西北地區(qū)小學(xué)校春季通風(fēng)優(yōu)化設(shè)計(jì)模式研究

陳敬，周俊飛

1 太陽輻射規(guī)律與室內(nèi)熱需求的不匹配

2 小學(xué)校通風(fēng)改造設(shè)計(jì)

1 背景與問題

在我國北方地區(qū)采暖期結(jié)束后至天氣轉(zhuǎn)暖之前，低溫天氣仍會持續(xù)一段時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)對于小學(xué)校教室言，如果直接開啟教室的自然通風(fēng)，容易造成室內(nèi)熱量的散失，引發(fā)學(xué)生感冒。如果教室關(guān)閉門窗則會導(dǎo)致室內(nèi)CO2濃度超標(biāo)，影響學(xué)生的健康與學(xué)習(xí)效率。根據(jù)研究團(tuán)隊(duì)對西安市內(nèi)的小學(xué)校的測試數(shù)據(jù)表明：學(xué)生在校上課期間，高年級教室CO2濃度超過1000ppm 的時(shí)間超過80%以上。換氣量的不足，CO2濃度過高將會造成學(xué)生上課時(shí)注意力不集中、頭疼等不良癥狀[1-5]。我國對于小學(xué)校教室CO2濃度的控制，雖然陸續(xù)頒布了《中小學(xué)教室空氣質(zhì)量管理指南》《中小學(xué)新風(fēng)凈化系統(tǒng)技術(shù)規(guī)程》等相關(guān)指導(dǎo)性文件，但是由于地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的不平衡，許多西北地區(qū)的小學(xué)校難以按照標(biāo)準(zhǔn)安裝、使用空氣凈化設(shè)備系統(tǒng)，因此如何通過優(yōu)化西北地區(qū)小學(xué)校教室空間的通風(fēng)方式，在增加空氣流通的同時(shí)保證室內(nèi)溫度不降低就成為亟待解決的問題。

2 潛力與困境

通過對西北地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)的分析可以發(fā)現(xiàn)：陜西北部、甘肅中、北部、寧夏、青海以及新疆南部等地的年太陽總輻射量均在5000MJ/m2以上，相當(dāng)于日輻射量3.8～4.5KWh/m2，屬于太陽能資源較為富集的地帶[6]；另一方面，太陽能資源可以直接利用的時(shí)段與小學(xué)校上課的時(shí)段高度重合，太陽輻射產(chǎn)生的熱量可以為改善室內(nèi)空氣品質(zhì)提供能源保障。但是在實(shí)際應(yīng)用中，太陽能輻射提供的熱量在一天中呈現(xiàn)出波動狀態(tài)，而教室對于溫度的需求是相對恒定的（參照采暖標(biāo)準(zhǔn)的18℃）。因此如何調(diào)節(jié)一天中太陽輻射進(jìn)入室內(nèi)的熱量，使之能夠保持室內(nèi)溫度的穩(wěn)定性是研究團(tuán)隊(duì)需要解決的技術(shù)問題（圖1）。

3 通風(fēng)流程設(shè)計(jì)

4 通風(fēng)管道設(shè)計(jì)

5 測試模型

6 溫度變化曲線

7 CO2濃度變化曲線

8 太陽輻射強(qiáng)度與預(yù)熱空間溫度的關(guān)聯(lián)性

3 設(shè)計(jì)邏輯的架構(gòu)

研究團(tuán)隊(duì)分別設(shè)計(jì)了自循環(huán)通風(fēng)換熱、全面換熱通風(fēng)換氣、局部換熱通風(fēng)換氣3 種不同的流程用于應(yīng)對清晨低溫、早晨、下午適宜溫度和中午高溫3 種狀態(tài)下的預(yù)熱通風(fēng)換氣。對于自循環(huán)通風(fēng)換熱流程，當(dāng)預(yù)熱空間提供的熱量有限，室內(nèi)溫度較低時(shí)，利用通風(fēng)管道A2 將室內(nèi)空氣送入預(yù)熱空間加熱，再通過通風(fēng)管道B2 送入教室。這樣可以避免熱量的流失，延緩整體CO2濃度達(dá)到1000ppm 的時(shí)間；對于全面換熱通風(fēng)換氣流程，當(dāng)室內(nèi)CO2達(dá)到1000ppm 時(shí)開啟通風(fēng)扇，將預(yù)熱空間的熱空氣從通風(fēng)管A1 送入室內(nèi)，然后從通風(fēng)管B1 排出室外；對于局部換熱通風(fēng)換氣流程，當(dāng)屋頂溫度較高時(shí)，減少供風(fēng)預(yù)熱空間的面積，控制通風(fēng)管A1 的送風(fēng)溫度。當(dāng)教室室溫過高時(shí)，將完全關(guān)閉預(yù)熱空間的送風(fēng)路徑，在通風(fēng)管A1 的一側(cè)開啟直接進(jìn)風(fēng)口，將冷風(fēng)引入室內(nèi)，平衡室內(nèi)溫度（圖2-4）。

4 實(shí)證與反饋

4.1 測試目標(biāo)

研究團(tuán)隊(duì)于2023 年4 月在西安制作了一個(gè)1:10 比例的二層學(xué)樓單元模型（圖5），主要用于驗(yàn)證3 個(gè)測試目標(biāo)：（1）測試太陽輻射對于預(yù)熱空間的加熱作用；（2）測試自循環(huán)通風(fēng)過程對于換氣時(shí)間的影響；（3）測試實(shí)現(xiàn)全面通風(fēng)需要的時(shí)間及對于室內(nèi)不同區(qū)域溫度的影響。

4.2 測試結(jié)果

（1）預(yù)熱空間至11:30 左右預(yù)熱空間達(dá)到63℃（升溫階段）。期間因?yàn)槿嫱L(fēng)換氣流程的開啟排出室內(nèi)CO2，在10:15 與11:15 左右溫度出現(xiàn)較大的降低。11:30 之后室內(nèi)2F 溫度已經(jīng)超過34℃，沒有繼續(xù)加熱的意義，故采用全遮陽的措施，減少輻射得熱（以此來模擬局部換氣通風(fēng)流程）。此后預(yù)熱空間溫度逐漸降低（降溫階段），并最終在20℃～30℃之間波動（恒溫階段，圖6）。

（2）從8:00 開始的自循環(huán)過程的作用下2F 在通風(fēng)20min 左右即可滿足室內(nèi)溫度18℃的要求，1F 在通風(fēng)1h 左右也可滿足18℃的要求。當(dāng)1F 滿足室內(nèi)溫度要求時(shí)室外溫度為10.6℃。

（3）在自循環(huán)過程中，室內(nèi)CO2整體濃度從初始值達(dá)到1000ppm 需要1.75h（8:00-9:45）左右，為清晨時(shí)段預(yù)熱空間的溫度提升提供了較為充裕的時(shí)間。

（4）在間歇式的局部換氣通風(fēng)流程狀態(tài)下，室內(nèi)CO2濃度會呈現(xiàn)規(guī)律性波動，基本每隔30-45min 會從初始值達(dá)到峰值，而后經(jīng)過10-15min 的通風(fēng)，室內(nèi)CO2濃度會降低至接近室外CO2濃度（圖7）。

4.3 測試啟示

（1）預(yù)熱空間能夠給室內(nèi)空間提供用于加熱、換氣的熱量。且太陽輻射強(qiáng)度與預(yù)熱空間的溫度變化呈現(xiàn)較強(qiáng)的正相關(guān)性（圖8），可以根據(jù)太陽輻射強(qiáng)度的氣象數(shù)據(jù)預(yù)測室內(nèi)空間的供熱量。

（2）采用自循環(huán)通風(fēng)流程可以延長室內(nèi)CO2濃度到達(dá)峰值的時(shí)間。在自循環(huán)通風(fēng)的作用下空氣會帶動室內(nèi)CO2均勻擴(kuò)散，從而延長室內(nèi)整體CO2濃度到達(dá)峰值的時(shí)間，同時(shí)在整個(gè)通風(fēng)過程中預(yù)熱空間、教室外廊以及不同年級教室之間的CO2濃度的不均衡等因素的綜合作用也會延長整體CO2濃度到達(dá)峰值的時(shí)間。

（3）在全面通風(fēng)的狀態(tài)下10-15min 室內(nèi)CO2濃度可以提前降低至室外標(biāo)準(zhǔn)，需要的通風(fēng)時(shí)長取決于風(fēng)機(jī)的功率。通風(fēng)過程中預(yù)熱空間溫度會快速降低，室內(nèi)溫度在通風(fēng)階段降低幅度不明顯。當(dāng)通風(fēng)時(shí)間大于15min 時(shí)，通風(fēng)時(shí)間越長，室內(nèi)溫度下降越明顯。