周俊杰 陈凤娜

深圳市建筑科学研究院股份有限公司

0 引言

夏热冬暖地区中小学教室以自然通风为主，空调形式以分体空调为主，大部分教室均无新风系统。采用自然通风的教室存在新风量不足的严重问题，室内空气中二氧化碳含量超出我国卫生标准要求，长时间处在这样的环境中，学生的学习效率明显偏低[1]。

充足的新鲜空气保证学生能够健康成长，并能保证学生的听课质量。根据日本就学校教室换气量多少对学生学习效率的影响分析显示，换气次数为0.4 次/h 与3.5 次/h 对比时，后者学生的学习效率可提高5%～9%。同时，随着学生在教室停留时间的增加，换气量大的教室内学生的学习效率可提高7%～10%[2]。

本文主要针对在设计阶段，基于控制室内CO2浓度下教室新风量指标如何选取，对教室室内CO2浓度进行预测分析，以及夏热冬暖地区教室适宜采用的新风处理技术三个方面进行探讨。

1 教室新风量指标要求

1）国内不同规范对CO2浓度、新风量的要求：不同规范对教室CO2最高允许浓度、最小新风量的规定见表1 所示。

表1 国内不同规范对教室CO2浓度及最小新风量的规定

从表1 可以看出，不同规范对教室CO2浓度要求在0.10%～0.15%，按新规范优先的原则，CO2浓度宜按0.10%取值。不同规范对教室的最小新风量要求亦均不相同，其中《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012 第3.0.6 针对不同人员密度提出了最小新风量在22～28 m3/(h·人)。《中小学校教室换气卫生要求》GB/T-17226-2017 则按小学、初中、高中不同类别规定了教室的最小新风量在20～32 m3/(h·人)。《中小学校设计规范》GB50099-2011 第9.1.3 条中按学校不同类别规定了普通教室的换气次数要求，且10.1.8条规定普通教室的最小新风量为19 m3/(h·人)；同时在《中小学校设计规范》GB50099-2011 条文说明10.1.8条，给出了新风量与CO2浓度的对应关系：“依室内CO2浓度为0.1%时的新风量31.8 m3/(h·人)折算，浓度为0.15%时新风量是18.3 m3/(h·人)”。可以理解为，按CO2浓度0.10%设计，《中小学校设计规范》GB50099-2011 的建议新风量约为32 m3/(h·人)。考虑几本规范发布的年代不同，最小新风量指标的总体变化趋势整体趋于加大取值，对比见图1。

图1 不同规范要求最小新风量取值范围变化趋势

按《中小学校设计规范》GB50099-2011 换气次数要求及最小新风量要求、不同教室高度（一般教室高度为3～4 m）、不同人员密度（PF=0.4～1.0）分别计算出新风量值，再与其他规范的最小新风量要求进行对比，见图2～4。

图2 不同层高的小学教室规范要求最小新风量

图3 不同层高的初中教室规范要求最小新风量范围

可以看出，各规范对最小新风量指标的要求范围偏差很大，其中小学教室最小新风量取值范围在19～28 m3/(h·人)，初中教室最小新风量取值范围在19～35 m3/(h·人)，高中教室最小新风量取值范围在19～45 m3/(h·人)。新风量取值过高会带来新风的处理能耗问题，新风量取值过低不满足室内CO2浓度控制要求，故有必要进一步通过模拟计算进行分析。

2 教室室内CO2 浓度预测分析

1）计算模拟软件：采用深圳市建筑科学研究院股份有限公司开发的PACT-IAQ 软件，提供了室内设计预测优化功能，PACT-IAQ 可提供VOCs、颗粒物、CO2等多种污染物耦合模拟分析，对项目设计方案进行综合评估，预测建筑室内空气质量动态变化趋势，计算实时污染负荷，解析分级污染源头，输出分项控制要求，优化设计方案，为营造健康舒适的室内环境提供技术保障。

2）计算边界条件：以深圳某新建中学教学组团初中教室为例，教室建筑面积68 m2，室内共51 人，其中学生50 人，教师1 人，人员密度为0.75 人/m2（上课时间人员密度不变），成人CO2呼出量0.046 m3/h·人，学生CO2呼出量0.021 m3/h·人。学校作息时间简化为上课时间上午8:00～12:00，下午14:00～16:00。按照夏热冬暖地区外门窗气密性6 级的分级指标可计算出门窗关闭状态下，教室换气次数为0.2～0.3 次/h，考虑实际教室课间间歇开门窗，自然通风工况简化为日间8:00～18:00 换气次数1.0 次/h，夜间换气次数按0.5 次/h 计算；机械送新风工况按《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》最小新风量指标选取。

3）计算模拟结果：分别模拟计算自然通风工况下、机械送新风工况下教室室内CO2浓度变化。

图5 为采用自然通风工况下，教室室内CO2浓度变化。模拟结果显示，在自然通风工况下，上课期间室内CO2浓度快速升高，CO2浓度很快就超过室内最高允许浓度1000ppm 的要求。自然通风教室新风量不足是影响室内CO2浓度的主要原因，尽量开门窗通风为教室注入新鲜空气，对改善室内空气品质十分有利[3]。

图5 自然通风工况下教室内逐时CO2 浓度变化

但在夏热冬暖地区的空调季节，加大自然通风会影响室内热舒适性，以牺牲热舒适性来改善室内空气品质不是最好的解决办法。

图6 为采用机械送新风工况下，PACT-IAQ 软件模拟计算得出的不同新风量指标及人员密度下，室内逐时CO2浓度变化曲线。采用机械送新风工况下，上午课间室内CO2浓度快速升高，很快室内达到平衡状态，中午由于是午休时间CO2浓度有所回落。当本项目新风指标取28 m3/(h·人)时，可以基本满足室内CO2浓度的要求；当新风指标取22～24 m3/(h·人)时，室内最大CO2浓度1025～1079 ppm，略高于室内CO2浓度限值1000 ppm。

图6 机械送新风工况下教室内逐时CO2 浓度变化

从上述模拟结果可以看出，按《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》GB50736-2012 中的新风量指标，不一定能满足室内CO2浓度的要求。教室上课期间教室内人员数量稳定，且学生处于相对平静状态，室内CO2呼出量相对稳定，考虑不同年龄段的学生及活动水平，其对应的CO2呼出量不同，《中小学校教室换气卫生要求》GB/T-17226-2017 按小学、初中、高中不同类型规定不同最小新风量更为合理。

考虑近年来我国室外CO2浓度呈不断增长趋势，采用1000×10-6作为室内CO2体积分数控制值将提高对新风量要求[4]。在设计阶段，基于CO2浓度控制作为目标，可依据下列公式直接计算出最小新风量指标[5]：

式中：Q 为教室新风量，m3/(h·人)；M 为CO2呼出量，L/(h·人)；K 为教室内CO2最高允许浓度，%；K0室外空气的CO2浓度，%。

3 教室新风处理方式浅析

在夏热冬暖地区的教室，由于夏季空调运行时间长，室外温、湿度高，教室新风量较大，相应处理新风的能耗大。夏热冬暖地区不同人员密度的普通教室，其新风处理能耗占空调能耗的35%～55%。所以夏热冬暖地区合理选择空调新风的处理方式，对学校的空调系统运行能耗有重要影响。选择教室新风系统的处理方式需注意以下几点。

1）室内人员密集，注重室内空气品质。

2）夏季采用自然通风方式，新风未经过除湿处理直接进入，室内相对湿度较大，相对湿度超过60%时，室内人员容易产生闷的感觉。

3）冬季新风温度低，采用自然通风方式或无处理直接送入新风，会影响室内舒适性。

热泵热回收新风处理技术，是一种节能的新风处理方式，其新、排风处理方式如下：

1）排风处理过程：室内排风经过升温加湿后再经过冷凝器，带走冷凝器热量后排出室外。

2）新风处理过程：夏季室外高温高湿新风经全热回收芯与室内低温低湿排风进行全热回收，经过降温除湿后通过蒸发器，进一步降温除湿后，达到设计工况后送入室内。夏季空气处理过程及焓湿图如图7：

图7 夏季热泵热回收空气处理示意图及焓湿图

3）冬季为热泵运行模式，提高新风的温度后送入室内。

从上述的热泵热回收新风处理过程可以看出，热泵热回收新风处理方式在夏热冬暖地区应用，其优点突出：

1）在冬季、过渡季节，可以只开热泵新风机组处理新风的温、湿度即可满足室内要求，无需开启空调系统。

2）室内排风经过回收能量后，用于带走冷凝热，热泵热回收新风换气机组的能效比可达4.1，远高于普通分体空调能效比。

3）通过热回收功能实现回收排风冷量节能。

4 结论

1）《中小学校教室换气卫生要求》GB/T-17226-2017 考虑不同年龄段学生CO2呼出量的差别，按小学、初中、高中不同类型规定不同最小新风量更为合理。

2）现行各规范规定的最小新风量指标相差较大，但是室内CO2最高允许浓度规定基本相同，设计新风量指标可以按教室内CO2最高允许浓度，可通过公式计算得出。

3）采用机械送新风方式的教室，设计新风量指标选取是否能满足室内CO2浓度标准，可以通过PACT-IAQ 等室内环境模拟软件进行预测分析。

4）热泵热回收新风技术优点突出，节能效益明显，适合在夏热冬暖地区的中小学教室应用。