學(xué)校教室新風(fēng)凈化系統(tǒng)的安裝型式及氣流組織

陳智遠(yuǎn)

上海市黃浦區(qū)教育局校產(chǎn)管理站

0 引言

我國的霧霾天氣逐年加重。如圖1所示，上海市近三年的室外PM2.5、PM10濃度變化曲線呈現(xiàn)明顯的V型分布，季節(jié)分布顯著，每年9月至來年5月是顆粒物濃度高峰期。每年顆粒物峰值期出現(xiàn)在1月中旬前后。并且，約三分之一的時(shí)間PM2.5日均濃度超過《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》[1]規(guī)定的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)限值（75 μg/m3），約 70% 時(shí) 間 超 過 一 級(jí) 標(biāo) 準(zhǔn) 限 值（35 μg/m3）。

大部分學(xué)校均未安裝凈化新風(fēng)系統(tǒng)。根據(jù)國家《中小學(xué)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]規(guī)定，中小學(xué)校“在各種有效通風(fēng)設(shè)施選擇中，應(yīng)優(yōu)先采用有組織的自然通風(fēng)設(shè)施”，除化學(xué)，生物實(shí)驗(yàn)室外的其他教學(xué)用房及教學(xué)輔助用房“非嚴(yán)寒與非寒冷地區(qū)全年，嚴(yán)寒與寒冷地區(qū)除冬季外，應(yīng)優(yōu)先采用開啟外窗的自然通風(fēng)方式”。《托兒所、幼兒園建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]中規(guī)定，“托兒所、幼兒園的幼兒用房應(yīng)有良好的自然通風(fēng)”，建筑通風(fēng)設(shè)計(jì)“應(yīng)優(yōu)先采用有組織自然通風(fēng)設(shè)施”。根據(jù)國家和省、市教育技術(shù)裝備相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[4-8]，中小學(xué)校，幼兒園設(shè)施設(shè)備及裝備中均不含凈化新風(fēng)系統(tǒng)。學(xué)生一天中三分之一的時(shí)間在學(xué)校度過，而且學(xué)校里90%左右的時(shí)間是在教室內(nèi)度過。學(xué)生長期的處于教室環(huán)境下，若是教室內(nèi)空氣受到污染，那么孩子們將長時(shí)間的暴露在污染的空氣之下。學(xué)校教室內(nèi)PM2.5等細(xì)小顆粒污染物侵害孩子們的身體健康，已經(jīng)刻不容緩。

圖1 上海市2014-2016年P(guān)M2.5、PM10日均值

1 三種型式新風(fēng)機(jī)氣流組織模擬

當(dāng)前環(huán)境下，直接引用室外新風(fēng)進(jìn)入室內(nèi)會(huì)存在PM2.5超標(biāo)等問題，所以需要結(jié)合空氣凈化技術(shù)將室外新風(fēng)進(jìn)行預(yù)處理后再引入室內(nèi)。目前新風(fēng)機(jī)是兼?zhèn)湫嘛L(fēng)和凈化功能的優(yōu)良設(shè)備，消除了直接從室外引入新風(fēng)和單獨(dú)使用空氣凈化器帶來的負(fù)面作用。

圖2 三種型式新風(fēng)機(jī)的安裝位置

為了研究教室內(nèi)安裝不同類型的新風(fēng)機(jī)對氣流組織送風(fēng)速度的影響，以某小學(xué)教室為研究對象，教室長寬高為：8.4 m×7 m×3.4 m。分別采用吊頂式，壁掛式和落地式新風(fēng)機(jī)向教室提供新風(fēng)：

1）如圖2（a）所示，采用一臺(tái)吊頂式新風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為500 m3/h。吊頂式新風(fēng)機(jī)布置5個(gè)送風(fēng)口，1個(gè)回風(fēng)口。風(fēng)口距地面的高度為2.8 m。每個(gè)送風(fēng)口送風(fēng)量100 m3/h，送風(fēng)風(fēng)速為 3 m/s。

2）如圖2（b）所示，采用一臺(tái)落地式新風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為500 m3/h。新風(fēng)機(jī)安裝于教室后方角落，有兩個(gè)球形送風(fēng)口。送風(fēng)口距地面的高度為1.6 m。送風(fēng)口送風(fēng)量400 m3/h，送風(fēng)風(fēng)速為 2.8 m/s。

3）如圖2（c）所示，采用兩臺(tái)壁掛式新風(fēng)機(jī)，每臺(tái)風(fēng)量300 m3/h。壁掛式新風(fēng)機(jī)掛于同一立面，采用兩個(gè)壁掛機(jī)。送風(fēng)口距地面的高度為2.5 m。

圖3 吊頂式新風(fēng)機(jī)在三個(gè)方向速度分布

通過計(jì)算流體力學(xué)軟件FLUENT建立該新風(fēng)系統(tǒng)的物理模型，采用數(shù)值迭代法對新風(fēng)送風(fēng)系統(tǒng)的速度進(jìn)行數(shù)值模擬。控制方程分別為連續(xù)性方程，動(dòng)量方程及湍流雙方程。利用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型及壁面函數(shù)法模擬新風(fēng)機(jī)的氣流組織。圖3所示為三種不同安裝型式新風(fēng)機(jī)在三個(gè)方向速度分布。從整個(gè)教室分布來看，吊頂式因?yàn)椴捎昧?個(gè)送風(fēng)口，雖然速度較小，但是風(fēng)速分布均勻性、作用空間大。落地式整個(gè)送風(fēng)速度比頂送式大，速度分布則不如吊頂式均勻。壁掛式的速度分布不均勻，中間部分的風(fēng)速較大，教室四個(gè)角落的速度較小。表1所示為教室內(nèi)新風(fēng)機(jī)三種不同安裝方式的優(yōu)缺點(diǎn)分析。

圖4 落地式新風(fēng)機(jī)在三個(gè)方向速度分布

圖5 掛壁式新風(fēng)機(jī)在三個(gè)方向速度分布

2 新風(fēng)散流器與吊扇對人員呼吸區(qū)風(fēng)速的影響

根據(jù)散流器射流公式[9]，人員呼吸區(qū)所達(dá)到的速度為：

式中：vx為射程x處的最大風(fēng)速，m/s；Ls為散流器出口風(fēng)量，m3/s；K為送風(fēng)口常數(shù)，平盤式散流器取1.1；x為散流器射程，m；Fs為散流器的有效面積，m2。

吊扇在人員呼吸區(qū)所達(dá)到的速度為：

式中：vx為吊扇射程x處的最大風(fēng)速，m/s；v為吊扇葉輪處的風(fēng)速，m/s；L為吊扇葉輪出風(fēng)量，m3/s；F為吊扇的有效面積，m2；a為吊扇的紊流系數(shù)，取0.08；x為吊扇射程，m；d為吊扇直徑，m。

表2和表3分別所示為散流器和吊扇作用于人員呼吸區(qū)風(fēng)速的計(jì)算參數(shù)。

表4所示為距地面0.80 m高度處的風(fēng)速。吊扇的作用是將氣流直沖向地面，吹散了上下冷熱空氣的層次，減少了能量消耗。其次，徑向軸對稱的地面氣流可以沿徑向吹送每個(gè)人所處的位置。調(diào)節(jié)氣流速度，功率較大的吊扇能產(chǎn)生高效的冷卻系統(tǒng)。低速情況下，氣流只在每個(gè)人所處的位置循環(huán)。新風(fēng)散流器送風(fēng)速度雖然始終保持在使人舒適的范圍內(nèi)，但速度較低低，人們只有微弱的吹風(fēng)感，因而在調(diào)節(jié)風(fēng)速與改變?nèi)梭w表面溫度方面，沒有吊扇的效果好。

3 結(jié)束語

新風(fēng)凈化系統(tǒng)能夠從室外引進(jìn)新鮮空氣，對其高效過濾之后送入室內(nèi)，滿足廣大師生的呼吸及衛(wèi)生要求。同時(shí)將室內(nèi)污染空氣排出到室外，在滿足空調(diào)節(jié)能的基礎(chǔ)上，還達(dá)到改善室內(nèi)空氣品質(zhì)的目的，顯著減少室內(nèi)的二氧化碳、PM2.5、甲醛、TVOC、病菌等有害物的濃度。

1）不同型式的新風(fēng)凈化設(shè)備各具特點(diǎn)。在安裝條件允許時(shí)，盡量選用吊頂式，但要注意設(shè)備的噪音控制。選擇落地式，氣流的組織效果略差，但是安裝維護(hù)較為方便。壁掛式的氣流組織效果最差，但不占用地面和頂部空間。

2）在改善人員體表溫度和濕度、提高人體熱舒適性方面，新風(fēng)散流器的作用非常有限，主要原因是依據(jù)改善人體呼吸所需的最小新風(fēng)量，其送風(fēng)速度較小，只有微弱的吹風(fēng)感，不如吊扇的作用明顯。