霧霾條件下中小學(xué)教室內(nèi)空氣質(zhì)量的模擬與分析

楊法森，步勇成，季家艷

（山東建筑大學(xué)，山東濟南250101）

1 研究背景

近年來霧霾天氣頻發(fā)，導(dǎo)致室內(nèi)的PM2.5濃度升高。我國青少年多數(shù)在中小學(xué)階段，平均每天有80%以上的時間在教室內(nèi)度過，教室內(nèi)的空氣品質(zhì)顯得尤為重要［1］。當(dāng)前的霧霾天氣造成的空氣污染與人們的呼吸系統(tǒng)疾病有很顯著的關(guān)聯(lián)性，當(dāng)室外霧霾越嚴(yán)重，其患病率就越高，霧霾對易感人群，尤其是青少年身體健康造成了嚴(yán)重的危害。

教室是中小學(xué)生每天的學(xué)習(xí)場所，教室內(nèi)的空氣品質(zhì)對正處于生長發(fā)育期的學(xué)生就顯得尤為重要。北方地區(qū)中小學(xué)教室多采用集中供暖，室內(nèi)人員集中，霧霾天氣嚴(yán)重時，教室會長時間密閉，人員呼吸產(chǎn)生的二氧化碳濃度增加會導(dǎo)致學(xué)習(xí)效率下降。需引入新風(fēng)進行稀釋，但引入新風(fēng)又會增加教室內(nèi)PM2.5。因此研究室內(nèi)污染物濃度分布規(guī)律，從而提出如何在控制教室內(nèi)污染物的同時減少室外PM2.5進入室內(nèi)的控制策略有很大的意義。

2 模型的建立

2.1 教室數(shù)學(xué)模型與計算模型

本文教室模型中尺寸均按照實際教室尺寸，教室內(nèi)各參數(shù)尺寸如表1所示。Airpak軟件中建立Room模型 （如圖1），x軸方向為北向，坐標(biāo)原點位于房間的左下角 （講臺位置），教室南墻為外墻，北墻外為走廊，東西墻與其他教室相連。教室模型中的人員桌椅模型較多，具體坐標(biāo)參數(shù)不再一一列舉。

表1 教室內(nèi)基本尺寸參數(shù)

2.2 模型假設(shè)與邊界條件設(shè)置

本文對比模擬教室在自然狀態(tài)下與安裝新風(fēng)系統(tǒng)時的教室內(nèi)二氧化碳濃度場、PM2.5濃度場與溫濕度場，選擇穩(wěn)態(tài)模型進行模擬，壓力邊界以濟南市冬季室外平均壓力101910Pa，教室的排風(fēng)口設(shè)定為自由邊界條件。邊界條件如若完全按實際情況設(shè)置，模型會極其復(fù)雜，為簡化模型，做如下假設(shè)：

（1）室內(nèi)氣體視為不可壓縮流體。（2）室內(nèi)流動為穩(wěn)態(tài)流動，不隨時間發(fā)生變化。（3）室內(nèi)空氣為輻射透明介質(zhì)。（4）忽略室外不同時間各參數(shù)的變化。（5）忽略細顆粒物對湍流流動的影響。（6）初始時刻室內(nèi)PM2.5濃度、二氧化碳濃度、溫濕度均勻分布。

圖1 教室airpak模型立體圖

2.3 模擬工況

室內(nèi)通風(fēng)情況是教室內(nèi)空氣質(zhì)量的主要影響因素，因此將模擬劃分為以下幾種工況進行模擬：

（1）第一種工況：教室的實際狀態(tài)，室內(nèi)人數(shù)為52人，冬季不開門窗情況下教室內(nèi)污染物場與溫度場。

（2）第二種工況：模擬房間門窗全部關(guān)閉、新風(fēng)系統(tǒng)不同新風(fēng)口位置對室內(nèi)二氧化碳、PM2.5的濃度分布影響，綜合對比尋找較佳的新風(fēng)口位置。

（3）第三種工況：模擬在最佳新風(fēng)口位置，不帶熱源新風(fēng)系統(tǒng)不同室外溫度 （設(shè)置為-5℃、0℃、5℃、10℃）條件下室內(nèi)溫度場分布；帶熱源新風(fēng)系統(tǒng)室內(nèi)溫度場分布。

為表示教室內(nèi)污染物濃度分布情況，本文選取兩個水平面和三個豎直面。水平面為y＝1.2m和y＝1.6m，y＝1.2m截面表示學(xué)生保持坐姿的呼吸平面，y＝1.6m截面表示學(xué)生站立的呼吸平面；豎直面選取具體位置分別為x＝1.35，x＝3.75，x＝6.15，代表學(xué)生經(jīng)常停留的學(xué)習(xí)活動區(qū)域。

3 模擬結(jié)果分析

3.1 教室門窗關(guān)閉各項指標(biāo)結(jié)果分析

本節(jié)模擬教室門窗關(guān)閉不予通風(fēng)的工況，邊界條件與實際情況基本一致，但由于沒有通風(fēng)，僅考慮存在室內(nèi)人員擾動，模擬結(jié)果波動會非常小，污染物濃度場、溫度場、濕度場會分布比較均勻，因此從模型中僅選取三個點 （如圖2），作為代表點來代表整個房間的濃度。

圖2 模型中選取點的位置

模型中三個代表點PM2.5濃度值、二氧化碳濃度、溫度、相對濕度分別在表2中列出。

表2可以看出，三個點的數(shù)值相差很小，在沒有通風(fēng)的條件下，室內(nèi)的二氧化碳濃度、PM2.5濃度、溫濕度分布非常均勻。

軟件模擬二氧化碳濃度和PM2.5濃度遠大于實測值，因為模型中教室內(nèi)人員作為污染源持續(xù)釋放二氧化碳與PM2.5，沒有任何的方式稀釋，室內(nèi)的污染物會不斷積累。雖然實際情況下，教室內(nèi)二氧化碳濃度會由于教室內(nèi)的門窗開啟、大氣滲透等原因，不會一直上漲，但這也說明沒有通風(fēng)方式，教室內(nèi)的污染物濃度會很高［2］。

3.2 不同氣流組織下室內(nèi)污染物的分布

通風(fēng)對教室內(nèi)污染物的濃度有很大的影響，教室內(nèi)安裝新風(fēng)系統(tǒng)能夠降低教室內(nèi)的污染物濃度，但是送新風(fēng)的形式不同，教室內(nèi)污染物的分布規(guī)律則會不同，為了研究不同的氣流組織形式對教室內(nèi)污染物分布的影響，進而找到最為合理的氣流組織形式，本文模擬新風(fēng)量、室內(nèi)人員、室外條件相同，新風(fēng)口與排風(fēng)口位置、數(shù)量條件不同的情況下，教室內(nèi)污染物的分布規(guī)律［3］。表3中詳細列出了模擬新風(fēng)系統(tǒng)不同氣流組織形式。圖3中表示不同氣流組織形式的風(fēng)口在房間的布置位置。

表2 不開窗工況下代表點處各項參數(shù)

表3 模擬新風(fēng)系統(tǒng)不同氣流組織形式

圖3 七種不同氣流組織形式的風(fēng)口在房間中的位置布置

以二氧化碳濃度為基準(zhǔn)進行教室新風(fēng)量計算，稀釋教室內(nèi)二氧化碳所需要的新風(fēng)量按式（1）來計算［4］，即

式中：Vco2為以二氧化碳為基準(zhǔn)確定的新風(fēng)量，m3／h；Sco2為室內(nèi)二氧化碳發(fā)生量，m3／h；C為房間內(nèi)二氧化碳的允許濃度，L／m3；CO為室外二氧化碳濃度L／m3，室外空氣中二氧化碳濃度按照實際測試值500ppm，即0.5L／m3。

室內(nèi)人體二氧化碳發(fā)生量與人體代謝率有關(guān)，計算如下：

式中：Sco2為每個人的二氧化碳發(fā)生量，m3／s；M為新陳代謝率，W／m2，一般坐著活動的人M＝70W／m2；AP為人體表面積，m2，一個標(biāo)準(zhǔn)的中國男人的AP＝1.69m2，中小學(xué)生的取80%。

該中學(xué)教室面積70.2m2，班級人數(shù)為52人，人均面積約為1.3m2，教室高度在3.9m，教室內(nèi)每人的二氧化碳發(fā)生量為：

該教室安裝新風(fēng)系統(tǒng)，室內(nèi)要求二氧化碳濃度不超過0.1%，則由式 （1）計算出室內(nèi)所需新風(fēng)量為：

此時教室內(nèi)的人均新風(fēng)量為27.26m3／h，取能夠保證教室內(nèi)二氧化碳濃度1000ppm標(biāo)準(zhǔn)的新風(fēng)量1417.52m3／h為教室內(nèi)新風(fēng)量，人員53人，學(xué)生52人，教師1人。模擬得到教室內(nèi)二氧化碳的濃度場，如圖4～圖10中 （a）所示。模擬室外PM2.5濃度為 24μg／m3，新風(fēng)量 1417.52m3／h，得到教室內(nèi)PM2.5的濃度場，如圖4～圖10中 （b）所示。

圖4～圖10中 （a）為y＝1.2m截面處二氧化碳濃度場， （b）為y＝1.6m截面處PM2.5濃度場。圖中顏色由藍色至紅色，數(shù)值越來越大。由圖2～圖8可以看出，同一種氣流組織的送新風(fēng)形式，教室內(nèi)的二氧化碳與PM2.5兩種污染物濃度分布規(guī)律基本相似。

圖4 氣流組織形式A污染物濃度場

圖5 氣流組織形式B污染物濃度場

圖6 氣流組織形式C污染物濃度場

圖7 氣流組織形式D污染物濃度場

圖8 氣流組織形式E污染物濃度場

圖9 氣流組織形式F污染物濃度場

圖10 氣流組織形式G污染物濃度場

A氣流組織形式：教室內(nèi)的污染物濃度沿Z軸呈現(xiàn)中間高兩邊低的分布規(guī)律，由于教室內(nèi)人員集中在中間，因而中間的污染物濃度高，沿X軸方向污染物濃度逐漸上升。

B氣流組織形式：污染物濃度沿Z軸方向逐漸升高，沿X軸方向變化不明顯，因為新風(fēng)口位于講臺側(cè)，離新風(fēng)口越近污染物的濃度越低，污染物濃度分布不均勻。

C氣流組織形式：污染物濃度沿Z軸呈現(xiàn)中間高兩邊低的分布規(guī)律，沿X軸方向污染物濃度先降低后上升，新風(fēng)口位于教室中間，中間濃度低，排風(fēng)口側(cè)區(qū)域的濃度要比教室另一側(cè)高。

D氣流組織形式：污染物濃度沿Z軸逐漸升高，沿X軸方向呈現(xiàn)先降低后升高的規(guī)律，因為新風(fēng)口位于教室中間，教室前部分人員少，濃度相對較低。

E氣流組織形式：污染物濃度沿Z軸呈現(xiàn)中間高兩邊低的分布規(guī)律，沿X軸方向逐漸降低，新風(fēng)口位于教室前后兩側(cè)，排風(fēng)口側(cè)、人員集中區(qū)域的污染物濃度很高。

F氣流組織形式：污染物濃度沿Z軸分布比較均勻，沿X軸方向濃度逐漸降低，新風(fēng)口與排風(fēng)口位于同側(cè)，在該平面上教室內(nèi)二氧化碳濃度接近1000ppm。

G氣流組織形式：污染物濃度沿Z軸分布比較均勻，沿X軸方向濃度逐漸升高，分布規(guī)律與F氣流組織形式相反，因為新風(fēng)口與排風(fēng)口位于異側(cè)，但在該平面上污染物濃度分布不均勻，排風(fēng)口區(qū)域二氧化碳濃度高于1500ppm。

綜合以上7種氣流組織形式可以發(fā)現(xiàn)，同一種氣流組織形式下，兩種污染物在教室內(nèi)的分布規(guī)律基本相同，污染物分布規(guī)律受新風(fēng)口位置影響很大，靠近新風(fēng)口側(cè)的污染物濃度較低。通過對比圖中 （a）可以明顯可以看出稀釋二氧化碳最佳的氣流組織形式是F形式，通過對比圖中 （b）不能明顯看出稀釋PM2.5的最佳氣流組織形式，但F形式相對于其他形式效果最差。圖11、圖12分別顯示了不同風(fēng)口布置形式下二氧化碳、PM2.5濃度平均值。

圖11 不同風(fēng)口布置形式下二氧化碳濃度平均值

圖11 可以看出，相同的新風(fēng)量，不同的新風(fēng)口位置對教室內(nèi)二氧化碳濃度稀釋效果不同，最好的形式是F，即側(cè)送下排，新風(fēng)口與排風(fēng)口位于教室同側(cè)。在 y＝1.2m處，二氧化碳平均濃度1050ppm，在y＝1.6m處，二氧化碳平均濃度1040ppm，新風(fēng)口位于其他位置下的二氧化碳平均濃度在1400ppm至1500ppm之間，效果明顯較差。此外，理論計算得到的新風(fēng)量能夠滿足室內(nèi)二氧化碳1000ppm的標(biāo)準(zhǔn)，實際需要結(jié)合新風(fēng)送風(fēng)形式才能達到要求。

圖12 不同風(fēng)口布置形式下PM2.5濃度平均值

圖12 可以看出，相同的新風(fēng)量與室外條件，不同的新風(fēng)口位置對教室內(nèi)PM2.5的濃度稀釋效果不同，且差距不大，平均濃度在33～35μg／m3之間，都能夠滿足要求。

對比圖11與圖12可以發(fā)現(xiàn)，稀釋二氧化碳最好的氣流組織形式，對PM2.5濃度來講并不是最好的。各種氣流組織形式對比，F(xiàn)形式在稀釋二氧化碳時效果明顯比其他形式好，而且此形式下，PM2.5濃度仍然滿足要求，因此建議選用F風(fēng)口布置形式，即側(cè)送下排，新風(fēng)口與排風(fēng)口位于教室同側(cè)的布置形式。

3.3 不同室外溫度下室內(nèi)溫度場

引入教室內(nèi)的新風(fēng)若不進行熱處理，會對室內(nèi)熱環(huán)境造成影響，不同的室外溫度會影響教室內(nèi)的溫度場分布不同。為了研究不同室外溫度下室內(nèi)溫濕度的變化規(guī)律，本節(jié)模擬相同新風(fēng)量、相同室內(nèi)人員、相同的風(fēng)口布置形式，在不同的室外溫度條件下，教室溫濕度的變化情況。新風(fēng)量1417.52m3／h，人員53人，包括學(xué)生52人，教師1人，室外溫度變化區(qū)域很大，不同的室外溫度取-5℃、0℃、5℃、10℃，選用對室內(nèi)污染物稀釋效果最好的F風(fēng)口布置形式。人體感受溫度不僅在呼吸平面，主要是身體的感覺，因此取高度0.8m、1.2m、1.6m三個截面來代表教室內(nèi)的溫度。

（1）新風(fēng)系統(tǒng)不帶熱源

新風(fēng)系統(tǒng)不經(jīng)熱處理，室外空氣直接送入室內(nèi)，室內(nèi)存在熱源，因此室內(nèi)的溫度分布規(guī)律并不能直接得出結(jié)論，通過模擬得出室外不同溫度下室內(nèi)溫度的最大值、最小值、平均值 （見表4）。圖13是在高度為0.8m平面時不同新風(fēng)溫度下，室內(nèi)溫濕度平均值。

表4 室外不同溫度室內(nèi)溫度最大值、最小值、平均值

圖13 不同室外溫度時室內(nèi)溫濕度平均值

圖13 可以看出隨著室外溫度的升高，室內(nèi)溫度隨之升高，室內(nèi)相對濕度呈下降趨勢。室外溫度為-5℃時，平均溫度為9.46℃，溫度過低，不能滿足室內(nèi)熱源的熱舒適度；室外溫度為10℃時，平均溫度為23.4℃，在室內(nèi)人員的舒適范圍內(nèi)。

（2）新風(fēng)系統(tǒng)帶熱源

通過計算，新風(fēng)送風(fēng)溫度為4.35℃能夠滿足室內(nèi)溫度為16℃，由表4可知，送風(fēng)溫度為5℃時，教室內(nèi)人員所在區(qū)域的最低溫度16.16℃，能夠滿足室內(nèi)人員的熱舒適要求。為考慮到送風(fēng)溫差，模擬新風(fēng)溫度處理到6℃時教室內(nèi)的溫度分布，模擬結(jié)果如圖15。由圖15可以看出，室內(nèi)溫度在同一平面上分布比較均勻，Z軸方向兩處高溫是由于散熱器的溫度高，軟件計算三個平面溫度平均值分別為20.2℃、19.8℃、19.7℃，均滿足教室內(nèi)對溫度的要求。因此，對于帶熱源或熱回收裝置的新風(fēng)系統(tǒng)，能夠?qū)⑿嘛L(fēng)溫度處理至6℃，就能滿足室內(nèi)溫度的要求。

4 結(jié)論

本文通過模擬教室在多種工況條件下，室內(nèi)溫濕度、二氧化碳濃度及PM2.5濃度分布規(guī)律。通過對比分析不同新風(fēng)口位置對室內(nèi)二氧化碳、PM2.5濃度分布的影響，對比新風(fēng)系統(tǒng)有、無加熱裝置室內(nèi)的溫濕度場，尋找較佳的新風(fēng)口位置，確定送新風(fēng)的PM2.5濃度值、溫濕度值。通過分析得到以下結(jié)論：

（1）新風(fēng)量、室內(nèi)人員數(shù)量、室外條件相同下，下，不同氣流組織形式對室內(nèi)污染物濃度的影響不同。

（2）相同氣流組織形式下，室內(nèi)兩種污染物濃度場的分布規(guī)律基本相同，但效果不同，稀釋教室內(nèi)二氧化碳濃度效果最好的形式稀釋PM2.5濃度效果并不是最好，綜合分析，新風(fēng)口側(cè)送，排風(fēng)口同側(cè)下排的方式較佳。

（3）新風(fēng)沒有加熱裝置直接進入室內(nèi)，室內(nèi)的溫度會隨室外溫度增大而增大，相對濕度趨勢相反，冬季新風(fēng)不經(jīng)加熱裝置直接送入室內(nèi)，室內(nèi)溫度偏低，不能滿足室內(nèi)環(huán)境熱舒適度的要求，將新風(fēng)溫度處理到6℃進入室內(nèi)，就能夠滿足室內(nèi)熱環(huán)境要求。

圖15 不同截面室內(nèi)溫度分布圖