学校教室新风净化系统的安装型式及气流组织

陈智远

上海市黄浦区教育局校产管理站

0 引言

我国的雾霾天气逐年加重。如图1所示，上海市近三年的室外PM2.5、PM10浓度变化曲线呈现明显的V型分布，季节分布显著，每年9月至来年5月是颗粒物浓度高峰期。每年颗粒物峰值期出现在1月中旬前后。并且，约三分之一的时间PM2.5日均浓度超过《环境空气质量标准》[1]规定的二级标准限值（75 μg/m3），约 70% 时 间 超 过 一 级 标 准 限 值（35 μg/m3）。

大部分学校均未安装净化新风系统。根据国家《中小学设计规范》[2]规定，中小学校“在各种有效通风设施选择中，应优先采用有组织的自然通风设施”，除化学，生物实验室外的其他教学用房及教学辅助用房“非严寒与非寒冷地区全年，严寒与寒冷地区除冬季外，应优先采用开启外窗的自然通风方式”。《托儿所、幼儿园建筑设计规范》[3]中规定，“托儿所、幼儿园的幼儿用房应有良好的自然通风”，建筑通风设计“应优先采用有组织自然通风设施”。根据国家和省、市教育技术装备相关标准[4-8]，中小学校，幼儿园设施设备及装备中均不含净化新风系统。学生一天中三分之一的时间在学校度过，而且学校里90%左右的时间是在教室内度过。学生长期的处于教室环境下，若是教室内空气受到污染，那么孩子们将长时间的暴露在污染的空气之下。学校教室内PM2.5等细小颗粒污染物侵害孩子们的身体健康，已经刻不容缓。

图1 上海市2014-2016年PM2.5、PM10日均值

1 三种型式新风机气流组织模拟

当前环境下，直接引用室外新风进入室内会存在PM2.5超标等问题，所以需要结合空气净化技术将室外新风进行预处理后再引入室内。目前新风机是兼备新风和净化功能的优良设备，消除了直接从室外引入新风和单独使用空气净化器带来的负面作用。

图2 三种型式新风机的安装位置

为了研究教室内安装不同类型的新风机对气流组织送风速度的影响，以某小学教室为研究对象，教室长宽高为：8.4 m×7 m×3.4 m。分别采用吊顶式，壁挂式和落地式新风机向教室提供新风：

1）如图2（a）所示，采用一台吊顶式新风机，风量为500 m3/h。吊顶式新风机布置5个送风口，1个回风口。风口距地面的高度为2.8 m。每个送风口送风量100 m3/h，送风风速为 3 m/s。

2）如图2（b）所示，采用一台落地式新风机，风量为500 m3/h。新风机安装于教室后方角落，有两个球形送风口。送风口距地面的高度为1.6 m。送风口送风量400 m3/h，送风风速为 2.8 m/s。

3）如图2（c）所示，采用两台壁挂式新风机，每台风量300 m3/h。壁挂式新风机挂于同一立面，采用两个壁挂机。送风口距地面的高度为2.5 m。

图3 吊顶式新风机在三个方向速度分布

通过计算流体力学软件FLUENT建立该新风系统的物理模型，采用数值迭代法对新风送风系统的速度进行数值模拟。控制方程分别为连续性方程，动量方程及湍流双方程。利用标准k-ε双方程模型及壁面函数法模拟新风机的气流组织。图3所示为三种不同安装型式新风机在三个方向速度分布。从整个教室分布来看，吊顶式因为采用了5个送风口，虽然速度较小，但是风速分布均匀性、作用空间大。落地式整个送风速度比顶送式大，速度分布则不如吊顶式均匀。壁挂式的速度分布不均匀，中间部分的风速较大，教室四个角落的速度较小。表1所示为教室内新风机三种不同安装方式的优缺点分析。

图4 落地式新风机在三个方向速度分布

图5 挂壁式新风机在三个方向速度分布

2 新风散流器与吊扇对人员呼吸区风速的影响

根据散流器射流公式[9]，人员呼吸区所达到的速度为：

式中：vx为射程x处的最大风速，m/s；Ls为散流器出口风量，m3/s；K为送风口常数，平盘式散流器取1.1；x为散流器射程，m；Fs为散流器的有效面积，m2。

吊扇在人员呼吸区所达到的速度为：

式中：vx为吊扇射程x处的最大风速，m/s；v为吊扇叶轮处的风速，m/s；L为吊扇叶轮出风量，m3/s；F为吊扇的有效面积，m2；a为吊扇的紊流系数，取0.08；x为吊扇射程，m；d为吊扇直径，m。

表2和表3分别所示为散流器和吊扇作用于人员呼吸区风速的计算参数。

表4所示为距地面0.80 m高度处的风速。吊扇的作用是将气流直冲向地面，吹散了上下冷热空气的层次，减少了能量消耗。其次，径向轴对称的地面气流可以沿径向吹送每个人所处的位置。调节气流速度，功率较大的吊扇能产生高效的冷却系统。低速情况下，气流只在每个人所处的位置循环。新风散流器送风速度虽然始终保持在使人舒适的范围内，但速度较低低，人们只有微弱的吹风感，因而在调节风速与改变人体表面温度方面，没有吊扇的效果好。

3 结束语

新风净化系统能够从室外引进新鲜空气，对其高效过滤之后送入室内，满足广大师生的呼吸及卫生要求。同时将室内污染空气排出到室外，在满足空调节能的基础上，还达到改善室内空气品质的目的，显著减少室内的二氧化碳、PM2.5、甲醛、TVOC、病菌等有害物的浓度。

1）不同型式的新风净化设备各具特点。在安装条件允许时，尽量选用吊顶式，但要注意设备的噪音控制。选择落地式，气流的组织效果略差，但是安装维护较为方便。壁挂式的气流组织效果最差，但不占用地面和顶部空间。

2）在改善人员体表温度和湿度、提高人体热舒适性方面，新风散流器的作用非常有限，主要原因是依据改善人体呼吸所需的最小新风量，其送风速度较小，只有微弱的吹风感，不如吊扇的作用明显。