彭亚美 黄斌

深圳建筑设计研究总院有限公司合肥分院

0 引言

中小学生正处于生长发育的关键时期，因为学习的需要，他们有很长时间在教室里度过。教室的空气环境不仅影响学习效率，还与他们的健康息息相关。因此改善中小学教室的热湿环境，提高室内空气品质，为中小学生创造营造良好的学习环境，对促进其身心健康发展十分有必要。

我国地域辽阔，教育资源不均衡，空调和暖气在中小学教室中并不普及，大部分教室依靠自然通风来改善教室的空气环境。但自然通风存在如下不足：

1）受室外风速、天气等诸多因素影响。雨天和雾霾天，无法开窗换气。不仅如此，普通教室在秋冬季节出于保暖的目的，安装分体空调的教室在空调季节出于节能的目的，也很少开窗换气。即使在过渡季节，为了避免外界噪音和视线的干扰，教室靠内廊的门窗也常处于关闭状态，仅开启外窗通风。教室属于人员密集场所，如果不及时通风换气，室内CO2浓度会迅速上升，室内空气品质急剧下降。有研究表示，中小学教室在关窗状态下上课，全天大部分时间内教室内的CO2浓度处于超标状态[1]。过高的CO2浓度容易使学生昏昏欲睡、注意力不集中、听课质量下降，甚至危害他们的身体健康。

2）教室内温度分布不均匀。夏季由于围护结构传热和太阳直射的影响，教室靠外窗部位温度通常会高于教室内区。冬季，由于玻璃辐射和冷风渗透的影响，外窗部位的温度低于教室内区。根据傅志颖等人的实测和调研结果，仅有自然通风的教室靠外窗部位与教室内区的温差能达到4 ℃以上，靠外窗的同学常感觉夏热冬冷[2]。而过渡季节，靠外窗的学生因为可以吹到自然风感觉较为舒适，教室内区的学生因为自然通风不良而感到闷热。

3）极端气候条件下教室的热舒适难以满足。面对越来越恶劣的气候条件，没有配备空调的教室在极端天气时无法满足基本的热舒适要求，学生必须忍耐酷暑和严寒，严重影响学生们的学习效率，有时学校不得不选择放假来应对。研究表明，温度低于18 ℃或高于28 ℃时，脑力劳动效率极剧下降[3]。

受经济水平的限制，短时间内，空调系统难以在中小学教室中全面普及。相对而言，机械通风的初投资和运行费用较低，强化了教室的通风换气效果，对教室的热湿环境和室内空气品质有较为明显的改善。本文总结了国内外规范对中小学教室通风换气次数的要求，分析了常用机械通风装置的优缺点，并运用Airpak 软件对几种常用机械通风方式进行模拟、对比了其对教室平均风速和均匀度的影响，旨在将不同机械通风方式的效果更为直观和科学的呈现给中小学教室的投资者，建设者和使用者，以便他们结合自己的投资预算和使用情况选择最优的机械通风方式。

1 中小学教室的通风换气次数要求

中小学教室的最小新风量和通风换气次数在多本规范中均有规定，但略有不同。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）主要考虑人员污染和建筑污染，依据人员密度不同做出的规定，但该规范未对中小学教室做出具体的规定，针对性不强。《中小学校设计规范》（GB50099-2011）是从满足卫生要求和稀释室内污染物浓度出发，规定小学教室的换气次数为2.5 次/h，初中为3.5 次/h，高中为4.5 次/h[4]。《中小学教室换气卫生要求》（GBT 17226-2017）主要考虑室内卫生和健康的最低要求，规定小学教室的最小新风量为20 m3/(人·h)，初中为25 m3/(人·h)，高中为32 m3/(人·h)[5]。美国《ASHRAE Standard 62.1-2016》中规定的中小学教室人均新风量约为19.5 m3/(人·h)（按人员密度0.7 人/m2核算）[6]。

2 中小学教室常用的机械通风装置

常见的机械通风装置有：窗式通风器，排气扇或排风机、新风机、全热交换器等。

窗式通风器分为自然通风器和电动通风器。自然通风器是依靠自然环境造成的局部气压差，室内外温差和室外风压而产生空气交换的一种换气方式，不需要机械动力驱动，通风量的大小取决于室内外温差，室外风速和气温高低。电动通风器是在自然通风器中内置了横流风机，通风量更大且不受外界环境干扰。

排气扇或排风机依靠机械动力排出室内污浊的空气，使得室内处于负压状态，吸引室外新鲜空气自然补入，达到通风换气、降温的效果。排气扇不需另加风口，形式有嵌墙式、吸顶式、管道式等。排风机易与教室装修结合，可以通过不同布置方式及搭配不同的风口形式，使教室内排风流场更为均匀。

新风机利用机械动力将室外的新鲜空气送入室内，形成正压，靠压差使室内污浊空气自然渗透排出室外，机组可以选配不同的配件对室外空气进行过滤，净化或调温，以满足室内空气品质和热舒适的需求。其形式有壁挂式、落地式、吊顶式等多种。

全热交换器是在新风机组的基础上增加排风装置和热交换组件，将室外空气送入室内的同时将室内空气排出室外，并且新、排风在机器中进行热交换，回收能量、节约能源。在夏季制冷时，新风被排风降温、干燥，使新风温、湿度降低。在冬季制热时，新风被排风加热、加湿，从而达到既通风换气又保持室内温、湿度稳定的效果。其形式与新风机组相似，也有壁挂式、吊顶式、落地式等多种样式。

几种机械通风方式的特点及与自然通风的对比详见表1：

表1 几种通风方式的对比

3 中小学教室机械通风的CFD 模拟

为了更好分析不同通风方式对教室室内环境的影响，选取一典型教室，利用Airpak 软件对其不同通风方式和空调布置形式分别进行气流组织模拟，并对模拟结果进行了分析比对。

3.1 物理模型

以9.4 m×8.6 m 的标准初中教室为基础模型，班级人数为45 人，教室前端黑板，中部布置投影仪，后部布置储物柜。根据规范计算，机械通风量为1200 m3/h，设计如下几种机械通风方案：

方案一：设置窗式通风器通风。在教室外窗上下各设置6 台窗式电动通风器机械进风，单台通风量为100 m3/h，总进风量为1200 m3/h，在教室靠内廊的窗上下各装6 台窗式自然通风器自然排风，平面布置具体如图1。

图1 设置窗式通风器通风平面布置图

方案二：设置排风机通风。在教室前端黑板上方空腔设置一台风量为1200 m3/h 的排风机机械排风，排风口设置于讲台正上方，利用外窗自然进风，平面布置如图2。

图2 设置排风机通风平面布置图

方案三：设置新风机通风。在教室两侧各设置一台风量为600 m3/h 的新风机组向教室内送风，利用外窗自然排风，平面布置如图3。

方案四：设置全热交换器通风。在教室两侧各设置一台风量为600 m3/h 的全热交换器，在教室长边布置送风口，短边布置排风口，机械进排风。

为便于分析和计算，对模型进行简化：由于教室使用人员较密集，且人体模型表面复杂，若使用标准的人体模型代入计算，则网格数目过多，因此在模拟过程中使用block 模型简化人员模型。教室的桌椅、栏杆等体积不大、且无热湿量产生的设施，认为对人员活动区域温度场、风速场无影响，故将其忽略。经过简化后的教室三维计算模型如图4 所示。

图3 设置新风机组通风平面布置图

图4 教室基础三维模型

图4 模型中室内人员、教室隔墙、储物柜、讲台分别以不同长方形体块代替，桌面以矩形平面代替。新、排风口根据不同的通风形式分别设置。本次计算尺寸为9.6 m×8.6 m×3.9 m，共划分网格63 万个。

边界条件设置：①人员模型均以block 模型表示，6 排共46 人。单个人员散热量按108 W，散湿按68 g/h计算。照明负荷以照明功率密度计入，按照负荷计算取15 W/m2，以楼板热流的形式给出。②本研究主要针对教室不同通风形式气流组织差异，故仅考虑外界风压对教室气流的影响，不考虑教室通过外界的得热量。故教室外墙按等温壁面处理，其温度等于室温。③新风口、排风口根据不同通风空调形式采用Vent 或者Opening 模型，风口尺寸与出口风速均设置与设计相同。④采用k-ε 双方程湍流模型求解方程组，Pressure（质量守恒方程松弛因子）取0.3，Momentum（动量守恒方程松弛因子）取0.7，其余采用Airpak 默认设置。

3.2 模拟结果对比及分析

以1 m 处的平面（约等于学生做下后头顶部的高度）作为分析对象，各方案在1 m 高度处的风速云图如图5～8 所示：

图5 方案一1 m 高平面风速分布云图

图6 方案二1 m 高平面风速分布云图

图7 方案三1 m 高平面风速分布云图

图8 方案四1 m 高平面风速分布云图

根据各方案的速度分布图可以得出：方案一的人员活动区风速约为0.15～0.45 m/s。方案二的人员活动区风速约为0.15～0.55 m/s。方案三的人员活动区风速约为0.15～0.4 m/s。方案四的人员活动区风速约为，0.1～0.37 m/s。采用窗式空调器（方案一）对靠外窗区域的通风效果提升明显，靠内廊区域较差。采用排风机在教室前部排风、利用外窗自然进风（方案二）对教室两侧的通风效果都有提升，但未布置排风口的教室后排区域气流不畅。采用新风机组在教室前后送风、外窗自然排风（方案三）教室的气流分布均匀，无明显死角，人员活动区的风速也较为舒适。采用全热交换器沿教室靠窗两侧送风、教室前部排风（方案四）在出风口处的风速较高，但人员活动区的风速均匀且较为舒适。

4 结语

采用机械通风是改善中小学教室室内空气环境最经济的途径。不同的机械通风方式具有不同的效果，本文通过CFD 模拟对各种形式进行了比对，其结果对中小学校的设计和建设具有一定的参考意义。