雾霾条件下中小学教室内空气质量的模拟与分析

2018-02-15杨法森步勇成季家艳

制冷 2018年4期

杨法森，步勇成，季家艳

（山东建筑大学，山东济南250101）

1 研究背景

近年来雾霾天气频发，导致室内的PM2.5浓度升高。我国青少年多数在中小学阶段，平均每天有80%以上的时间在教室内度过，教室内的空气品质显得尤为重要［1］。当前的雾霾天气造成的空气污染与人们的呼吸系统疾病有很显著的关联性，当室外雾霾越严重，其患病率就越高，雾霾对易感人群，尤其是青少年身体健康造成了严重的危害。

教室是中小学生每天的学习场所，教室内的空气品质对正处于生长发育期的学生就显得尤为重要。北方地区中小学教室多采用集中供暖，室内人员集中，雾霾天气严重时，教室会长时间密闭，人员呼吸产生的二氧化碳浓度增加会导致学习效率下降。需引入新风进行稀释，但引入新风又会增加教室内PM2.5。因此研究室内污染物浓度分布规律，从而提出如何在控制教室内污染物的同时减少室外PM2.5进入室内的控制策略有很大的意义。

2 模型的建立

2.1 教室数学模型与计算模型

本文教室模型中尺寸均按照实际教室尺寸，教室内各参数尺寸如表1所示。Airpak软件中建立Room模型（如图1），x轴方向为北向，坐标原点位于房间的左下角（讲台位置），教室南墙为外墙，北墙外为走廊，东西墙与其他教室相连。教室模型中的人员桌椅模型较多，具体坐标参数不再一一列举。

表1 教室内基本尺寸参数

2.2 模型假设与边界条件设置

本文对比模拟教室在自然状态下与安装新风系统时的教室内二氧化碳浓度场、PM2.5浓度场与温湿度场，选择稳态模型进行模拟，压力边界以济南市冬季室外平均压力101910Pa，教室的排风口设定为自由边界条件。边界条件如若完全按实际情况设置，模型会极其复杂，为简化模型，做如下假设：

（1）室内气体视为不可压缩流体。（2）室内流动为稳态流动，不随时间发生变化。（3）室内空气为辐射透明介质。（4）忽略室外不同时间各参数的变化。（5）忽略细颗粒物对湍流流动的影响。（6）初始时刻室内PM2.5浓度、二氧化碳浓度、温湿度均匀分布。

图1 教室airpak模型立体图

2.3 模拟工况

室内通风情况是教室内空气质量的主要影响因素，因此将模拟划分为以下几种工况进行模拟：

（1）第一种工况：教室的实际状态，室内人数为52人，冬季不开门窗情况下教室内污染物场与温度场。

（2）第二种工况：模拟房间门窗全部关闭、新风系统不同新风口位置对室内二氧化碳、PM2.5的浓度分布影响，综合对比寻找较佳的新风口位置。

（3）第三种工况：模拟在最佳新风口位置，不带热源新风系统不同室外温度（设置为-5℃、0℃、5℃、10℃）条件下室内温度场分布；带热源新风系统室内温度场分布。

为表示教室内污染物浓度分布情况，本文选取两个水平面和三个竖直面。水平面为y＝1.2m和y＝1.6m，y＝1.2m截面表示学生保持坐姿的呼吸平面，y＝1.6m截面表示学生站立的呼吸平面；竖直面选取具体位置分别为x＝1.35，x＝3.75，x＝6.15，代表学生经常停留的学习活动区域。

3 模拟结果分析

3.1 教室门窗关闭各项指标结果分析

本节模拟教室门窗关闭不予通风的工况，边界条件与实际情况基本一致，但由于没有通风，仅考虑存在室内人员扰动，模拟结果波动会非常小，污染物浓度场、温度场、湿度场会分布比较均匀，因此从模型中仅选取三个点（如图2），作为代表点来代表整个房间的浓度。

图2 模型中选取点的位置

模型中三个代表点PM2.5浓度值、二氧化碳浓度、温度、相对湿度分别在表2中列出。

表2可以看出，三个点的数值相差很小，在没有通风的条件下，室内的二氧化碳浓度、PM2.5浓度、温湿度分布非常均匀。

软件模拟二氧化碳浓度和PM2.5浓度远大于实测值，因为模型中教室内人员作为污染源持续释放二氧化碳与PM2.5，没有任何的方式稀释，室内的污染物会不断积累。虽然实际情况下，教室内二氧化碳浓度会由于教室内的门窗开启、大气渗透等原因，不会一直上涨，但这也说明没有通风方式，教室内的污染物浓度会很高［2］。

3.2 不同气流组织下室内污染物的分布

通风对教室内污染物的浓度有很大的影响，教室内安装新风系统能够降低教室内的污染物浓度，但是送新风的形式不同，教室内污染物的分布规律则会不同，为了研究不同的气流组织形式对教室内污染物分布的影响，进而找到最为合理的气流组织形式，本文模拟新风量、室内人员、室外条件相同，新风口与排风口位置、数量条件不同的情况下，教室内污染物的分布规律［3］。表3中详细列出了模拟新风系统不同气流组织形式。图3中表示不同气流组织形式的风口在房间的布置位置。

表2 不开窗工况下代表点处各项参数

表3 模拟新风系统不同气流组织形式

图3 七种不同气流组织形式的风口在房间中的位置布置

以二氧化碳浓度为基准进行教室新风量计算，稀释教室内二氧化碳所需要的新风量按式（1）来计算［4］，即

式中：Vco2为以二氧化碳为基准确定的新风量，m3／h；Sco2为室内二氧化碳发生量，m3／h；C为房间内二氧化碳的允许浓度，L／m3；CO为室外二氧化碳浓度L／m3，室外空气中二氧化碳浓度按照实际测试值500ppm，即0.5L／m3。

室内人体二氧化碳发生量与人体代谢率有关，计算如下：

式中：Sco2为每个人的二氧化碳发生量，m3／s；M为新陈代谢率，W／m2，一般坐着活动的人M＝70W／m2；AP为人体表面积，m2，一个标准的中国男人的AP＝1.69m2，中小学生的取80%。

该中学教室面积70.2m2，班级人数为52人，人均面积约为1.3m2，教室高度在3.9m，教室内每人的二氧化碳发生量为：

该教室安装新风系统，室内要求二氧化碳浓度不超过0.1%，则由式（1）计算出室内所需新风量为：

此时教室内的人均新风量为27.26m3／h，取能够保证教室内二氧化碳浓度1000ppm标准的新风量1417.52m3／h为教室内新风量，人员53人，学生52人，教师1人。模拟得到教室内二氧化碳的浓度场，如图4～图10中（a）所示。模拟室外PM2.5浓度为 24μg／m3，新风量 1417.52m3／h，得到教室内PM2.5的浓度场，如图4～图10中（b）所示。

图4～图10中（a）为y＝1.2m截面处二氧化碳浓度场，（b）为y＝1.6m截面处PM2.5浓度场。图中颜色由蓝色至红色，数值越来越大。由图2～图8可以看出，同一种气流组织的送新风形式，教室内的二氧化碳与PM2.5两种污染物浓度分布规律基本相似。

图4 气流组织形式A污染物浓度场

图5 气流组织形式B污染物浓度场

图6 气流组织形式C污染物浓度场

图7 气流组织形式D污染物浓度场

图8 气流组织形式E污染物浓度场

图9 气流组织形式F污染物浓度场

图10 气流组织形式G污染物浓度场

A气流组织形式：教室内的污染物浓度沿Z轴呈现中间高两边低的分布规律，由于教室内人员集中在中间，因而中间的污染物浓度高，沿X轴方向污染物浓度逐渐上升。

B气流组织形式：污染物浓度沿Z轴方向逐渐升高，沿X轴方向变化不明显，因为新风口位于讲台侧，离新风口越近污染物的浓度越低，污染物浓度分布不均匀。

C气流组织形式：污染物浓度沿Z轴呈现中间高两边低的分布规律，沿X轴方向污染物浓度先降低后上升，新风口位于教室中间，中间浓度低，排风口侧区域的浓度要比教室另一侧高。

D气流组织形式：污染物浓度沿Z轴逐渐升高，沿X轴方向呈现先降低后升高的规律，因为新风口位于教室中间，教室前部分人员少，浓度相对较低。

E气流组织形式：污染物浓度沿Z轴呈现中间高两边低的分布规律，沿X轴方向逐渐降低，新风口位于教室前后两侧，排风口侧、人员集中区域的污染物浓度很高。

F气流组织形式：污染物浓度沿Z轴分布比较均匀，沿X轴方向浓度逐渐降低，新风口与排风口位于同侧，在该平面上教室内二氧化碳浓度接近1000ppm。

G气流组织形式：污染物浓度沿Z轴分布比较均匀，沿X轴方向浓度逐渐升高，分布规律与F气流组织形式相反，因为新风口与排风口位于异侧，但在该平面上污染物浓度分布不均匀，排风口区域二氧化碳浓度高于1500ppm。

综合以上7种气流组织形式可以发现，同一种气流组织形式下，两种污染物在教室内的分布规律基本相同，污染物分布规律受新风口位置影响很大，靠近新风口侧的污染物浓度较低。通过对比图中（a）可以明显可以看出稀释二氧化碳最佳的气流组织形式是F形式，通过对比图中（b）不能明显看出稀释PM2.5的最佳气流组织形式，但F形式相对于其他形式效果最差。图11、图12分别显示了不同风口布置形式下二氧化碳、PM2.5浓度平均值。

图11 不同风口布置形式下二氧化碳浓度平均值

图11 可以看出，相同的新风量，不同的新风口位置对教室内二氧化碳浓度稀释效果不同，最好的形式是F，即侧送下排，新风口与排风口位于教室同侧。在 y＝1.2m处，二氧化碳平均浓度1050ppm，在y＝1.6m处，二氧化碳平均浓度1040ppm，新风口位于其他位置下的二氧化碳平均浓度在1400ppm至1500ppm之间，效果明显较差。此外，理论计算得到的新风量能够满足室内二氧化碳1000ppm的标准，实际需要结合新风送风形式才能达到要求。

图12 不同风口布置形式下PM2.5浓度平均值

图12 可以看出，相同的新风量与室外条件，不同的新风口位置对教室内PM2.5的浓度稀释效果不同，且差距不大，平均浓度在33～35μg／m3之间，都能够满足要求。

对比图11与图12可以发现，稀释二氧化碳最好的气流组织形式，对PM2.5浓度来讲并不是最好的。各种气流组织形式对比，F形式在稀释二氧化碳时效果明显比其他形式好，而且此形式下，PM2.5浓度仍然满足要求，因此建议选用F风口布置形式，即侧送下排，新风口与排风口位于教室同侧的布置形式。

3.3 不同室外温度下室内温度场

引入教室内的新风若不进行热处理，会对室内热环境造成影响，不同的室外温度会影响教室内的温度场分布不同。为了研究不同室外温度下室内温湿度的变化规律，本节模拟相同新风量、相同室内人员、相同的风口布置形式，在不同的室外温度条件下，教室温湿度的变化情况。新风量1417.52m3／h，人员53人，包括学生52人，教师1人，室外温度变化区域很大，不同的室外温度取-5℃、0℃、5℃、10℃，选用对室内污染物稀释效果最好的F风口布置形式。人体感受温度不仅在呼吸平面，主要是身体的感觉，因此取高度0.8m、1.2m、1.6m三个截面来代表教室内的温度。

（1）新风系统不带热源

新风系统不经热处理，室外空气直接送入室内，室内存在热源，因此室内的温度分布规律并不能直接得出结论，通过模拟得出室外不同温度下室内温度的最大值、最小值、平均值（见表4）。图13是在高度为0.8m平面时不同新风温度下，室内温湿度平均值。

表4 室外不同温度室内温度最大值、最小值、平均值

图13 不同室外温度时室内温湿度平均值

图13 可以看出随着室外温度的升高，室内温度随之升高，室内相对湿度呈下降趋势。室外温度为-5℃时，平均温度为9.46℃，温度过低，不能满足室内热源的热舒适度；室外温度为10℃时，平均温度为23.4℃，在室内人员的舒适范围内。

（2）新风系统带热源

通过计算，新风送风温度为4.35℃能够满足室内温度为16℃，由表4可知，送风温度为5℃时，教室内人员所在区域的最低温度16.16℃，能够满足室内人员的热舒适要求。为考虑到送风温差，模拟新风温度处理到6℃时教室内的温度分布，模拟结果如图15。由图15可以看出，室内温度在同一平面上分布比较均匀，Z轴方向两处高温是由于散热器的温度高，软件计算三个平面温度平均值分别为20.2℃、19.8℃、19.7℃，均满足教室内对温度的要求。因此，对于带热源或热回收装置的新风系统，能够将新风温度处理至6℃，就能满足室内温度的要求。