方徐根，官萬(wàn)延，楊敏，梁利霞

（浙江省建筑科學(xué)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

幼兒園作為學(xué)齡前兒童學(xué)習(xí)和生活的主要場(chǎng)所，具有人員密度大、活動(dòng)頻繁等特點(diǎn)，教室內(nèi)的空氣質(zhì)量一直備受全社會(huì)的廣泛關(guān)注，因此對(duì)幼兒園教室的室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行探討尤為重要。CO2濃度作為判斷室內(nèi)空氣質(zhì)量的一項(xiàng)重要指標(biāo)，GB/T 18883—2002《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中已明確規(guī)定室內(nèi)CO2濃度的限值不高于0.1%。室內(nèi)CO2濃度超過(guò)限值后，將會(huì)對(duì)室內(nèi)人員的呼吸產(chǎn)生一定的影響，引起各種不適現(xiàn)象[1]。

當(dāng)前我國(guó)的相關(guān)民用建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)建筑的節(jié)能、采光、噪聲、通風(fēng)等方面都有明確規(guī)定，通風(fēng)設(shè)計(jì)基本采用人均最小新風(fēng)量和換氣次數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，但室內(nèi)CO2濃度限值與最小新風(fēng)量的規(guī)定存在一定的分歧，容易造成室內(nèi)新風(fēng)量不足，導(dǎo)致CO2濃度超標(biāo)的問(wèn)題。特別是當(dāng)前我國(guó)的幼兒園建筑主要采用自然通風(fēng)的手段，在冬夏兩季，為了保證教室內(nèi)的溫度，通常門(mén)窗緊閉，教室內(nèi)CO2濃度存在嚴(yán)重超標(biāo)。目前，很多研究表明，長(zhǎng)期處于CO2濃度偏高的環(huán)境中，會(huì)影響人的身心健康和學(xué)習(xí)效率，例如記憶力降低、注意力不集中、易疲倦等[2]。

通風(fēng)作為解決室內(nèi)空氣質(zhì)量的最主要手段，同時(shí)也是最有效的手段[3]。目前，針對(duì)幼兒園建筑通風(fēng)的研究仍然較少。本文重點(diǎn)通過(guò)對(duì)幼兒園教室的通風(fēng)模擬，以CO2為標(biāo)志物，重點(diǎn)研究室內(nèi)CO2的分布情況和新風(fēng)量對(duì)室內(nèi)CO2濃度的稀釋?zhuān)?duì)比研究了采用上送風(fēng)和上下共同送風(fēng)方式對(duì)室內(nèi)CO2濃度的影響，探討不同送風(fēng)位置對(duì)室內(nèi)CO2濃度分布的影響，為居住建筑的通風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 物理模型

JGJ 39—2016《托兒所、幼兒園建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（2019版）針對(duì)幼兒園的建筑設(shè)計(jì)作出了明確規(guī)定：幼兒生活單元應(yīng)設(shè)置活動(dòng)室、寢室、廁所、盥洗室、衣帽儲(chǔ)藏間等基本空間。本文選取杭州西湖吉鴻未來(lái)社區(qū)幼兒園的幼兒生活單元進(jìn)行CO2擴(kuò)散模擬研究。幼兒生活單元房間的使用面積按照J(rèn)GJ 39—2016的要求，如表1所示。

表1 幼兒生活單元房間的最小使用面積 m2

教室的總建筑面積為168 m2，建筑朝向按照利于夏季及過(guò)渡季風(fēng)向，避開(kāi)冬季風(fēng)向的要求，通風(fēng)開(kāi)口有效面積按照房間地面面積5%的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求[4-5]，具體建筑如圖1所示。

幼兒園教室的人員按3個(gè)老師、30個(gè)幼兒進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)建筑CAD圖紙具體尺寸，利用NX軟件對(duì)幼兒園教室進(jìn)行等比例3D建模，并導(dǎo)入CFD模擬軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，幼兒園生活單元的物理模型如圖2所示。

建筑南側(cè)設(shè)有寬7.2 m的落地窗，北側(cè)設(shè)有寬4.5 m的落地窗，在模擬計(jì)算時(shí)按開(kāi)窗50%的開(kāi)啟面積考慮，并忽略教室門(mén)的漏風(fēng)影響。通風(fēng)方式采用上送上排，在如圖2所示東西墻1、2點(diǎn)位分別設(shè)置新風(fēng)口，在西墻4點(diǎn)位置設(shè)置排風(fēng)口；通風(fēng)方式采用上下同時(shí)送風(fēng)，在如圖2所示東墻1、3點(diǎn)位分別設(shè)置新風(fēng)口，在西墻4點(diǎn)位置設(shè)置排風(fēng)口。1、2、4點(diǎn)風(fēng)口頂部距樓面高度3.5 m；3點(diǎn)風(fēng)口頂部距樓面高度0.5 m。

在Fluent軟件進(jìn)行模擬計(jì)算時(shí)，教室內(nèi)隨機(jī)建立30個(gè)站姿的幼兒模型，3個(gè)站姿的成人模型，在計(jì)算時(shí)將人體模型的邊界條件設(shè)置為速度入口，由此不斷向室內(nèi)擴(kuò)散CO2，來(lái)近似實(shí)現(xiàn)人體呼吸釋放CO2，兒童的CO2釋放速率按2.173×10-3L/s考慮，即速度入口邊界條件為1.72×10-6m/s，成人的CO2釋放速率按5.147×10-3L/s考慮，即速度入口邊界條件為2.12×10-6m/s[6]。

2 模擬與分析

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本模擬采用如下設(shè)定：工質(zhì)視為常溫、低速、不可壓流體流動(dòng)；符合氣體狀態(tài)方程的等壓流動(dòng)；符合Boussinesq假設(shè)；數(shù)值方法采用k-ε Standard模型，并使用組分運(yùn)輸模型來(lái)實(shí)現(xiàn)CO2在室內(nèi)的擴(kuò)散。

室內(nèi)空氣流動(dòng)、傳熱與污染物擴(kuò)散現(xiàn)象的連續(xù)性微分方程、動(dòng)量微分方程、能量微分方程、氣體組分微分方程等，統(tǒng)一表達(dá)為標(biāo)準(zhǔn)形式[7]，如式（1）所示。

式中：ρ——密度，kg/m3；

t——時(shí)間，s；

V——體積，m3；

cs——微分方程的因變量，取1時(shí)代表連續(xù)方程；

Ds——擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

Ss——廣義源項(xiàng)。

利用ICEM軟件對(duì)幼兒園教室進(jìn)行網(wǎng)格劃分，在保證計(jì)算精度的同時(shí)，為了減少計(jì)算資源的使用和減少計(jì)算所需要的時(shí)間，在網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)人體、新風(fēng)、排風(fēng)及窗口處設(shè)置密度盒，來(lái)實(shí)現(xiàn)人體、新風(fēng)、排風(fēng)及窗口位置的網(wǎng)格加密，將幼兒園教室劃分為1 265 862個(gè)網(wǎng)格單元進(jìn)行計(jì)算。建立的網(wǎng)格模型如圖3所示。

在模擬計(jì)算中將室內(nèi)初始CO2濃度與自然空氣中CO2濃度均設(shè)為400×10-6，同時(shí)僅考慮氣體流動(dòng)，忽略溫度的影響。人體CO2釋放設(shè)置為速度入口，空氣入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為自由出流。本文側(cè)重模擬自然通風(fēng)的新風(fēng)量、垂直高度CO2濃度變化、自然通風(fēng)對(duì)CO2濃度的影響、機(jī)械通風(fēng)對(duì)CO2濃度的影響等4個(gè)場(chǎng)景。

2.1 封閉教室內(nèi)CO2的濃度變化

教室處于滿(mǎn)員封閉狀態(tài)下，5 min時(shí)的CO2濃度云圖如圖4所示，封閉教室工況下，高度1.2 m處在15 min與30 min時(shí)的CO2濃度云圖如圖5所示。

由圖4可見(jiàn)，人體模型在不斷地向室內(nèi)擴(kuò)散CO2，當(dāng)CO2擴(kuò)散不受氣流影響時(shí)，CO2在垂直方向上的擴(kuò)散相對(duì)較弱，其擴(kuò)散主要發(fā)生在水平方向上。同時(shí)受氣體密度的影響，CO2相對(duì)累積的區(qū)域在教室空間的底部空間，垂直高度越低處CO2的濃度越高，CO2的濃度在垂直高度方向上呈現(xiàn)減小的梯度變化，幼兒呼吸所處水平面位置CO2濃度相對(duì)較高。

由圖5可見(jiàn)，由于不考慮空氣擾流影響，CO2僅由人體向室內(nèi)均勻擴(kuò)散，30 min時(shí)CO2濃度在水平方向上分布相對(duì)更為均勻，CO2濃度較高處始終處于人體模型位置附近。

封閉教室中5、10、30、60 min時(shí)，不同高度的CO2濃度如圖6所示。

由圖6可見(jiàn)，封閉教室CO2濃度隨著CO2氣體的擴(kuò)散，在垂直高度方向上逐漸趨向均勻，CO2濃度在30 min左右逐漸趨向均勻。

2.2 通風(fēng)對(duì)室內(nèi)CO2濃度的影響

選取杭州地區(qū)的年平均風(fēng)速，不同通風(fēng)工況下，室內(nèi)1.2 m高處在15 min時(shí)的CO2濃度云圖如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，在4種自然通風(fēng)工況下，當(dāng)受到新風(fēng)作用時(shí)CO2的濃度顯著被稀釋?zhuān)珻O2濃度較高處主要分布于人體模型四周。自然通風(fēng)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)時(shí)室內(nèi)1.2 m處的CO2濃度為所研究風(fēng)向工況下的最低值。處于自然通風(fēng)時(shí)，室內(nèi)CO2分布較為混亂，受自然通過(guò)氣流影響導(dǎo)致室內(nèi)1.2 m同一高度處存在CO2分布不均勻，室內(nèi)空氣質(zhì)量不一致。采用機(jī)械通風(fēng)上側(cè)送風(fēng)時(shí)，在1.2 m高處CO2分布相對(duì)較為均勻，室內(nèi)空氣質(zhì)量水平一致。

設(shè)定通風(fēng)有效面積為房間地面面積的5%，自然通風(fēng)時(shí)不同風(fēng)速的新風(fēng)量如圖8所示，自然通風(fēng)時(shí)風(fēng)速和風(fēng)向?qū)O2濃度的影響見(jiàn)圖9。

由圖8可見(jiàn)，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)分析，風(fēng)速、風(fēng)向?qū)ψ匀煌L(fēng)新風(fēng)量的影響較大。南北方向窗戶(hù)的教室，在相同風(fēng)速的情況下，東南風(fēng)的風(fēng)向時(shí)，室內(nèi)的新風(fēng)量相對(duì)最大。按照最不利的風(fēng)向，風(fēng)速0.6 m/s時(shí)基本能符合JGJ 39—2016中新風(fēng)量30 m3/（h·人）的要求。

由圖9可見(jiàn)，自然通風(fēng)狀態(tài)下，不同風(fēng)速、風(fēng)向?qū)O2濃度的影響較大。南北方向窗戶(hù)的教室，在相同風(fēng)速的情況下，東南風(fēng)的風(fēng)向時(shí)，室內(nèi)CO2濃度相對(duì)較低，基本上同自然通風(fēng)新風(fēng)量模擬結(jié)果相吻合，風(fēng)速大，新風(fēng)量大，室內(nèi)CO2濃度相對(duì)較低。按照最不利的風(fēng)向，風(fēng)速0.5 m/s時(shí)基本能滿(mǎn)足CO2濃度低于1000×10-6的要求。

2.3 機(jī)械通風(fēng)對(duì)室內(nèi)CO2濃度的影響

采用上送風(fēng)的機(jī)械通風(fēng)方式，不同新風(fēng)量對(duì)室內(nèi)1.2 m高處CO2濃度的影響如圖10所示。

新風(fēng)量達(dá)到25 m3/（h·人）的情況下，基本能實(shí)現(xiàn)CO2濃度1000×10-6的要求。由圖10可見(jiàn)，當(dāng)新風(fēng)量為300、400、600、750、900 m3/h時(shí)，室內(nèi)CO2濃度分別穩(wěn)定在1580×10-6、1200×10-6、1100×10-6、1000×10-6、950×10-6?？梢园l(fā)現(xiàn)，新風(fēng)量在逐漸增大的過(guò)程中，相同的新風(fēng)量增幅對(duì)室內(nèi)CO2濃度稀釋的能力逐漸減弱。

采用機(jī)械通風(fēng)，新風(fēng)量為900 m3/h，分別采用上送風(fēng)和上下同時(shí)送風(fēng)時(shí)，15 min時(shí)的CO2濃度云圖如圖11所示，不同高度的CO2濃度變化如圖12所示。

由圖11、圖12可見(jiàn)，當(dāng)不考慮室內(nèi)氣流擾動(dòng)影響，采用上送風(fēng)和上下同時(shí)送風(fēng)時(shí)，垂直高度越高，相對(duì)的室內(nèi)CO2濃度越低。上送風(fēng)相對(duì)上下同時(shí)送風(fēng)，稀釋室內(nèi)CO2的效果和效率明顯增強(qiáng)，并且由于下送風(fēng)會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵和衛(wèi)生等問(wèn)題影響室內(nèi)空氣品質(zhì)，故建議在機(jī)械通風(fēng)時(shí)采用上送風(fēng)的通風(fēng)方式。

3 結(jié)語(yǔ)

（1）在風(fēng)速大于0.6 m/s的自然環(huán)境下，采用自然通風(fēng)手段，基本上能滿(mǎn)足人均最小新風(fēng)量30 m3/（h·人）和室內(nèi)CO2濃度1000×10-6的限制值的要求。

（2）冬夏季幼兒園教室為了室內(nèi)溫度和節(jié)能的雙重需求，關(guān)閉門(mén)窗，室內(nèi)CO2濃度嚴(yán)重偏高，同時(shí)隨著CO2氣體的擴(kuò)散，CO2濃度在垂直高度上逐漸趨向均勻。

（3）建議幼兒園的通風(fēng)設(shè)計(jì)采用上部機(jī)械通風(fēng)方式的新風(fēng)凈化系統(tǒng)，解決冬夏季幼兒園教室內(nèi)CO2濃度偏高的問(wèn)題。

（4）過(guò)渡季節(jié)，幼兒園教室應(yīng)保持開(kāi)窗通風(fēng)，有效降低室內(nèi)CO2濃度，改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。