夏熱冬暖地區中小學教室的新風系統設計探究

周俊杰 陳鳳娜

深圳市建筑科學研究院股份有限公司

0 引言

夏熱冬暖地區中小學教室以自然通風為主，空調形式以分體空調為主，大部分教室均無新風系統。采用自然通風的教室存在新風量不足的嚴重問題，室內空氣中二氧化碳含量超出我國衛生標準要求，長時間處在這樣的環境中，學生的學習效率明顯偏低[1]。

充足的新鮮空氣保證學生能夠健康成長，并能保證學生的聽課質量。根據日本就學校教室換氣量多少對學生學習效率的影響分析顯示，換氣次數為0.4 次/h 與3.5 次/h 對比時，后者學生的學習效率可提高5%～9%。同時，隨著學生在教室停留時間的增加，換氣量大的教室內學生的學習效率可提高7%～10%[2]。

本文主要針對在設計階段，基于控制室內CO2濃度下教室新風量指標如何選取，對教室室內CO2濃度進行預測分析，以及夏熱冬暖地區教室適宜采用的新風處理技術三個方面進行探討。

1 教室新風量指標要求

1）國內不同規范對CO2濃度、新風量的要求：不同規范對教室CO2最高允許濃度、最小新風量的規定見表1 所示。

表1 國內不同規范對教室CO2濃度及最小新風量的規定

從表1 可以看出，不同規范對教室CO2濃度要求在0.10%～0.15%，按新規范優先的原則，CO2濃度宜按0.10%取值。不同規范對教室的最小新風量要求亦均不相同，其中《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012 第3.0.6 針對不同人員密度提出了最小新風量在22～28 m3/(h·人)。《中小學校教室換氣衛生要求》GB/T-17226-2017 則按小學、初中、高中不同類別規定了教室的最小新風量在20～32 m3/(h·人)。《中小學校設計規范》GB50099-2011 第9.1.3 條中按學校不同類別規定了普通教室的換氣次數要求，且10.1.8條規定普通教室的最小新風量為19 m3/(h·人)；同時在《中小學校設計規范》GB50099-2011 條文說明10.1.8條，給出了新風量與CO2濃度的對應關系：“依室內CO2濃度為0.1%時的新風量31.8 m3/(h·人)折算，濃度為0.15%時新風量是18.3 m3/(h·人)”。可以理解為，按CO2濃度0.10%設計，《中小學校設計規范》GB50099-2011 的建議新風量約為32 m3/(h·人)。考慮幾本規范發布的年代不同，最小新風量指標的總體變化趨勢整體趨于加大取值，對比見圖1。

圖1 不同規范要求最小新風量取值范圍變化趨勢

按《中小學校設計規范》GB50099-2011 換氣次數要求及最小新風量要求、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）分別計算出新風量值，再與其他規范的最小新風量要求進行對比，見圖2～4。

圖2 不同層高的小學教室規范要求最小新風量

圖3 不同層高的初中教室規范要求最小新風量范圍

可以看出，各規范對最小新風量指標的要求范圍偏差很大，其中小學教室最小新風量取值范圍在19～28 m3/(h·人)，初中教室最小新風量取值范圍在19～35 m3/(h·人)，高中教室最小新風量取值范圍在19～45 m3/(h·人)。新風量取值過高會帶來新風的處理能耗問題，新風量取值過低不滿足室內CO2濃度控制要求，故有必要進一步通過模擬計算進行分析。

2 教室室內CO2 濃度預測分析

1）計算模擬軟件：采用深圳市建筑科學研究院股份有限公司開發的PACT-IAQ 軟件，提供了室內設計預測優化功能，PACT-IAQ 可提供VOCs、顆粒物、CO2等多種污染物耦合模擬分析，對項目設計方案進行綜合評估，預測建筑室內空氣質量動態變化趨勢，計算實時污染負荷，解析分級污染源頭，輸出分項控制要求，優化設計方案，為營造健康舒適的室內環境提供技術保障。

2）計算邊界條件：以深圳某新建中學教學組團初中教室為例，教室建筑面積68 m2，室內共51 人，其中學生50 人，教師1 人，人員密度為0.75 人/m2（上課時間人員密度不變），成人CO2呼出量0.046 m3/h·人，學生CO2呼出量0.021 m3/h·人。學校作息時間簡化為上課時間上午8:00～12:00，下午14:00～16:00。按照夏熱冬暖地區外門窗氣密性6 級的分級指標可計算出門窗關閉狀態下，教室換氣次數為0.2～0.3 次/h，考慮實際教室課間間歇開門窗，自然通風工況簡化為日間8:00～18:00 換氣次數1.0 次/h，夜間換氣次數按0.5 次/h 計算；機械送新風工況按《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》最小新風量指標選取。

3）計算模擬結果：分別模擬計算自然通風工況下、機械送新風工況下教室室內CO2濃度變化。

圖5 為采用自然通風工況下，教室室內CO2濃度變化。模擬結果顯示，在自然通風工況下，上課期間室內CO2濃度快速升高，CO2濃度很快就超過室內最高允許濃度1000ppm 的要求。自然通風教室新風量不足是影響室內CO2濃度的主要原因，盡量開門窗通風為教室注入新鮮空氣，對改善室內空氣品質十分有利[3]。

圖5 自然通風工況下教室內逐時CO2 濃度變化

但在夏熱冬暖地區的空調季節，加大自然通風會影響室內熱舒適性，以犧牲熱舒適性來改善室內空氣品質不是最好的解決辦法。

圖6 為采用機械送新風工況下，PACT-IAQ 軟件模擬計算得出的不同新風量指標及人員密度下，室內逐時CO2濃度變化曲線。采用機械送新風工況下，上午課間室內CO2濃度快速升高，很快室內達到平衡狀態，中午由于是午休時間CO2濃度有所回落。當本項目新風指標取28 m3/(h·人)時，可以基本滿足室內CO2濃度的要求；當新風指標取22～24 m3/(h·人)時，室內最大CO2濃度1025～1079 ppm，略高于室內CO2濃度限值1000 ppm。

圖6 機械送新風工況下教室內逐時CO2 濃度變化

從上述模擬結果可以看出，按《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》GB50736-2012 中的新風量指標，不一定能滿足室內CO2濃度的要求。教室上課期間教室內人員數量穩定，且學生處于相對平靜狀態，室內CO2呼出量相對穩定，考慮不同年齡段的學生及活動水平，其對應的CO2呼出量不同，《中小學校教室換氣衛生要求》GB/T-17226-2017 按小學、初中、高中不同類型規定不同最小新風量更為合理。

考慮近年來我國室外CO2濃度呈不斷增長趨勢，采用1000×10-6作為室內CO2體積分數控制值將提高對新風量要求[4]。在設計階段，基于CO2濃度控制作為目標，可依據下列公式直接計算出最小新風量指標[5]：

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

3 教室新風處理方式淺析

在夏熱冬暖地區的教室，由于夏季空調運行時間長，室外溫、濕度高，教室新風量較大，相應處理新風的能耗大。夏熱冬暖地區不同人員密度的普通教室，其新風處理能耗占空調能耗的35%～55%。所以夏熱冬暖地區合理選擇空調新風的處理方式，對學校的空調系統運行能耗有重要影響。選擇教室新風系統的處理方式需注意以下幾點。

1）室內人員密集，注重室內空氣品質。

2）夏季采用自然通風方式，新風未經過除濕處理直接進入，室內相對濕度較大，相對濕度超過60%時，室內人員容易產生悶的感覺。

3）冬季新風溫度低，采用自然通風方式或無處理直接送入新風，會影響室內舒適性。

熱泵熱回收新風處理技術，是一種節能的新風處理方式，其新、排風處理方式如下：

1）排風處理過程：室內排風經過升溫加濕后再經過冷凝器，帶走冷凝器熱量后排出室外。

2）新風處理過程：夏季室外高溫高濕新風經全熱回收芯與室內低溫低濕排風進行全熱回收，經過降溫除濕后通過蒸發器，進一步降溫除濕后，達到設計工況后送入室內。夏季空氣處理過程及焓濕圖如圖7：

圖7 夏季熱泵熱回收空氣處理示意圖及焓濕圖

3）冬季為熱泵運行模式，提高新風的溫度后送入室內。

從上述的熱泵熱回收新風處理過程可以看出，熱泵熱回收新風處理方式在夏熱冬暖地區應用，其優點突出：

1）在冬季、過渡季節，可以只開熱泵新風機組處理新風的溫、濕度即可滿足室內要求，無需開啟空調系統。

2）室內排風經過回收能量后，用于帶走冷凝熱，熱泵熱回收新風換氣機組的能效比可達4.1，遠高于普通分體空調能效比。

3）通過熱回收功能實現回收排風冷量節能。

4 結論

1）《中小學校教室換氣衛生要求》GB/T-17226-2017 考慮不同年齡段學生CO2呼出量的差別，按小學、初中、高中不同類型規定不同最小新風量更為合理。

2）現行各規范規定的最小新風量指標相差較大，但是室內CO2最高允許濃度規定基本相同，設計新風量指標可以按教室內CO2最高允許濃度，可通過公式計算得出。

3）采用機械送新風方式的教室，設計新風量指標選取是否能滿足室內CO2濃度標準，可以通過PACT-IAQ 等室內環境模擬軟件進行預測分析。

4）熱泵熱回收新風技術優點突出，節能效益明顯，適合在夏熱冬暖地區的中小學教室應用。