西北地區(qū)小學校春季通風優(yōu)化設計模式研究

陳敬，周俊飛

1 太陽輻射規(guī)律與室內(nèi)熱需求的不匹配

2 小學校通風改造設計

1 背景與問題

在我國北方地區(qū)采暖期結(jié)束后至天氣轉(zhuǎn)暖之前，低溫天氣仍會持續(xù)一段時間。在這段時間內(nèi)對于小學校教室言，如果直接開啟教室的自然通風，容易造成室內(nèi)熱量的散失，引發(fā)學生感冒。如果教室關(guān)閉門窗則會導致室內(nèi)CO2濃度超標，影響學生的健康與學習效率。根據(jù)研究團隊對西安市內(nèi)的小學校的測試數(shù)據(jù)表明：學生在校上課期間，高年級教室CO2濃度超過1000ppm 的時間超過80%以上。換氣量的不足，CO2濃度過高將會造成學生上課時注意力不集中、頭疼等不良癥狀[1-5]。我國對于小學校教室CO2濃度的控制，雖然陸續(xù)頒布了《中小學教室空氣質(zhì)量管理指南》《中小學新風凈化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)指導性文件，但是由于地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展的不平衡，許多西北地區(qū)的小學校難以按照標準安裝、使用空氣凈化設備系統(tǒng)，因此如何通過優(yōu)化西北地區(qū)小學校教室空間的通風方式，在增加空氣流通的同時保證室內(nèi)溫度不降低就成為亟待解決的問題。

2 潛力與困境

通過對西北地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)：陜西北部、甘肅中、北部、寧夏、青海以及新疆南部等地的年太陽總輻射量均在5000MJ/m2以上，相當于日輻射量3.8～4.5KWh/m2，屬于太陽能資源較為富集的地帶[6]；另一方面，太陽能資源可以直接利用的時段與小學校上課的時段高度重合，太陽輻射產(chǎn)生的熱量可以為改善室內(nèi)空氣品質(zhì)提供能源保障。但是在實際應用中，太陽能輻射提供的熱量在一天中呈現(xiàn)出波動狀態(tài)，而教室對于溫度的需求是相對恒定的（參照采暖標準的18℃）。因此如何調(diào)節(jié)一天中太陽輻射進入室內(nèi)的熱量，使之能夠保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性是研究團隊需要解決的技術(shù)問題（圖1）。

3 通風流程設計

4 通風管道設計

5 測試模型

6 溫度變化曲線

7 CO2濃度變化曲線

8 太陽輻射強度與預熱空間溫度的關(guān)聯(lián)性

3 設計邏輯的架構(gòu)

研究團隊分別設計了自循環(huán)通風換熱、全面換熱通風換氣、局部換熱通風換氣3 種不同的流程用于應對清晨低溫、早晨、下午適宜溫度和中午高溫3 種狀態(tài)下的預熱通風換氣。對于自循環(huán)通風換熱流程，當預熱空間提供的熱量有限，室內(nèi)溫度較低時，利用通風管道A2 將室內(nèi)空氣送入預熱空間加熱，再通過通風管道B2 送入教室。這樣可以避免熱量的流失，延緩整體CO2濃度達到1000ppm 的時間；對于全面換熱通風換氣流程，當室內(nèi)CO2達到1000ppm 時開啟通風扇，將預熱空間的熱空氣從通風管A1 送入室內(nèi)，然后從通風管B1 排出室外；對于局部換熱通風換氣流程，當屋頂溫度較高時，減少供風預熱空間的面積，控制通風管A1 的送風溫度。當教室室溫過高時，將完全關(guān)閉預熱空間的送風路徑，在通風管A1 的一側(cè)開啟直接進風口，將冷風引入室內(nèi)，平衡室內(nèi)溫度（圖2-4）。

4 實證與反饋

4.1 測試目標

研究團隊于2023 年4 月在西安制作了一個1:10 比例的二層學樓單元模型（圖5），主要用于驗證3 個測試目標：（1）測試太陽輻射對于預熱空間的加熱作用；（2）測試自循環(huán)通風過程對于換氣時間的影響；（3）測試實現(xiàn)全面通風需要的時間及對于室內(nèi)不同區(qū)域溫度的影響。

4.2 測試結(jié)果

（1）預熱空間至11:30 左右預熱空間達到63℃（升溫階段）。期間因為全面通風換氣流程的開啟排出室內(nèi)CO2，在10:15 與11:15 左右溫度出現(xiàn)較大的降低。11:30 之后室內(nèi)2F 溫度已經(jīng)超過34℃，沒有繼續(xù)加熱的意義，故采用全遮陽的措施，減少輻射得熱（以此來模擬局部換氣通風流程）。此后預熱空間溫度逐漸降低（降溫階段），并最終在20℃～30℃之間波動（恒溫階段，圖6）。

（2）從8:00 開始的自循環(huán)過程的作用下2F 在通風20min 左右即可滿足室內(nèi)溫度18℃的要求，1F 在通風1h 左右也可滿足18℃的要求。當1F 滿足室內(nèi)溫度要求時室外溫度為10.6℃。

（3）在自循環(huán)過程中，室內(nèi)CO2整體濃度從初始值達到1000ppm 需要1.75h（8:00-9:45）左右，為清晨時段預熱空間的溫度提升提供了較為充裕的時間。

（4）在間歇式的局部換氣通風流程狀態(tài)下，室內(nèi)CO2濃度會呈現(xiàn)規(guī)律性波動，基本每隔30-45min 會從初始值達到峰值，而后經(jīng)過10-15min 的通風，室內(nèi)CO2濃度會降低至接近室外CO2濃度（圖7）。

4.3 測試啟示

（1）預熱空間能夠給室內(nèi)空間提供用于加熱、換氣的熱量。且太陽輻射強度與預熱空間的溫度變化呈現(xiàn)較強的正相關(guān)性（圖8），可以根據(jù)太陽輻射強度的氣象數(shù)據(jù)預測室內(nèi)空間的供熱量。

（2）采用自循環(huán)通風流程可以延長室內(nèi)CO2濃度到達峰值的時間。在自循環(huán)通風的作用下空氣會帶動室內(nèi)CO2均勻擴散，從而延長室內(nèi)整體CO2濃度到達峰值的時間，同時在整個通風過程中預熱空間、教室外廊以及不同年級教室之間的CO2濃度的不均衡等因素的綜合作用也會延長整體CO2濃度到達峰值的時間。

（3）在全面通風的狀態(tài)下10-15min 室內(nèi)CO2濃度可以提前降低至室外標準，需要的通風時長取決于風機的功率。通風過程中預熱空間溫度會快速降低，室內(nèi)溫度在通風階段降低幅度不明顯。當通風時間大于15min 時，通風時間越長，室內(nèi)溫度下降越明顯。