夏熱冬暖地區(qū)中小學(xué)教室的新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)探究

周俊杰 陳鳳娜

深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司

0 引言

夏熱冬暖地區(qū)中小學(xué)教室以自然通風(fēng)為主，空調(diào)形式以分體空調(diào)為主，大部分教室均無(wú)新風(fēng)系統(tǒng)。采用自然通風(fēng)的教室存在新風(fēng)量不足的嚴(yán)重問(wèn)題，室內(nèi)空氣中二氧化碳含量超出我國(guó)衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)要求，長(zhǎng)時(shí)間處在這樣的環(huán)境中，學(xué)生的學(xué)習(xí)效率明顯偏低[1]。

充足的新鮮空氣保證學(xué)生能夠健康成長(zhǎng)，并能保證學(xué)生的聽(tīng)課質(zhì)量。根據(jù)日本就學(xué)校教室換氣量多少對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)效率的影響分析顯示，換氣次數(shù)為0.4 次/h 與3.5 次/h 對(duì)比時(shí)，后者學(xué)生的學(xué)習(xí)效率可提高5%～9%。同時(shí)，隨著學(xué)生在教室停留時(shí)間的增加，換氣量大的教室內(nèi)學(xué)生的學(xué)習(xí)效率可提高7%～10%[2]。

本文主要針對(duì)在設(shè)計(jì)階段，基于控制室內(nèi)CO2濃度下教室新風(fēng)量指標(biāo)如何選取，對(duì)教室室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，以及夏熱冬暖地區(qū)教室適宜采用的新風(fēng)處理技術(shù)三個(gè)方面進(jìn)行探討。

1 教室新風(fēng)量指標(biāo)要求

1）國(guó)內(nèi)不同規(guī)范對(duì)CO2濃度、新風(fēng)量的要求：不同規(guī)范對(duì)教室CO2最高允許濃度、最小新風(fēng)量的規(guī)定見(jiàn)表1 所示。

表1 國(guó)內(nèi)不同規(guī)范對(duì)教室CO2濃度及最小新風(fēng)量的規(guī)定

從表1 可以看出，不同規(guī)范對(duì)教室CO2濃度要求在0.10%～0.15%，按新規(guī)范優(yōu)先的原則，CO2濃度宜按0.10%取值。不同規(guī)范對(duì)教室的最小新風(fēng)量要求亦均不相同，其中《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012 第3.0.6 針對(duì)不同人員密度提出了最小新風(fēng)量在22～28 m3/(h·人)?！吨行W(xué)校教室換氣衛(wèi)生要求》GB/T-17226-2017 則按小學(xué)、初中、高中不同類(lèi)別規(guī)定了教室的最小新風(fēng)量在20～32 m3/(h·人)?！吨行W(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50099-2011 第9.1.3 條中按學(xué)校不同類(lèi)別規(guī)定了普通教室的換氣次數(shù)要求，且10.1.8條規(guī)定普通教室的最小新風(fēng)量為19 m3/(h·人)；同時(shí)在《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50099-2011 條文說(shuō)明10.1.8條，給出了新風(fēng)量與CO2濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系：“依室內(nèi)CO2濃度為0.1%時(shí)的新風(fēng)量31.8 m3/(h·人)折算，濃度為0.15%時(shí)新風(fēng)量是18.3 m3/(h·人)”?？梢岳斫鉃椋碈O2濃度0.10%設(shè)計(jì)，《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50099-2011 的建議新風(fēng)量約為32 m3/(h·人)?？紤]幾本規(guī)范發(fā)布的年代不同，最小新風(fēng)量指標(biāo)的總體變化趨勢(shì)整體趨于加大取值，對(duì)比見(jiàn)圖1。

圖1 不同規(guī)范要求最小新風(fēng)量取值范圍變化趨勢(shì)

按《中小學(xué)校設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50099-2011 換氣次數(shù)要求及最小新風(fēng)量要求、不同教室高度（一般教室高度為3～4 m）、不同人員密度（PF=0.4～1.0）分別計(jì)算出新風(fēng)量值，再與其他規(guī)范的最小新風(fēng)量要求進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖2～4。

圖2 不同層高的小學(xué)教室規(guī)范要求最小新風(fēng)量

圖3 不同層高的初中教室規(guī)范要求最小新風(fēng)量范圍

可以看出，各規(guī)范對(duì)最小新風(fēng)量指標(biāo)的要求范圍偏差很大，其中小學(xué)教室最小新風(fēng)量取值范圍在19～28 m3/(h·人)，初中教室最小新風(fēng)量取值范圍在19～35 m3/(h·人)，高中教室最小新風(fēng)量取值范圍在19～45 m3/(h·人)。新風(fēng)量取值過(guò)高會(huì)帶來(lái)新風(fēng)的處理能耗問(wèn)題，新風(fēng)量取值過(guò)低不滿(mǎn)足室內(nèi)CO2濃度控制要求，故有必要進(jìn)一步通過(guò)模擬計(jì)算進(jìn)行分析。

2 教室室內(nèi)CO2 濃度預(yù)測(cè)分析

1）計(jì)算模擬軟件：采用深圳市建筑科學(xué)研究院股份有限公司開(kāi)發(fā)的PACT-IAQ 軟件，提供了室內(nèi)設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)優(yōu)化功能，PACT-IAQ 可提供VOCs、顆粒物、CO2等多種污染物耦合模擬分析，對(duì)項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案進(jìn)行綜合評(píng)估，預(yù)測(cè)建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)，計(jì)算實(shí)時(shí)污染負(fù)荷，解析分級(jí)污染源頭，輸出分項(xiàng)控制要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為營(yíng)造健康舒適的室內(nèi)環(huán)境提供技術(shù)保障。

2）計(jì)算邊界條件：以深圳某新建中學(xué)教學(xué)組團(tuán)初中教室為例，教室建筑面積68 m2，室內(nèi)共51 人，其中學(xué)生50 人，教師1 人，人員密度為0.75 人/m2（上課時(shí)間人員密度不變），成人CO2呼出量0.046 m3/h·人，學(xué)生CO2呼出量0.021 m3/h·人。學(xué)校作息時(shí)間簡(jiǎn)化為上課時(shí)間上午8:00～12:00，下午14:00～16:00。按照夏熱冬暖地區(qū)外門(mén)窗氣密性6 級(jí)的分級(jí)指標(biāo)可計(jì)算出門(mén)窗關(guān)閉狀態(tài)下，教室換氣次數(shù)為0.2～0.3 次/h，考慮實(shí)際教室課間間歇開(kāi)門(mén)窗，自然通風(fēng)工況簡(jiǎn)化為日間8:00～18:00 換氣次數(shù)1.0 次/h，夜間換氣次數(shù)按0.5 次/h 計(jì)算；機(jī)械送新風(fēng)工況按《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》最小新風(fēng)量指標(biāo)選取。

3）計(jì)算模擬結(jié)果：分別模擬計(jì)算自然通風(fēng)工況下、機(jī)械送新風(fēng)工況下教室室內(nèi)CO2濃度變化。

圖5 為采用自然通風(fēng)工況下，教室室內(nèi)CO2濃度變化。模擬結(jié)果顯示，在自然通風(fēng)工況下，上課期間室內(nèi)CO2濃度快速升高，CO2濃度很快就超過(guò)室內(nèi)最高允許濃度1000ppm 的要求。自然通風(fēng)教室新風(fēng)量不足是影響室內(nèi)CO2濃度的主要原因，盡量開(kāi)門(mén)窗通風(fēng)為教室注入新鮮空氣，對(duì)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)十分有利[3]。

圖5 自然通風(fēng)工況下教室內(nèi)逐時(shí)CO2 濃度變化

但在夏熱冬暖地區(qū)的空調(diào)季節(jié)，加大自然通風(fēng)會(huì)影響室內(nèi)熱舒適性，以犧牲熱舒適性來(lái)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)不是最好的解決辦法。

圖6 為采用機(jī)械送新風(fēng)工況下，PACT-IAQ 軟件模擬計(jì)算得出的不同新風(fēng)量指標(biāo)及人員密度下，室內(nèi)逐時(shí)CO2濃度變化曲線(xiàn)。采用機(jī)械送新風(fēng)工況下，上午課間室內(nèi)CO2濃度快速升高，很快室內(nèi)達(dá)到平衡狀態(tài)，中午由于是午休時(shí)間CO2濃度有所回落。當(dāng)本項(xiàng)目新風(fēng)指標(biāo)取28 m3/(h·人)時(shí)，可以基本滿(mǎn)足室內(nèi)CO2濃度的要求；當(dāng)新風(fēng)指標(biāo)取22～24 m3/(h·人)時(shí)，室內(nèi)最大CO2濃度1025～1079 ppm，略高于室內(nèi)CO2濃度限值1000 ppm。

圖6 機(jī)械送新風(fēng)工況下教室內(nèi)逐時(shí)CO2 濃度變化

從上述模擬結(jié)果可以看出，按《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50736-2012 中的新風(fēng)量指標(biāo)，不一定能滿(mǎn)足室內(nèi)CO2濃度的要求。教室上課期間教室內(nèi)人員數(shù)量穩(wěn)定，且學(xué)生處于相對(duì)平靜狀態(tài)，室內(nèi)CO2呼出量相對(duì)穩(wěn)定，考慮不同年齡段的學(xué)生及活動(dòng)水平，其對(duì)應(yīng)的CO2呼出量不同，《中小學(xué)校教室換氣衛(wèi)生要求》GB/T-17226-2017 按小學(xué)、初中、高中不同類(lèi)型規(guī)定不同最小新風(fēng)量更為合理。

考慮近年來(lái)我國(guó)室外CO2濃度呈不斷增長(zhǎng)趨勢(shì)，采用1000×10-6作為室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)控制值將提高對(duì)新風(fēng)量要求[4]。在設(shè)計(jì)階段，基于CO2濃度控制作為目標(biāo)，可依據(jù)下列公式直接計(jì)算出最小新風(fēng)量指標(biāo)[5]：

式中：Q 為教室新風(fēng)量，m3/(h·人)；M 為CO2呼出量，L/(h·人)；K 為教室內(nèi)CO2最高允許濃度，%；K0室外空氣的CO2濃度，%。

3 教室新風(fēng)處理方式淺析

在夏熱冬暖地區(qū)的教室，由于夏季空調(diào)運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)，室外溫、濕度高，教室新風(fēng)量較大，相應(yīng)處理新風(fēng)的能耗大。夏熱冬暖地區(qū)不同人員密度的普通教室，其新風(fēng)處理能耗占空調(diào)能耗的35%～55%。所以夏熱冬暖地區(qū)合理選擇空調(diào)新風(fēng)的處理方式，對(duì)學(xué)校的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗有重要影響。選擇教室新風(fēng)系統(tǒng)的處理方式需注意以下幾點(diǎn)。

1）室內(nèi)人員密集，注重室內(nèi)空氣品質(zhì)。

2）夏季采用自然通風(fēng)方式，新風(fēng)未經(jīng)過(guò)除濕處理直接進(jìn)入，室內(nèi)相對(duì)濕度較大，相對(duì)濕度超過(guò)60%時(shí)，室內(nèi)人員容易產(chǎn)生悶的感覺(jué)。

3）冬季新風(fēng)溫度低，采用自然通風(fēng)方式或無(wú)處理直接送入新風(fēng)，會(huì)影響室內(nèi)舒適性。

熱泵熱回收新風(fēng)處理技術(shù)，是一種節(jié)能的新風(fēng)處理方式，其新、排風(fēng)處理方式如下：

1）排風(fēng)處理過(guò)程：室內(nèi)排風(fēng)經(jīng)過(guò)升溫加濕后再經(jīng)過(guò)冷凝器，帶走冷凝器熱量后排出室外。

2）新風(fēng)處理過(guò)程：夏季室外高溫高濕新風(fēng)經(jīng)全熱回收芯與室內(nèi)低溫低濕排風(fēng)進(jìn)行全熱回收，經(jīng)過(guò)降溫除濕后通過(guò)蒸發(fā)器，進(jìn)一步降溫除濕后，達(dá)到設(shè)計(jì)工況后送入室內(nèi)。夏季空氣處理過(guò)程及焓濕圖如圖7：

圖7 夏季熱泵熱回收空氣處理示意圖及焓濕圖

3）冬季為熱泵運(yùn)行模式，提高新風(fēng)的溫度后送入室內(nèi)。

從上述的熱泵熱回收新風(fēng)處理過(guò)程可以看出，熱泵熱回收新風(fēng)處理方式在夏熱冬暖地區(qū)應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)突出：

1）在冬季、過(guò)渡季節(jié)，可以只開(kāi)熱泵新風(fēng)機(jī)組處理新風(fēng)的溫、濕度即可滿(mǎn)足室內(nèi)要求，無(wú)需開(kāi)啟空調(diào)系統(tǒng)。

2）室內(nèi)排風(fēng)經(jīng)過(guò)回收能量后，用于帶走冷凝熱，熱泵熱回收新風(fēng)換氣機(jī)組的能效比可達(dá)4.1，遠(yuǎn)高于普通分體空調(diào)能效比。

3）通過(guò)熱回收功能實(shí)現(xiàn)回收排風(fēng)冷量節(jié)能。

4 結(jié)論

1）《中小學(xué)校教室換氣衛(wèi)生要求》GB/T-17226-2017 考慮不同年齡段學(xué)生CO2呼出量的差別，按小學(xué)、初中、高中不同類(lèi)型規(guī)定不同最小新風(fēng)量更為合理。

2）現(xiàn)行各規(guī)范規(guī)定的最小新風(fēng)量指標(biāo)相差較大，但是室內(nèi)CO2最高允許濃度規(guī)定基本相同，設(shè)計(jì)新風(fēng)量指標(biāo)可以按教室內(nèi)CO2最高允許濃度，可通過(guò)公式計(jì)算得出。

3）采用機(jī)械送新風(fēng)方式的教室，設(shè)計(jì)新風(fēng)量指標(biāo)選取是否能滿(mǎn)足室內(nèi)CO2濃度標(biāo)準(zhǔn)，可以通過(guò)PACT-IAQ 等室內(nèi)環(huán)境模擬軟件進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

4）熱泵熱回收新風(fēng)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)突出，節(jié)能效益明顯，適合在夏熱冬暖地區(qū)的中小學(xué)教室應(yīng)用。