中小學(xué)教室機(jī)械通風(fēng)效果研究

彭亞美 黃斌

深圳建筑設(shè)計(jì)研究總院有限公司合肥分院

0 引言

中小學(xué)生正處于生長發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，因?yàn)閷W(xué)習(xí)的需要，他們有很長時(shí)間在教室里度過。教室的空氣環(huán)境不僅影響學(xué)習(xí)效率，還與他們的健康息息相關(guān)。因此改善中小學(xué)教室的熱濕環(huán)境，提高室內(nèi)空氣品質(zhì)，為中小學(xué)生創(chuàng)造營造良好的學(xué)習(xí)環(huán)境，對(duì)促進(jìn)其身心健康發(fā)展十分有必要。

我國地域遼闊，教育資源不均衡，空調(diào)和暖氣在中小學(xué)教室中并不普及，大部分教室依靠自然通風(fēng)來改善教室的空氣環(huán)境。但自然通風(fēng)存在如下不足：

1）受室外風(fēng)速、天氣等諸多因素影響。雨天和霧霾天，無法開窗換氣。不僅如此，普通教室在秋冬季節(jié)出于保暖的目的，安裝分體空調(diào)的教室在空調(diào)季節(jié)出于節(jié)能的目的，也很少開窗換氣。即使在過渡季節(jié)，為了避免外界噪音和視線的干擾，教室靠內(nèi)廊的門窗也常處于關(guān)閉狀態(tài)，僅開啟外窗通風(fēng)。教室屬于人員密集場所，如果不及時(shí)通風(fēng)換氣，室內(nèi)CO2濃度會(huì)迅速上升，室內(nèi)空氣品質(zhì)急劇下降。有研究表示，中小學(xué)教室在關(guān)窗狀態(tài)下上課，全天大部分時(shí)間內(nèi)教室內(nèi)的CO2濃度處于超標(biāo)狀態(tài)[1]。過高的CO2濃度容易使學(xué)生昏昏欲睡、注意力不集中、聽課質(zhì)量下降，甚至危害他們的身體健康。

2）教室內(nèi)溫度分布不均勻。夏季由于圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱和太陽直射的影響，教室靠外窗部位溫度通常會(huì)高于教室內(nèi)區(qū)。冬季，由于玻璃輻射和冷風(fēng)滲透的影響，外窗部位的溫度低于教室內(nèi)區(qū)。根據(jù)傅志穎等人的實(shí)測和調(diào)研結(jié)果，僅有自然通風(fēng)的教室靠外窗部位與教室內(nèi)區(qū)的溫差能達(dá)到4 ℃以上，靠外窗的同學(xué)常感覺夏熱冬冷[2]。而過渡季節(jié)，靠外窗的學(xué)生因?yàn)榭梢源档阶匀伙L(fēng)感覺較為舒適，教室內(nèi)區(qū)的學(xué)生因?yàn)樽匀煌L(fēng)不良而感到悶熱。

3）極端氣候條件下教室的熱舒適難以滿足。面對(duì)越來越惡劣的氣候條件，沒有配備空調(diào)的教室在極端天氣時(shí)無法滿足基本的熱舒適要求，學(xué)生必須忍耐酷暑和嚴(yán)寒，嚴(yán)重影響學(xué)生們的學(xué)習(xí)效率，有時(shí)學(xué)校不得不選擇放假來應(yīng)對(duì)。研究表明，溫度低于18 ℃或高于28 ℃時(shí)，腦力勞動(dòng)效率極劇下降[3]。

受經(jīng)濟(jì)水平的限制，短時(shí)間內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)難以在中小學(xué)教室中全面普及。相對(duì)而言，機(jī)械通風(fēng)的初投資和運(yùn)行費(fèi)用較低，強(qiáng)化了教室的通風(fēng)換氣效果，對(duì)教室的熱濕環(huán)境和室內(nèi)空氣品質(zhì)有較為明顯的改善。本文總結(jié)了國內(nèi)外規(guī)范對(duì)中小學(xué)教室通風(fēng)換氣次數(shù)的要求，分析了常用機(jī)械通風(fēng)裝置的優(yōu)缺點(diǎn)，并運(yùn)用Airpak 軟件對(duì)幾種常用機(jī)械通風(fēng)方式進(jìn)行模擬、對(duì)比了其對(duì)教室平均風(fēng)速和均勻度的影響，旨在將不同機(jī)械通風(fēng)方式的效果更為直觀和科學(xué)的呈現(xiàn)給中小學(xué)教室的投資者，建設(shè)者和使用者，以便他們結(jié)合自己的投資預(yù)算和使用情況選擇最優(yōu)的機(jī)械通風(fēng)方式。

1 中小學(xué)教室的通風(fēng)換氣次數(shù)要求

中小學(xué)教室的最小新風(fēng)量和通風(fēng)換氣次數(shù)在多本規(guī)范中均有規(guī)定，但略有不同?！睹裼媒ㄖ┡L(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）主要考慮人員污染和建筑污染，依據(jù)人員密度不同做出的規(guī)定，但該規(guī)范未對(duì)中小學(xué)教室做出具體的規(guī)定，針對(duì)性不強(qiáng)?！吨行W(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50099-2011）是從滿足衛(wèi)生要求和稀釋室內(nèi)污染物濃度出發(fā)，規(guī)定小學(xué)教室的換氣次數(shù)為2.5 次/h，初中為3.5 次/h，高中為4.5 次/h[4]?！吨行W(xué)教室換氣衛(wèi)生要求》（GBT 17226-2017）主要考慮室內(nèi)衛(wèi)生和健康的最低要求，規(guī)定小學(xué)教室的最小新風(fēng)量為20 m3/(人·h)，初中為25 m3/(人·h)，高中為32 m3/(人·h)[5]。美國《ASHRAE Standard 62.1-2016》中規(guī)定的中小學(xué)教室人均新風(fēng)量約為19.5 m3/(人·h)（按人員密度0.7 人/m2核算）[6]。

2 中小學(xué)教室常用的機(jī)械通風(fēng)裝置

常見的機(jī)械通風(fēng)裝置有：窗式通風(fēng)器，排氣扇或排風(fēng)機(jī)、新風(fēng)機(jī)、全熱交換器等。

窗式通風(fēng)器分為自然通風(fēng)器和電動(dòng)通風(fēng)器。自然通風(fēng)器是依靠自然環(huán)境造成的局部氣壓差，室內(nèi)外溫差和室外風(fēng)壓而產(chǎn)生空氣交換的一種換氣方式，不需要機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，通風(fēng)量的大小取決于室內(nèi)外溫差，室外風(fēng)速和氣溫高低。電動(dòng)通風(fēng)器是在自然通風(fēng)器中內(nèi)置了橫流風(fēng)機(jī)，通風(fēng)量更大且不受外界環(huán)境干擾。

排氣扇或排風(fēng)機(jī)依靠機(jī)械動(dòng)力排出室內(nèi)污濁的空氣，使得室內(nèi)處于負(fù)壓狀態(tài)，吸引室外新鮮空氣自然補(bǔ)入，達(dá)到通風(fēng)換氣、降溫的效果。排氣扇不需另加風(fēng)口，形式有嵌墻式、吸頂式、管道式等。排風(fēng)機(jī)易與教室裝修結(jié)合，可以通過不同布置方式及搭配不同的風(fēng)口形式，使教室內(nèi)排風(fēng)流場更為均勻。

新風(fēng)機(jī)利用機(jī)械動(dòng)力將室外的新鮮空氣送入室內(nèi)，形成正壓，靠壓差使室內(nèi)污濁空氣自然滲透排出室外，機(jī)組可以選配不同的配件對(duì)室外空氣進(jìn)行過濾，凈化或調(diào)溫，以滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)和熱舒適的需求。其形式有壁掛式、落地式、吊頂式等多種。

全熱交換器是在新風(fēng)機(jī)組的基礎(chǔ)上增加排風(fēng)裝置和熱交換組件，將室外空氣送入室內(nèi)的同時(shí)將室內(nèi)空氣排出室外，并且新、排風(fēng)在機(jī)器中進(jìn)行熱交換，回收能量、節(jié)約能源。在夏季制冷時(shí)，新風(fēng)被排風(fēng)降溫、干燥，使新風(fēng)溫、濕度降低。在冬季制熱時(shí)，新風(fēng)被排風(fēng)加熱、加濕，從而達(dá)到既通風(fēng)換氣又保持室內(nèi)溫、濕度穩(wěn)定的效果。其形式與新風(fēng)機(jī)組相似，也有壁掛式、吊頂式、落地式等多種樣式。

幾種機(jī)械通風(fēng)方式的特點(diǎn)及與自然通風(fēng)的對(duì)比詳見表1：

表1 幾種通風(fēng)方式的對(duì)比

3 中小學(xué)教室機(jī)械通風(fēng)的CFD 模擬

為了更好分析不同通風(fēng)方式對(duì)教室室內(nèi)環(huán)境的影響，選取一典型教室，利用Airpak 軟件對(duì)其不同通風(fēng)方式和空調(diào)布置形式分別進(jìn)行氣流組織模擬，并對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了分析比對(duì)。

3.1 物理模型

以9.4 m×8.6 m 的標(biāo)準(zhǔn)初中教室為基礎(chǔ)模型，班級(jí)人數(shù)為45 人，教室前端黑板，中部布置投影儀，后部布置儲(chǔ)物柜。根據(jù)規(guī)范計(jì)算，機(jī)械通風(fēng)量為1200 m3/h，設(shè)計(jì)如下幾種機(jī)械通風(fēng)方案：

方案一：設(shè)置窗式通風(fēng)器通風(fēng)。在教室外窗上下各設(shè)置6 臺(tái)窗式電動(dòng)通風(fēng)器機(jī)械進(jìn)風(fēng)，單臺(tái)通風(fēng)量為100 m3/h，總進(jìn)風(fēng)量為1200 m3/h，在教室靠內(nèi)廊的窗上下各裝6 臺(tái)窗式自然通風(fēng)器自然排風(fēng)，平面布置具體如圖1。

圖1 設(shè)置窗式通風(fēng)器通風(fēng)平面布置圖

方案二：設(shè)置排風(fēng)機(jī)通風(fēng)。在教室前端黑板上方空腔設(shè)置一臺(tái)風(fēng)量為1200 m3/h 的排風(fēng)機(jī)機(jī)械排風(fēng)，排風(fēng)口設(shè)置于講臺(tái)正上方，利用外窗自然進(jìn)風(fēng)，平面布置如圖2。

圖2 設(shè)置排風(fēng)機(jī)通風(fēng)平面布置圖

方案三：設(shè)置新風(fēng)機(jī)通風(fēng)。在教室兩側(cè)各設(shè)置一臺(tái)風(fēng)量為600 m3/h 的新風(fēng)機(jī)組向教室內(nèi)送風(fēng)，利用外窗自然排風(fēng)，平面布置如圖3。

方案四：設(shè)置全熱交換器通風(fēng)。在教室兩側(cè)各設(shè)置一臺(tái)風(fēng)量為600 m3/h 的全熱交換器，在教室長邊布置送風(fēng)口，短邊布置排風(fēng)口，機(jī)械進(jìn)排風(fēng)。

為便于分析和計(jì)算，對(duì)模型進(jìn)行簡化：由于教室使用人員較密集，且人體模型表面復(fù)雜，若使用標(biāo)準(zhǔn)的人體模型代入計(jì)算，則網(wǎng)格數(shù)目過多，因此在模擬過程中使用block 模型簡化人員模型。教室的桌椅、欄桿等體積不大、且無熱濕量產(chǎn)生的設(shè)施，認(rèn)為對(duì)人員活動(dòng)區(qū)域溫度場、風(fēng)速場無影響，故將其忽略。經(jīng)過簡化后的教室三維計(jì)算模型如圖4 所示。

圖3 設(shè)置新風(fēng)機(jī)組通風(fēng)平面布置圖

圖4 教室基礎(chǔ)三維模型

圖4 模型中室內(nèi)人員、教室隔墻、儲(chǔ)物柜、講臺(tái)分別以不同長方形體塊代替，桌面以矩形平面代替。新、排風(fēng)口根據(jù)不同的通風(fēng)形式分別設(shè)置。本次計(jì)算尺寸為9.6 m×8.6 m×3.9 m，共劃分網(wǎng)格63 萬個(gè)。

邊界條件設(shè)置：①人員模型均以block 模型表示，6 排共46 人。單個(gè)人員散熱量按108 W，散濕按68 g/h計(jì)算。照明負(fù)荷以照明功率密度計(jì)入，按照負(fù)荷計(jì)算取15 W/m2，以樓板熱流的形式給出。②本研究主要針對(duì)教室不同通風(fēng)形式氣流組織差異，故僅考慮外界風(fēng)壓對(duì)教室氣流的影響，不考慮教室通過外界的得熱量。故教室外墻按等溫壁面處理，其溫度等于室溫。③新風(fēng)口、排風(fēng)口根據(jù)不同通風(fēng)空調(diào)形式采用Vent 或者Opening 模型，風(fēng)口尺寸與出口風(fēng)速均設(shè)置與設(shè)計(jì)相同。④采用k-ε 雙方程湍流模型求解方程組，Pressure（質(zhì)量守恒方程松弛因子）取0.3，Momentum（動(dòng)量守恒方程松弛因子）取0.7，其余采用Airpak 默認(rèn)設(shè)置。

3.2 模擬結(jié)果對(duì)比及分析

以1 m 處的平面（約等于學(xué)生做下后頭頂部的高度）作為分析對(duì)象，各方案在1 m 高度處的風(fēng)速云圖如圖5～8 所示：

圖5 方案一1 m 高平面風(fēng)速分布云圖

圖6 方案二1 m 高平面風(fēng)速分布云圖

圖7 方案三1 m 高平面風(fēng)速分布云圖

圖8 方案四1 m 高平面風(fēng)速分布云圖

根據(jù)各方案的速度分布圖可以得出：方案一的人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速約為0.15～0.45 m/s。方案二的人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速約為0.15～0.55 m/s。方案三的人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速約為0.15～0.4 m/s。方案四的人員活動(dòng)區(qū)風(fēng)速約為，0.1～0.37 m/s。采用窗式空調(diào)器（方案一）對(duì)靠外窗區(qū)域的通風(fēng)效果提升明顯，靠內(nèi)廊區(qū)域較差。采用排風(fēng)機(jī)在教室前部排風(fēng)、利用外窗自然進(jìn)風(fēng)（方案二）對(duì)教室兩側(cè)的通風(fēng)效果都有提升，但未布置排風(fēng)口的教室后排區(qū)域氣流不暢。采用新風(fēng)機(jī)組在教室前后送風(fēng)、外窗自然排風(fēng)（方案三）教室的氣流分布均勻，無明顯死角，人員活動(dòng)區(qū)的風(fēng)速也較為舒適。采用全熱交換器沿教室靠窗兩側(cè)送風(fēng)、教室前部排風(fēng)（方案四）在出風(fēng)口處的風(fēng)速較高，但人員活動(dòng)區(qū)的風(fēng)速均勻且較為舒適。

4 結(jié)語

采用機(jī)械通風(fēng)是改善中小學(xué)教室室內(nèi)空氣環(huán)境最經(jīng)濟(jì)的途徑。不同的機(jī)械通風(fēng)方式具有不同的效果，本文通過CFD 模擬對(duì)各種形式進(jìn)行了比對(duì)，其結(jié)果對(duì)中小學(xué)校的設(shè)計(jì)和建設(shè)具有一定的參考意義。