夏熱冬冷地區(qū)幼兒園建筑的通風模擬與分析

方徐根，官萬延，楊敏，梁利霞

（浙江省建筑科學設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

幼兒園作為學齡前兒童學習和生活的主要場所，具有人員密度大、活動頻繁等特點，教室內的空氣質量一直備受全社會的廣泛關注，因此對幼兒園教室的室內空氣品質進行探討尤為重要。CO2濃度作為判斷室內空氣質量的一項重要指標，GB/T 18883—2002《室內空氣質量標準》中已明確規(guī)定室內CO2濃度的限值不高于0.1%。室內CO2濃度超過限值后，將會對室內人員的呼吸產生一定的影響，引起各種不適現(xiàn)象[1]。

當前我國的相關民用建筑設計標準對建筑的節(jié)能、采光、噪聲、通風等方面都有明確規(guī)定，通風設計基本采用人均最小新風量和換氣次數(shù)進行設計，但室內CO2濃度限值與最小新風量的規(guī)定存在一定的分歧，容易造成室內新風量不足，導致CO2濃度超標的問題。特別是當前我國的幼兒園建筑主要采用自然通風的手段，在冬夏兩季，為了保證教室內的溫度，通常門窗緊閉，教室內CO2濃度存在嚴重超標。目前，很多研究表明，長期處于CO2濃度偏高的環(huán)境中，會影響人的身心健康和學習效率，例如記憶力降低、注意力不集中、易疲倦等[2]。

通風作為解決室內空氣質量的最主要手段，同時也是最有效的手段[3]。目前，針對幼兒園建筑通風的研究仍然較少。本文重點通過對幼兒園教室的通風模擬，以CO2為標志物，重點研究室內CO2的分布情況和新風量對室內CO2濃度的稀釋，并對比研究了采用上送風和上下共同送風方式對室內CO2濃度的影響，探討不同送風位置對室內CO2濃度分布的影響，為居住建筑的通風設計提供參考和借鑒。

1 物理模型

JGJ 39—2016《托兒所、幼兒園建筑設計規(guī)范》（2019版）針對幼兒園的建筑設計作出了明確規(guī)定：幼兒生活單元應設置活動室、寢室、廁所、盥洗室、衣帽儲藏間等基本空間。本文選取杭州西湖吉鴻未來社區(qū)幼兒園的幼兒生活單元進行CO2擴散模擬研究。幼兒生活單元房間的使用面積按照JGJ 39—2016的要求，如表1所示。

表1 幼兒生活單元房間的最小使用面積 m2

教室的總建筑面積為168 m2，建筑朝向按照利于夏季及過渡季風向，避開冬季風向的要求，通風開口有效面積按照房間地面面積5%的國家標準要求[4-5]，具體建筑如圖1所示。

幼兒園教室的人員按3個老師、30個幼兒進行計算，根據建筑CAD圖紙具體尺寸，利用NX軟件對幼兒園教室進行等比例3D建模，并導入CFD模擬軟件進行數(shù)值計算，幼兒園生活單元的物理模型如圖2所示。

建筑南側設有寬7.2 m的落地窗，北側設有寬4.5 m的落地窗，在模擬計算時按開窗50%的開啟面積考慮，并忽略教室門的漏風影響。通風方式采用上送上排，在如圖2所示東西墻1、2點位分別設置新風口，在西墻4點位置設置排風口；通風方式采用上下同時送風，在如圖2所示東墻1、3點位分別設置新風口，在西墻4點位置設置排風口。1、2、4點風口頂部距樓面高度3.5 m；3點風口頂部距樓面高度0.5 m。

在Fluent軟件進行模擬計算時，教室內隨機建立30個站姿的幼兒模型，3個站姿的成人模型，在計算時將人體模型的邊界條件設置為速度入口，由此不斷向室內擴散CO2，來近似實現(xiàn)人體呼吸釋放CO2，兒童的CO2釋放速率按2.173×10-3L/s考慮，即速度入口邊界條件為1.72×10-6m/s，成人的CO2釋放速率按5.147×10-3L/s考慮，即速度入口邊界條件為2.12×10-6m/s[6]。

2 模擬與分析

為簡化計算，本模擬采用如下設定：工質視為常溫、低速、不可壓流體流動；符合氣體狀態(tài)方程的等壓流動；符合Boussinesq假設；數(shù)值方法采用k-ε Standard模型，并使用組分運輸模型來實現(xiàn)CO2在室內的擴散。

室內空氣流動、傳熱與污染物擴散現(xiàn)象的連續(xù)性微分方程、動量微分方程、能量微分方程、氣體組分微分方程等，統(tǒng)一表達為標準形式[7]，如式（1）所示。

式中：ρ——密度，kg/m3；

t——時間，s；

V——體積，m3；

cs——微分方程的因變量，取1時代表連續(xù)方程；

Ds——擴散系數(shù)，m2/s；

Ss——廣義源項。

利用ICEM軟件對幼兒園教室進行網格劃分，在保證計算精度的同時，為了減少計算資源的使用和減少計算所需要的時間，在網格劃分時對人體、新風、排風及窗口處設置密度盒，來實現(xiàn)人體、新風、排風及窗口位置的網格加密，將幼兒園教室劃分為1 265 862個網格單元進行計算。建立的網格模型如圖3所示。

在模擬計算中將室內初始CO2濃度與自然空氣中CO2濃度均設為400×10-6，同時僅考慮氣體流動，忽略溫度的影響。人體CO2釋放設置為速度入口，空氣入口設置為速度入口，出口設置為自由出流。本文側重模擬自然通風的新風量、垂直高度CO2濃度變化、自然通風對CO2濃度的影響、機械通風對CO2濃度的影響等4個場景。

2.1 封閉教室內CO2的濃度變化

教室處于滿員封閉狀態(tài)下，5 min時的CO2濃度云圖如圖4所示，封閉教室工況下，高度1.2 m處在15 min與30 min時的CO2濃度云圖如圖5所示。

由圖4可見，人體模型在不斷地向室內擴散CO2，當CO2擴散不受氣流影響時，CO2在垂直方向上的擴散相對較弱，其擴散主要發(fā)生在水平方向上。同時受氣體密度的影響，CO2相對累積的區(qū)域在教室空間的底部空間，垂直高度越低處CO2的濃度越高，CO2的濃度在垂直高度方向上呈現(xiàn)減小的梯度變化，幼兒呼吸所處水平面位置CO2濃度相對較高。

由圖5可見，由于不考慮空氣擾流影響，CO2僅由人體向室內均勻擴散，30 min時CO2濃度在水平方向上分布相對更為均勻，CO2濃度較高處始終處于人體模型位置附近。

封閉教室中5、10、30、60 min時，不同高度的CO2濃度如圖6所示。

由圖6可見，封閉教室CO2濃度隨著CO2氣體的擴散，在垂直高度方向上逐漸趨向均勻，CO2濃度在30 min左右逐漸趨向均勻。

2.2 通風對室內CO2濃度的影響

選取杭州地區(qū)的年平均風速，不同通風工況下，室內1.2 m高處在15 min時的CO2濃度云圖如圖7所示。

由圖7可見，在4種自然通風工況下，當受到新風作用時CO2的濃度顯著被稀釋，CO2濃度較高處主要分布于人體模型四周。自然通風風向為東南風時室內1.2 m處的CO2濃度為所研究風向工況下的最低值。處于自然通風時，室內CO2分布較為混亂，受自然通過氣流影響導致室內1.2 m同一高度處存在CO2分布不均勻，室內空氣質量不一致。采用機械通風上側送風時，在1.2 m高處CO2分布相對較為均勻，室內空氣質量水平一致。

設定通風有效面積為房間地面面積的5%，自然通風時不同風速的新風量如圖8所示，自然通風時風速和風向對CO2濃度的影響見圖9。

由圖8可見，通過模擬數(shù)據分析，風速、風向對自然通風新風量的影響較大。南北方向窗戶的教室，在相同風速的情況下，東南風的風向時，室內的新風量相對最大。按照最不利的風向，風速0.6 m/s時基本能符合JGJ 39—2016中新風量30 m3/（h·人）的要求。

由圖9可見，自然通風狀態(tài)下，不同風速、風向對CO2濃度的影響較大。南北方向窗戶的教室，在相同風速的情況下，東南風的風向時，室內CO2濃度相對較低，基本上同自然通風新風量模擬結果相吻合，風速大，新風量大，室內CO2濃度相對較低。按照最不利的風向，風速0.5 m/s時基本能滿足CO2濃度低于1000×10-6的要求。

2.3 機械通風對室內CO2濃度的影響

采用上送風的機械通風方式，不同新風量對室內1.2 m高處CO2濃度的影響如圖10所示。

新風量達到25 m3/（h·人）的情況下，基本能實現(xiàn)CO2濃度1000×10-6的要求。由圖10可見，當新風量為300、400、600、750、900 m3/h時，室內CO2濃度分別穩(wěn)定在1580×10-6、1200×10-6、1100×10-6、1000×10-6、950×10-6?？梢园l(fā)現(xiàn)，新風量在逐漸增大的過程中，相同的新風量增幅對室內CO2濃度稀釋的能力逐漸減弱。

采用機械通風，新風量為900 m3/h，分別采用上送風和上下同時送風時，15 min時的CO2濃度云圖如圖11所示，不同高度的CO2濃度變化如圖12所示。

由圖11、圖12可見，當不考慮室內氣流擾動影響，采用上送風和上下同時送風時，垂直高度越高，相對的室內CO2濃度越低。上送風相對上下同時送風，稀釋室內CO2的效果和效率明顯增強，并且由于下送風會產生揚塵和衛(wèi)生等問題影響室內空氣品質，故建議在機械通風時采用上送風的通風方式。

3 結語

（1）在風速大于0.6 m/s的自然環(huán)境下，采用自然通風手段，基本上能滿足人均最小新風量30 m3/（h·人）和室內CO2濃度1000×10-6的限制值的要求。

（2）冬夏季幼兒園教室為了室內溫度和節(jié)能的雙重需求，關閉門窗，室內CO2濃度嚴重偏高，同時隨著CO2氣體的擴散，CO2濃度在垂直高度上逐漸趨向均勻。

（3）建議幼兒園的通風設計采用上部機械通風方式的新風凈化系統(tǒng)，解決冬夏季幼兒園教室內CO2濃度偏高的問題。

（4）過渡季節(jié)，幼兒園教室應保持開窗通風，有效降低室內CO2濃度，改善室內空氣質量。