中小學教室機械通風效果研究

彭亞美 黃斌

深圳建筑設計研究總院有限公司合肥分院

0 引言

中小學生正處于生長發育的關鍵時期，因為學習的需要，他們有很長時間在教室里度過。教室的空氣環境不僅影響學習效率，還與他們的健康息息相關。因此改善中小學教室的熱濕環境，提高室內空氣品質，為中小學生創造營造良好的學習環境，對促進其身心健康發展十分有必要。

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

1）受室外風速、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出于保暖的目的，安裝分體空調的教室在空調季節出于節能的目的，也很少開窗換氣。即使在過渡季節，為了避免外界噪音和視線的干擾，教室靠內廊的門窗也常處于關閉狀態，僅開啟外窗通風。教室屬于人員密集場所，如果不及時通風換氣，室內CO2濃度會迅速上升，室內空氣品質急劇下降。有研究表示，中小學教室在關窗狀態下上課，全天大部分時間內教室內的CO2濃度處于超標狀態[1]。過高的CO2濃度容易使學生昏昏欲睡、注意力不集中、聽課質量下降，甚至危害他們的身體健康。

2）教室內溫度分布不均勻。夏季由于圍護結構傳熱和太陽直射的影響，教室靠外窗部位溫度通常會高于教室內區。冬季，由于玻璃輻射和冷風滲透的影響，外窗部位的溫度低于教室內區。根據傅志穎等人的實測和調研結果，僅有自然通風的教室靠外窗部位與教室內區的溫差能達到4 ℃以上，靠外窗的同學常感覺夏熱冬冷[2]。而過渡季節，靠外窗的學生因為可以吹到自然風感覺較為舒適，教室內區的學生因為自然通風不良而感到悶熱。

3）極端氣候條件下教室的熱舒適難以滿足。面對越來越惡劣的氣候條件，沒有配備空調的教室在極端天氣時無法滿足基本的熱舒適要求，學生必須忍耐酷暑和嚴寒，嚴重影響學生們的學習效率，有時學校不得不選擇放假來應對。研究表明，溫度低于18 ℃或高于28 ℃時，腦力勞動效率極劇下降[3]。

受經濟水平的限制，短時間內，空調系統難以在中小學教室中全面普及。相對而言，機械通風的初投資和運行費用較低，強化了教室的通風換氣效果，對教室的熱濕環境和室內空氣品質有較為明顯的改善。本文總結了國內外規范對中小學教室通風換氣次數的要求，分析了常用機械通風裝置的優缺點，并運用Airpak 軟件對幾種常用機械通風方式進行模擬、對比了其對教室平均風速和均勻度的影響，旨在將不同機械通風方式的效果更為直觀和科學的呈現給中小學教室的投資者，建設者和使用者，以便他們結合自己的投資預算和使用情況選擇最優的機械通風方式。

1 中小學教室的通風換氣次數要求

中小學教室的最小新風量和通風換氣次數在多本規范中均有規定，但略有不同。《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）主要考慮人員污染和建筑污染，依據人員密度不同做出的規定，但該規范未對中小學教室做出具體的規定，針對性不強。《中小學校設計規范》（GB50099-2011）是從滿足衛生要求和稀釋室內污染物濃度出發，規定小學教室的換氣次數為2.5 次/h，初中為3.5 次/h，高中為4.5 次/h[4]。《中小學教室換氣衛生要求》（GBT 17226-2017）主要考慮室內衛生和健康的最低要求，規定小學教室的最小新風量為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》中規定的中小學教室人均新風量約為19.5 m3/(人·h)（按人員密度0.7 人/m2核算）[6]。

2 中小學教室常用的機械通風裝置

常見的機械通風裝置有：窗式通風器，排氣扇或排風機、新風機、全熱交換器等。

窗式通風器分為自然通風器和電動通風器。自然通風器是依靠自然環境造成的局部氣壓差，室內外溫差和室外風壓而產生空氣交換的一種換氣方式，不需要機械動力驅動，通風量的大小取決于室內外溫差，室外風速和氣溫高低。電動通風器是在自然通風器中內置了橫流風機，通風量更大且不受外界環境干擾。

排氣扇或排風機依靠機械動力排出室內污濁的空氣，使得室內處于負壓狀態，吸引室外新鮮空氣自然補入，達到通風換氣、降溫的效果。排氣扇不需另加風口，形式有嵌墻式、吸頂式、管道式等。排風機易與教室裝修結合，可以通過不同布置方式及搭配不同的風口形式，使教室內排風流場更為均勻。

新風機利用機械動力將室外的新鮮空氣送入室內，形成正壓，靠壓差使室內污濁空氣自然滲透排出室外，機組可以選配不同的配件對室外空氣進行過濾，凈化或調溫，以滿足室內空氣品質和熱舒適的需求。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機組的基礎上增加排風裝置和熱交換組件，將室外空氣送入室內的同時將室內空氣排出室外，并且新、排風在機器中進行熱交換，回收能量、節約能源。在夏季制冷時，新風被排風降溫、干燥，使新風溫、濕度降低。在冬季制熱時，新風被排風加熱、加濕，從而達到既通風換氣又保持室內溫、濕度穩定的效果。其形式與新風機組相似，也有壁掛式、吊頂式、落地式等多種樣式。

幾種機械通風方式的特點及與自然通風的對比詳見表1：

表1 幾種通風方式的對比

3 中小學教室機械通風的CFD 模擬

為了更好分析不同通風方式對教室室內環境的影響，選取一典型教室，利用Airpak 軟件對其不同通風方式和空調布置形式分別進行氣流組織模擬，并對模擬結果進行了分析比對。

3.1 物理模型

以9.4 m×8.6 m 的標準初中教室為基礎模型，班級人數為45 人，教室前端黑板，中部布置投影儀，后部布置儲物柜。根據規范計算，機械通風量為1200 m3/h，設計如下幾種機械通風方案：

方案一：設置窗式通風器通風。在教室外窗上下各設置6 臺窗式電動通風器機械進風，單臺通風量為100 m3/h，總進風量為1200 m3/h，在教室靠內廊的窗上下各裝6 臺窗式自然通風器自然排風，平面布置具體如圖1。

圖1 設置窗式通風器通風平面布置圖

方案二：設置排風機通風。在教室前端黑板上方空腔設置一臺風量為1200 m3/h 的排風機機械排風，排風口設置于講臺正上方，利用外窗自然進風，平面布置如圖2。

圖2 設置排風機通風平面布置圖

方案三：設置新風機通風。在教室兩側各設置一臺風量為600 m3/h 的新風機組向教室內送風，利用外窗自然排風，平面布置如圖3。

方案四：設置全熱交換器通風。在教室兩側各設置一臺風量為600 m3/h 的全熱交換器，在教室長邊布置送風口，短邊布置排風口，機械進排風。

為便于分析和計算，對模型進行簡化：由于教室使用人員較密集，且人體模型表面復雜，若使用標準的人體模型代入計算，則網格數目過多，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、且無熱濕量產生的設施，認為對人員活動區域溫度場、風速場無影響，故將其忽略。經過簡化后的教室三維計算模型如圖4 所示。

圖3 設置新風機組通風平面布置圖

圖4 教室基礎三維模型

圖4 模型中室內人員、教室隔墻、儲物柜、講臺分別以不同長方形體塊代替，桌面以矩形平面代替。新、排風口根據不同的通風形式分別設置。本次計算尺寸為9.6 m×8.6 m×3.9 m，共劃分網格63 萬個。

邊界條件設置：①人員模型均以block 模型表示，6 排共46 人。單個人員散熱量按108 W，散濕按68 g/h計算。照明負荷以照明功率密度計入，按照負荷計算取15 W/m2，以樓板熱流的形式給出。②本研究主要針對教室不同通風形式氣流組織差異，故僅考慮外界風壓對教室氣流的影響，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新風口、排風口根據不同通風空調形式采用Vent 或者Opening 模型，風口尺寸與出口風速均設置與設計相同。④采用k-ε 雙方程湍流模型求解方程組，Pressure（質量守恒方程松弛因子）取0.3，Momentum（動量守恒方程松弛因子）取0.7，其余采用Airpak 默認設置。

3.2 模擬結果對比及分析

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

圖5 方案一1 m 高平面風速分布云圖

圖6 方案二1 m 高平面風速分布云圖

圖7 方案三1 m 高平面風速分布云圖

圖8 方案四1 m 高平面風速分布云圖

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

4 結語

采用機械通風是改善中小學教室室內空氣環境最經濟的途徑。不同的機械通風方式具有不同的效果，本文通過CFD 模擬對各種形式進行了比對，其結果對中小學校的設計和建設具有一定的參考意義。