西北地区小学校春季通风优化设计模式研究

陈敬，周俊飞

1 太阳辐射规律与室内热需求的不匹配

2 小学校通风改造设计

1 背景与问题

在我国北方地区采暖期结束后至天气转暖之前，低温天气仍会持续一段时间。在这段时间内对于小学校教室言，如果直接开启教室的自然通风，容易造成室内热量的散失，引发学生感冒。如果教室关闭门窗则会导致室内CO2浓度超标，影响学生的健康与学习效率。根据研究团队对西安市内的小学校的测试数据表明：学生在校上课期间，高年级教室CO2浓度超过1000ppm 的时间超过80%以上。换气量的不足，CO2浓度过高将会造成学生上课时注意力不集中、头疼等不良症状[1-5]。我国对于小学校教室CO2浓度的控制，虽然陆续颁布了《中小学教室空气质量管理指南》《中小学新风净化系统技术规程》等相关指导性文件，但是由于地区经济发展的不平衡，许多西北地区的小学校难以按照标准安装、使用空气净化设备系统，因此如何通过优化西北地区小学校教室空间的通风方式，在增加空气流通的同时保证室内温度不降低就成为亟待解决的问题。

2 潜力与困境

通过对西北地区的气象数据的分析可以发现：陕西北部、甘肃中、北部、宁夏、青海以及新疆南部等地的年太阳总辐射量均在5000MJ/m2以上，相当于日辐射量3.8～4.5KWh/m2，属于太阳能资源较为富集的地带[6]；另一方面，太阳能资源可以直接利用的时段与小学校上课的时段高度重合，太阳辐射产生的热量可以为改善室内空气品质提供能源保障。但是在实际应用中，太阳能辐射提供的热量在一天中呈现出波动状态，而教室对于温度的需求是相对恒定的（参照采暖标准的18℃）。因此如何调节一天中太阳辐射进入室内的热量，使之能够保持室内温度的稳定性是研究团队需要解决的技术问题（图1）。

3 通风流程设计

4 通风管道设计

5 测试模型

6 温度变化曲线

7 CO2浓度变化曲线

8 太阳辐射强度与预热空间温度的关联性

3 设计逻辑的架构

研究团队分别设计了自循环通风换热、全面换热通风换气、局部换热通风换气3 种不同的流程用于应对清晨低温、早晨、下午适宜温度和中午高温3 种状态下的预热通风换气。对于自循环通风换热流程，当预热空间提供的热量有限，室内温度较低时，利用通风管道A2 将室内空气送入预热空间加热，再通过通风管道B2 送入教室。这样可以避免热量的流失，延缓整体CO2浓度达到1000ppm 的时间；对于全面换热通风换气流程，当室内CO2达到1000ppm 时开启通风扇，将预热空间的热空气从通风管A1 送入室内，然后从通风管B1 排出室外；对于局部换热通风换气流程，当屋顶温度较高时，减少供风预热空间的面积，控制通风管A1 的送风温度。当教室室温过高时，将完全关闭预热空间的送风路径，在通风管A1 的一侧开启直接进风口，将冷风引入室内，平衡室内温度（图2-4）。

4 实证与反馈

4.1 测试目标

研究团队于2023 年4 月在西安制作了一个1:10 比例的二层学楼单元模型（图5），主要用于验证3 个测试目标：（1）测试太阳辐射对于预热空间的加热作用；（2）测试自循环通风过程对于换气时间的影响；（3）测试实现全面通风需要的时间及对于室内不同区域温度的影响。

4.2 测试结果

（1）预热空间至11:30 左右预热空间达到63℃（升温阶段）。期间因为全面通风换气流程的开启排出室内CO2，在10:15 与11:15 左右温度出现较大的降低。11:30 之后室内2F 温度已经超过34℃，没有继续加热的意义，故采用全遮阳的措施，减少辐射得热（以此来模拟局部换气通风流程）。此后预热空间温度逐渐降低（降温阶段），并最终在20℃～30℃之间波动（恒温阶段，图6）。

（2）从8:00 开始的自循环过程的作用下2F 在通风20min 左右即可满足室内温度18℃的要求，1F 在通风1h 左右也可满足18℃的要求。当1F 满足室内温度要求时室外温度为10.6℃。

（3）在自循环过程中，室内CO2整体浓度从初始值达到1000ppm 需要1.75h（8:00-9:45）左右，为清晨时段预热空间的温度提升提供了较为充裕的时间。

（4）在间歇式的局部换气通风流程状态下，室内CO2浓度会呈现规律性波动，基本每隔30-45min 会从初始值达到峰值，而后经过10-15min 的通风，室内CO2浓度会降低至接近室外CO2浓度（图7）。

4.3 测试启示

（1）预热空间能够给室内空间提供用于加热、换气的热量。且太阳辐射强度与预热空间的温度变化呈现较强的正相关性（图8），可以根据太阳辐射强度的气象数据预测室内空间的供热量。

（2）采用自循环通风流程可以延长室内CO2浓度到达峰值的时间。在自循环通风的作用下空气会带动室内CO2均匀扩散，从而延长室内整体CO2浓度到达峰值的时间，同时在整个通风过程中预热空间、教室外廊以及不同年级教室之间的CO2浓度的不均衡等因素的综合作用也会延长整体CO2浓度到达峰值的时间。

（3）在全面通风的状态下10-15min 室内CO2浓度可以提前降低至室外标准，需要的通风时长取决于风机的功率。通风过程中预热空间温度会快速降低，室内温度在通风阶段降低幅度不明显。当通风时间大于15min 时，通风时间越长，室内温度下降越明显。