集数据。主要结局为WURSS-K症状调查（每日居家完成），次要结局包括唾液生物标志物（sIgA、sCRP）、WHO-5幸福指数和Comfort-13舒适度问卷。唾液样本采集于上午，要求采样前30分钟禁食（水除外）。IEQ参数通过室内多传感器连续监测（CO₂、PM_2.5、VOC、温湿度、窗户状态），室外气象数据由屋顶气象站记录。

主要结局测量：WURSS-K

采用德版WURSS-K评估感冒症状严重度及功能影响，含15条目（全球疾病严重度、症状严重度、功能影响），评分0–3。总分0–42，症状子分0–18，功能子分0–21。分析时计算每人平均和最大值。

次要结局测量

唾液生物标志物：sCRP用Salimetrics? ELISA检测，sIgA用DRG ELISA检测，样本按说明稀释，读值450 nm。

WHO-5幸福指数：5条目评估过去两周主观心理幸福度，总分0–100，≤50提示幸福度低。

Comfort-13问卷：自编工具含13条目，评估警觉度、睡眠、情绪、气流、热感觉、声舒适等，评分越低越舒适。

长期监测概念

各教室装FS1600多传感器（高1.1米）测温湿度、CO₂、VOC、PM_2.5；窗户状态由接触开关监测；AHU耗电由电流互感器记录；室外气象和PM_2.5由气象站和PM监测仪记录。数据每分钟记录（窗户状态每15分钟或事件触发）。

数据分析

使用Matlab R2023b和jamovi分析。WURSS-K连续变量用Shapiro-Wilk检验正态性，正态则Welch t检验，非正态则Mann-Whitney U检验。唾液生物标志物经log₁₀转换后，用线性混合模型（LMM）分析，含随机截距（参与者），固定效应为组别、时间及交互。事后比较用Benjamini-Hochberg FDR校正。IEQ数据以课时（45分钟）聚合，比较组间均值。

结果

研究参与者与基线特征

最终98名儿童（WA 64人，DV 34人）完成研究，无中途退出。基线特征均衡，无系统差异。

长期监测与教室级协变量

DV教室所有IEQ参数显著优于WA：CO₂和PM_2.5浓度更低，温度更高，相对湿度较低，VOC较高。DV教室舒适课时比例高，温度<20°C课时WA占21.2%、DV占8.2%；湿度<40%课时DV更常见（62.1% vs 46.1%）；CO₂>1000 ppm课时WA占26.6%、DV仅1.7%。WA组窗户开启时间更长（28分钟/课时 vs 13分钟）。教室级环境协变量（T1–T3前两周均值）用于后续分析。

主要结局：WURSS-K感染动态

WA组57.8%儿童至少一日感病，DV组50.0%；WA组平均病期7.9天，DV组5.2天；平均发作次数WA 1.6次、DV 1.5次；每次发作持续时间WA 4.9天、DV 3.6天。WURSS-K指标显示DV组疾病负担更低：平均全球总分低15%，疾病严重度低17%，功能影响低31%。最大全球总分、最大疾病严重度、最大功能影响及病日数在WA组显著更高（p < 0.05）。感染率WA组57.8%、DV组50.0%，绝对风险降低7.8%，比值比1.37（p = 0.525不显著）。所有参数趋势一致支持DV组症状更轻。

次要结局参数

唾液C反应蛋白：sCRP浓度组间无显著差异（p = 0.879），时间效应和交互作用不显著，提示低度炎症活动未受通风影响。

唾液免疫球蛋白A：sIgA浓度DV组显著低于WA组（p < 0.001），T1–T3分别低52.1%、59.2%、39.1%。时间效应显著（p < 0.001），WA组T1至T3下降26.0%（p = 0.016），DV组无变化。敏感性分析显示，CO₂每升100 ppm，sIgA增23%（p = 0.003）；PM_2.5每升1 SD（1.43 μg/m³），sIgA增41%（p = 0.015）。调整PM_2.5后组别效应消失，提示颗粒物暴露是组间差异主因。温湿度、VOC无显著关联。

WHO-5幸福指数：组间无显著差异（p = 0.116），时间效应和交互作用不显著，幸福度未受通风影响。

Comfort-13问卷：描述性趋势显示DV组热感觉更暖（平均+0.6 vs WA -1.2），气流感更弱，空气质评略优；声舒适无组差。报告噪音多来自课堂活动，WA组有供暖噪音，DV组无通风设备噪音。开窗状态可能影响即时感知。

讨论

结果讨论

WURSS-K结局一致表明DV组疾病负担更轻，最大症状分、功能影响及病日数显著优于WA组，绝对风险降低7.8%支持机械通风或减轻主观疾病体验。唾液生物标志物中，sCRP无组差，反映其对环境波动不敏感；sIgA在DV组持续较低，可能因低PM_2.5和CO₂暴露减少黏膜免疫激活。敏感性分析证实PM_2.5是关键中介变量，调整后组效应消失，与先前研究PM关联呼吸道症状一致。WHO-5显示主观幸福度无组差，提示通风对广泛心理状态影响有限。舒适度评分与IEQ监测吻合：DV教室温度更高稳、CO₂和PM_2.5更低，热感和气流感更优，但湿度常低于40%推荐值；VOC较高未引主观差评。声舒适无组差，DV设备未增噪音。

优势与新颖性

研究优势在于实场景合健康评估与连续IEQ监测，多维方法支持结局联合阐释。PM_2.5介导的免疫通路在校园实地研究中少见报道。生态效度高，工具验证和重复测量增强稳健性。

局限与约束

非随机设计限制因果推断；样本量小；中央通风组缺失致设计不平衡；个体差异大；主观报告可能偏倚；校外暴露未控；气候背景（采暖季）影响外推性。但机械通风概念符合规范，方法可转移。

结论

研究表明，分散式机械通风可提升教室IEQ，改善健康结局和舒适度。症状负担减轻和sIgA降低提示通风通过减少颗粒物暴露影响黏膜免疫。舒适度感知与客观IEQ一致，DV教室热环境更优、污染物浓度低，无声学弊端。整合医学结局与连续监测的方法为学校通风研究提供新视角，支持机械通风作为改善室内环境质量的可行策略，但需权衡成本、能耗和运维。未来需大样本平衡研究进一步验证。