夏热冬冷地区幼儿园建筑的通风模拟与分析

方徐根，官万延，杨敏，梁利霞

（浙江省建筑科学设计研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

幼儿园作为学龄前儿童学习和生活的主要场所，具有人员密度大、活动频繁等特点，教室内的空气质量一直备受全社会的广泛关注，因此对幼儿园教室的室内空气品质进行探讨尤为重要。CO2浓度作为判断室内空气质量的一项重要指标，GB/T 18883—2002《室内空气质量标准》中已明确规定室内CO2浓度的限值不高于0.1%。室内CO2浓度超过限值后，将会对室内人员的呼吸产生一定的影响，引起各种不适现象[1]。

当前我国的相关民用建筑设计标准对建筑的节能、采光、噪声、通风等方面都有明确规定，通风设计基本采用人均最小新风量和换气次数进行设计，但室内CO2浓度限值与最小新风量的规定存在一定的分歧，容易造成室内新风量不足，导致CO2浓度超标的问题。特别是当前我国的幼儿园建筑主要采用自然通风的手段，在冬夏两季，为了保证教室内的温度，通常门窗紧闭，教室内CO2浓度存在严重超标。目前，很多研究表明，长期处于CO2浓度偏高的环境中，会影响人的身心健康和学习效率，例如记忆力降低、注意力不集中、易疲倦等[2]。

通风作为解决室内空气质量的最主要手段，同时也是最有效的手段[3]。目前，针对幼儿园建筑通风的研究仍然较少。本文重点通过对幼儿园教室的通风模拟，以CO2为标志物，重点研究室内CO2的分布情况和新风量对室内CO2浓度的稀释，并对比研究了采用上送风和上下共同送风方式对室内CO2浓度的影响，探讨不同送风位置对室内CO2浓度分布的影响，为居住建筑的通风设计提供参考和借鉴。

1 物理模型

JGJ 39—2016《托儿所、幼儿园建筑设计规范》（2019版）针对幼儿园的建筑设计作出了明确规定：幼儿生活单元应设置活动室、寝室、厕所、盥洗室、衣帽储藏间等基本空间。本文选取杭州西湖吉鸿未来社区幼儿园的幼儿生活单元进行CO2扩散模拟研究。幼儿生活单元房间的使用面积按照JGJ 39—2016的要求，如表1所示。

表1 幼儿生活单元房间的最小使用面积 m2

教室的总建筑面积为168 m2，建筑朝向按照利于夏季及过渡季风向，避开冬季风向的要求，通风开口有效面积按照房间地面面积5%的国家标准要求[4-5]，具体建筑如图1所示。

幼儿园教室的人员按3个老师、30个幼儿进行计算，根据建筑CAD图纸具体尺寸，利用NX软件对幼儿园教室进行等比例3D建模，并导入CFD模拟软件进行数值计算，幼儿园生活单元的物理模型如图2所示。

建筑南侧设有宽7.2 m的落地窗，北侧设有宽4.5 m的落地窗，在模拟计算时按开窗50%的开启面积考虑，并忽略教室门的漏风影响。通风方式采用上送上排，在如图2所示东西墙1、2点位分别设置新风口，在西墙4点位置设置排风口；通风方式采用上下同时送风，在如图2所示东墙1、3点位分别设置新风口，在西墙4点位置设置排风口。1、2、4点风口顶部距楼面高度3.5 m；3点风口顶部距楼面高度0.5 m。

在Fluent软件进行模拟计算时，教室内随机建立30个站姿的幼儿模型，3个站姿的成人模型，在计算时将人体模型的边界条件设置为速度入口，由此不断向室内扩散CO2，来近似实现人体呼吸释放CO2，儿童的CO2释放速率按2.173×10-3L/s考虑，即速度入口边界条件为1.72×10-6m/s，成人的CO2释放速率按5.147×10-3L/s考虑，即速度入口边界条件为2.12×10-6m/s[6]。

2 模拟与分析

为简化计算，本模拟采用如下设定：工质视为常温、低速、不可压流体流动；符合气体状态方程的等压流动；符合Boussinesq假设；数值方法采用k-ε Standard模型，并使用组分运输模型来实现CO2在室内的扩散。

室内空气流动、传热与污染物扩散现象的连续性微分方程、动量微分方程、能量微分方程、气体组分微分方程等，统一表达为标准形式[7]，如式（1）所示。

式中：ρ——密度，kg/m3；

t——时间，s；

V——体积，m3；

cs——微分方程的因变量，取1时代表连续方程；

Ds——扩散系数，m2/s；

Ss——广义源项。

利用ICEM软件对幼儿园教室进行网格划分，在保证计算精度的同时，为了减少计算资源的使用和减少计算所需要的时间，在网格划分时对人体、新风、排风及窗口处设置密度盒，来实现人体、新风、排风及窗口位置的网格加密，将幼儿园教室划分为1 265 862个网格单元进行计算。建立的网格模型如图3所示。

在模拟计算中将室内初始CO2浓度与自然空气中CO2浓度均设为400×10-6，同时仅考虑气体流动，忽略温度的影响。人体CO2释放设置为速度入口，空气入口设置为速度入口，出口设置为自由出流。本文侧重模拟自然通风的新风量、垂直高度CO2浓度变化、自然通风对CO2浓度的影响、机械通风对CO2浓度的影响等4个场景。

2.1 封闭教室内CO2的浓度变化

教室处于满员封闭状态下，5 min时的CO2浓度云图如图4所示，封闭教室工况下，高度1.2 m处在15 min与30 min时的CO2浓度云图如图5所示。

由图4可见，人体模型在不断地向室内扩散CO2，当CO2扩散不受气流影响时，CO2在垂直方向上的扩散相对较弱，其扩散主要发生在水平方向上。同时受气体密度的影响，CO2相对累积的区域在教室空间的底部空间，垂直高度越低处CO2的浓度越高，CO2的浓度在垂直高度方向上呈现减小的梯度变化，幼儿呼吸所处水平面位置CO2浓度相对较高。

由图5可见，由于不考虑空气扰流影响，CO2仅由人体向室内均匀扩散，30 min时CO2浓度在水平方向上分布相对更为均匀，CO2浓度较高处始终处于人体模型位置附近。

封闭教室中5、10、30、60 min时，不同高度的CO2浓度如图6所示。

由图6可见，封闭教室CO2浓度随着CO2气体的扩散，在垂直高度方向上逐渐趋向均匀，CO2浓度在30 min左右逐渐趋向均匀。

2.2 通风对室内CO2浓度的影响

选取杭州地区的年平均风速，不同通风工况下，室内1.2 m高处在15 min时的CO2浓度云图如图7所示。

由图7可见，在4种自然通风工况下，当受到新风作用时CO2的浓度显著被稀释，CO2浓度较高处主要分布于人体模型四周。自然通风风向为东南风时室内1.2 m处的CO2浓度为所研究风向工况下的最低值。处于自然通风时，室内CO2分布较为混乱，受自然通过气流影响导致室内1.2 m同一高度处存在CO2分布不均匀，室内空气质量不一致。采用机械通风上侧送风时，在1.2 m高处CO2分布相对较为均匀，室内空气质量水平一致。

设定通风有效面积为房间地面面积的5%，自然通风时不同风速的新风量如图8所示，自然通风时风速和风向对CO2浓度的影响见图9。

由图8可见，通过模拟数据分析，风速、风向对自然通风新风量的影响较大。南北方向窗户的教室，在相同风速的情况下，东南风的风向时，室内的新风量相对最大。按照最不利的风向，风速0.6 m/s时基本能符合JGJ 39—2016中新风量30 m3/（h·人）的要求。

由图9可见，自然通风状态下，不同风速、风向对CO2浓度的影响较大。南北方向窗户的教室，在相同风速的情况下，东南风的风向时，室内CO2浓度相对较低，基本上同自然通风新风量模拟结果相吻合，风速大，新风量大，室内CO2浓度相对较低。按照最不利的风向，风速0.5 m/s时基本能满足CO2浓度低于1000×10-6的要求。

2.3 机械通风对室内CO2浓度的影响

采用上送风的机械通风方式，不同新风量对室内1.2 m高处CO2浓度的影响如图10所示。

新风量达到25 m3/（h·人）的情况下，基本能实现CO2浓度1000×10-6的要求。由图10可见，当新风量为300、400、600、750、900 m3/h时，室内CO2浓度分别稳定在1580×10-6、1200×10-6、1100×10-6、1000×10-6、950×10-6。可以发现，新风量在逐渐增大的过程中，相同的新风量增幅对室内CO2浓度稀释的能力逐渐减弱。

采用机械通风，新风量为900 m3/h，分别采用上送风和上下同时送风时，15 min时的CO2浓度云图如图11所示，不同高度的CO2浓度变化如图12所示。

由图11、图12可见，当不考虑室内气流扰动影响，采用上送风和上下同时送风时，垂直高度越高，相对的室内CO2浓度越低。上送风相对上下同时送风，稀释室内CO2的效果和效率明显增强，并且由于下送风会产生扬尘和卫生等问题影响室内空气品质，故建议在机械通风时采用上送风的通风方式。

3 结语

（1）在风速大于0.6 m/s的自然环境下，采用自然通风手段，基本上能满足人均最小新风量30 m3/（h·人）和室内CO2浓度1000×10-6的限制值的要求。

（2）冬夏季幼儿园教室为了室内温度和节能的双重需求，关闭门窗，室内CO2浓度严重偏高，同时随着CO2气体的扩散，CO2浓度在垂直高度上逐渐趋向均匀。

（3）建议幼儿园的通风设计采用上部机械通风方式的新风净化系统，解决冬夏季幼儿园教室内CO2浓度偏高的问题。

（4）过渡季节，幼儿园教室应保持开窗通风，有效降低室内CO2浓度，改善室内空气质量。