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      空調教室CO2分布規律及通風量研究
      來源: | 作者:id1608051 | 發布時間: 2020-03-24 | 1463 次瀏覽 | 分享到:

      空調教室CO2分布規律及通風量研究

      • 作者:
      • 中國暖通空調網
      • 發布時間:
      • 2019-10-30

      廣州大學土木工程學院      利一鋒

      廣東省建科建筑設計院有限公司      許國強

      摘   要:本文對廣東地區某學校教室內的空氣參數與空調系統參數進行了測量,分析各因素對空調教室室內CO2分布的影響規律,并對教室室內氣流組織進行了數值模擬,最后提出了提高室內空氣品質的相關建議。

      關鍵詞:氣流組織;CO2濃度;數值模擬

             0   引言

             教室是學生的主要活動場所,具有室內使用人員連續停留時間長、人員密度高等特點,其中的室內空氣質量更是受到社會各界的重視。劉嶸[4]等對2所學校的24個教室內的空氣污染現狀進行調查,指出在冬季,室內空氣中CO2濃度超標嚴重,而其他污染物,如SO2、CO、PM10等的濃度值主要取決于室外空氣質量。翟金霞[5]等對校園建筑里的90個教室進行室內空氣品質研究,研究發現教室內的主要污染物是細菌和CO2。黃衍[6]等以某初中計算機教室作為研究對象,對其中CO2濃度進行實際測量,發現上課期間室內CO2體積分數可以達到3200×10-6。俞珊[7]對西南地區某學校的室內空氣進行跟蹤調查,結果顯示20%的教室空氣中的CO2濃度超標。諸多研究表明,我國學校教室室內主要污染物為CO2,且CO2濃度超標現象較為普遍。

             教室內,人員新陳代謝會散發出大量CO2,而室內CO2濃度的持續增加,將會造成室內空氣不新鮮、影響學生的學習。Derek G. Shendell[8]等人研究發現,教室室內CO2含量每提高1000ppm,學生的缺勤率增加10%到20%。DavidA.Coley[9]等人通過對國外典型教室中的CO2濃度進行測量,并對其中的18個小學生進行測試,結果顯示當室內空氣的CO2含量超出規范一倍,學生的記憶力與反應能力也會隨之降低約5%。李明雪[10]等人研究了長三角地區教學建筑室內空氣質量與學生反應能力之間的關系,結果表明,在冬季學生的工作效率與學習能力會隨著教室內CO2濃度值的升高而下降。戴歡歡[11]等人通過現場實測與主觀評價方式,課間期間對7個中學生進行一系列的反應能力測試,得出教室空氣內CO2濃度的增加會影響學生各種學習反應能力。結合國內外的研究發現,教室室內過高的CO2濃度會導致學生學習效率下降,長期處于高濃度的CO2環境中還會影響學生的身心健康。

             本研究基于對廣州地區某高??照{教室內CO2濃度的檢測結果,調查研究室內CO2分布規律,為解決教室室內CO2濃度普遍超標問題提供依據。

             1   實驗方法

             本測試選擇在2017年6月進行,此時正值炎夏,被測教室在上課時段空調開啟且門窗緊閉。上午空調開啟時間約在8:15,第一節課上課時間為8:30到10:05,在20min的課間過后,10:25到12:00上第二節課。被測教室所在教學樓地上7層,層高3.9m,有各類教室共112間,其中小教室數量達84間。由于在僅靠滲透排風情況下,樓層和朝向對空調房間室內空氣質量沒有顯著影響[12],所以本研究挑選了位于4樓的一間小教室作為測試對象。該教室面積約70m2,尺寸為9.0m×7.8m×3.9m,教室內有6排座位,每排10個座位,可容納60人上課。

             除了檢測教室室內CO2濃度外,本研究還對教室室內的空氣流速、室內外溫濕度,以及教室空調器的相關數據進行測試,表1給出了測試儀器及其參數。

      表1   實驗參數測量方法

             參考《室內空氣質量標準》(GB/T 18883–2002)[13]中對室內空氣采樣點的要求,在教室的對角線上,距離教室地板0.5m、1.1m、1.6m處各布置3個采樣點,共9個采樣點,如圖1和表2所示。測試時教室內有39名人員且分布均勻。

      圖1   被測教室示意圖及測點分布

      表2   測點位置信息表

             2   實驗結果與分析

             2.1   教室新風量的測定

             向室內通入新風是消除室內空氣污染,保持室內空氣品質的最有效方法[14][15]。在空調開啟的季節,門窗緊閉,對通過空調系統進入教室的新風量進行測定,可更加深入地分析室內空氣質量問題。教室采用低速全空氣空調系統,吊頂式空氣處理機組吊裝在走道天花內,新風及回風進入回風箱混合后經過降溫處理后由送風干管送入室內,見圖2。

      圖2   教室空調系統

             該空調系統中,新風口與回風口的入口處分別設置多葉調節閥調節二者面積比,以此來控制及調節新風量,滿足不同季節對新風量的需要。教室排風依靠門窗縫隙正壓滲透至室外,沒有另設排氣裝置。本研究根據風口尺寸的不同對通風口截面積等分多個點,取各點風速值的平均值作為通風口平均風速計算通風量,教室空調系統各通風口的通風量見表3。

      表3   各通風口的通風量

             由測定結果可得總送風量為4276.80m3/h,新風量為1548.97m3/h,新風占比約36%,若按教室使用人數60人計算,進入教室的人均新風量約為26m3/(h·人),對比《中小學校設計規范》(GB 50099–2011)[16]中教室的人均新風量19m3/(h·人),可知本教室的入室新風量偏大。

             雖然充足的新風量可保證良好的室內空氣品質,但是在空調系統能力有限的情況下,引入過大新風將影響室內熱舒適性。測試期間室內外氣溫變化見圖3,室外氣溫呈上升趨勢,而教室內氣溫在空調開啟之初與室外氣溫比較貼近,隨后降低并在28.5℃上下波動。室外空氣相對濕度在71%到78%范圍內變化,而室內相對濕度變化趨勢與室內氣溫基本一致,在65%相對濕度處上下波動,如圖4所示。

      圖3   室內外溫度逐時變化 圖4   室內外相對濕度逐時變化

             教室內空氣的相對濕度滿足《室內空氣質量標準》(GB/T 18883–2002)所規定的標準相對濕度范圍值40%~80%,但是氣溫卻略高于規定值(22~28℃),其主要原因是新回風混合箱內引入了大量高溫高濕的新風,負荷大于空調器正常需要處理的范圍,從而使得室內總體氣溫偏高,熱舒適性下降。

             2.2   室內CO2濃度值的逐時變化

             室內CO2的逐時變化情況如圖5所示,室內CO2濃度值總體上呈上升趨勢,在第一節課內CO2濃度平均值從530ppm升至785ppm,在10:15產生波動,主要是因為10:05到10:25為大課間,大部分學生出教室造成通風量增加以及室內CO2源減少所致,第二節課開始,室內CO2濃度平均值繼續從781ppm升至919ppm。

      圖5   室內CO2濃度值逐時變化

             上午教室內CO2濃度平均值約為741ppm,最大CO2濃度平均值出現在11:45,為919ppm,測試的各組CO2濃度值中,最大值為964ppm,均低于《室內空氣質量標準》(GB/T 18883–2002)所規定的1000ppm標準值,室內CO2濃度符合規范要求,機械通風量充足。

             另外,對比教室內不同高度平面的CO2濃度值,高1.1m的水平面上CO2濃度平均值最高(784ppm),高0.5m平面次之(729ppm),高1.6m平面最低(709ppm),其主要原因是學生坐著上課,呼吸帶高度即CO2散發源的高度接近1.1m高處,室內人員呼出來的CO2未能及時擴散造成此高度處CO2濃度最高。

             2.3   空氣流速對室內CO2分布的影響

             對室內空氣流速進行測量后,發現同一測點的空氣流速隨時間變化不大,各點空氣流速平均值如圖6所示。高0.5m平面比高1.6m平面的平均空氣流速低,解釋了前者CO2濃度值較高的原因:教室0.5m高平面布置著桌椅,桌椅對空氣的阻力導致該平面空氣流速較低,從而造成了CO2的集聚,導致0.5m高平面的CO2濃度比1.6m高平面的高。

             對比測點4/5/6處和測點7/8/9處的CO2濃度值與空氣流速也可以得到同樣的規律。測點7/8/9位于空調主風管下,平均空氣流速約為0.13m/s,CO2濃度值為784ppm;而測點4/5/6處位于空調側送風口2正對位置,平均空氣流速約為0.26m/s,CO2濃度值為709ppm,因此我們可以認為在其他條件一致的前提下,空氣流速較大處CO2濃度值較低。

      圖6   室內空氣流速平均值

             從圖6還可以看到,1.1m高平面的空氣流速平均值最高,但該平面的CO2濃度值卻也是最高的,可見風速雖然是CO2濃度值的影響因素,但是高密度的CO2散發源才是某一區域CO2濃度高的根本原因。

             為驗證空氣流速較大處CO2濃度值低這一規律,本研究采用目前被廣泛應用的CFD軟件PHOENICS對被測教室內空氣流場進行了數值模擬。根據實測數據建立物理模型,在人體模型的口鼻處設置0.3m×0.3m的風口作為CO2散發源,該風口風量為1.6×10-4m3/s,其中CO2量占4%[17]。模擬采用RNG k-?湍流模型[18]。
      模擬計算結果與實測數據對比如下表4所示。相對誤差在可接受范圍內,可認為模型與邊界條件的設置與實際情況基本相符。

      表4   高1.1m平面模擬計算結果與實測數據對比

             圖7為高度為1.1m平面的空氣流速分布。教室內空氣流速分布不均勻,在各送風口正對位置出現明顯的高速氣流,而由于對著氣流的流動方向,圖7教室右側區域的空氣流速略高于其余區域。

      圖7   高1.1m平面風速分布圖

             教室內1.1m高平面的CO2濃度分布情況如圖8所示。教室CO2濃度值最高的是圖8教室左側人員所在區域,一般而言,由于室內人員分布均勻,教室內CO2也應均勻分布,即教室右側人員所在區域的CO2濃度值也應與左側區域相當,但觀察圖8可知,人員所在的右側區域的CO2濃度值要明顯比左側區域的低,其原因是由于該區域正對送風口,空氣流速明顯高于左側區域。模擬所得高1.1m平面各測點的空氣流速與CO2濃度值如表4所示,表4亦可更加直接地表明空氣流速與CO2濃度值的關系。

      圖8   高1.1m平面CO2分布圖

             對模擬結果從整體到具體點的分析可得,氣流組織能在一定程度上影響室內CO2濃度的分布,空氣流速較大處的CO2濃度值低。

             3   結論及建議

           (1)目前,我國已經有不少地區的教室開始設置空調,合理的空調系統以及充足的新風量可以有效地減少室內CO2濃度累積,保證室內CO2濃度滿足規范要求。另外,應注重調節空調系統的新風比例,正確處理室內熱舒適與空氣質量之間的矛盾,保障教室內人員的健康,提高師生的工作、學習效率。

           (2)夏季在密閉的空調教室內,不同高度平面的CO2濃度值有所不同,這主要取決于大部分時間里教室使用人員的呼吸帶高度,或者說取決于CO2散發源的高度。因此在對室內空氣污染物進行監測時,應該充分考慮污染物散發源高度,選擇不同高度的采樣點,使監測結果正確反映室內污染物濃度水平。

           (3)當室內人員密度與空氣流速在合理的范圍時,CO2散發源密度高是造成教室內某一區域CO2濃度值偏高的主要原因,而室內各點空氣流速不同是造成CO2分布不均的次要原因,空氣流速較大處CO2濃度值較低。因而可設置機械設備,增加室內人員集中區域風速,使污染物擴散到室內無人區域或者室外。

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