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通风窗送风量与气流组织形式对教室内空气污染物净化效率的影响研究

  • 作者:
  • 中国暖通空调网
  • 发布时间:
  • 2019-09-16

天津市制冷技术重点实验室 天津商业大学      金梧凤   毕晨   刘新明

摘   要:近年来我国的空气污染问题越来越引起人们的重视,考虑到青少年儿童健康成长的要求,学校教室的空气质量尤为重要。通风窗可以很好地提高住宅房间中的室内品质,但对于能否满足教室的需求还需要进一步的研究。本文根据我国对中小学教室建筑规范和中小学教室空气质量要求的规定,通过实验方法研究通风窗送风量与气流组织形式对教室内空气污染物净化效率的影响,为通风窗在教室的应用提供理论参考。实验结果表明,开启通风窗能够有效降低室内PM2.5浓度,且风速越大,室内各测点的PM2.5浓度越低,但是不足够满足CO2浓度的要求,且送风风速对于CO2浓度的影响较小,较高送风速度仅能够略微延迟CO2浓度超出标准值的时间,通风窗在教 室的应用情况下应对CO2的净化要求做进一步的改进。气流组织方面合理的送排风组合能够有效的降低室内污染物浓度有排风的方案能够使室内PM2.5浓度下降速率提高约30%,室内CO2浓度上升速率降低47.83%。

关键词:通风窗;送风量;气流组织形式;PM2.5;CO2

       0   引言

       自2013年以来,中国北部和东部地区频发雾霾天气空气中PM2.5颗粒物浓度严重超标,雾霾天气严重危害到了人们的生活环境和身体健康。其中中小学生的健康问题更是重中之重。学校是学生们的主要活动场所之一,由于人员密集,室内CO2浓度较高,如Zs[1]对英格兰小学教室空气质量的监测,CO2浓度可达5000ppm,远远超出限值浓度1500ppm,需要补充新风稀释降低其浓度,陈威威对北方地区高校教室内空气品质的研究表明,当教室处于上课状态时,面积为135m2、105m2、60m2的教室内CO2的平均浓度均高于国家标准(1500ppm),分别是国家标准的3.65倍、3.01倍、2.92倍,产生这种状况的主要原因是室内人员密度过高,通风不畅造成CO2浓度严重超标[2]。目前我国中小学校教室的通风大多为开门窗自然通风,在雾霾日趋严重的今天,自然通风在降低CO2浓度的同时,大量的大气污染物也会被送入室内,不能满足教室空气质量的要求。

       通风窗是在窗户的基础上加入机械或者自然通风,如通过安装在窗框里的风机提供送排风的动力实现室内外空气交换并净化新风[3-4]。国内很多学者对通风窗对室内空气品质的影响进行了研究:魏景姝以CO2浓度为评价指标,采用模拟软件CONTAM研究了哈尔滨某住宅自然渗风和双气流通风窗对室内空气品质的改善效果。研究表明,自然渗风无法满足室内空气品质的需求,通风窗能够提供稳定的通风量,可有效改善室内空气品质[5]。申健平对双向通风窗这一产品的运行模式和产品系列化等后续工作进行了研究。以室内CO2浓度为参考,实验测试了单独送风模式、双向通风模式、单独排风模式对室内空气品质的改善效果。研究表明三种通风模式均能有效降低室内CO2浓度,其中单独送风模式效果最好[6]等等。

       虽然目前对于通风窗的已经有了较为完备的研究,但是对于通风窗的实际应用方面的研究还有些不足。本文立足于中小学教室对于空气品质的要求,实验研究了通风窗的不同送风速度与气流组织对室内空气品质的改善效果,为通风窗在中小学教室的应用建立理论基础。

       1   实验平台

       1.1   实验室

       本实验在建筑节能综合实验台上进行,室外环境模拟室的具体尺寸为3.61m×2.0m×2.4m(L×W×H),测试房间的尺寸为3.61m×3.12m×2.4m(L×W×H),如图1。

图1   实验室结构示意图

       本实验台测试房间和室外环境模拟室的温度和污染浓度均可控。测试房间用来模拟真实的教室环境。室内初始温度控制在18℃,室外温度控制在-11℃。测试房间四面墙体、地板及屋顶均采取保温措施,测试房间门为保温密封门。

       1.2   通风窗的选取

       本研究中的通风窗为某公司所研发的新型通风窗,其最大风量可达70m3/s,但受噪音及风机等因素的限值,其风量仍有欠缺,通风窗参数如表1,尺寸为150mm×150mm×900mm,由于其安装是在原有窗的基础上截去一部分玻璃,将通风器安装进去,主要由上窗框承担重量,窗玻璃基本不承重。该通风窗占用部分窗玻璃,且破坏了窗玻璃密闭性,但由于本身面积相对较小,安装后可再次密封,因此不影响采光要求,窗玻间仍可以充斥惰性气体以降低外窗能耗。工作原理如图2。

图2   通风窗工作原理图

表1   通风窗性能参数

       1.3   试验方法及仪器

       根据国家GBJ99–86《中小学建筑设计规范》和GB 50099–2011《中小学校设计规范》的规定,以及周攀攀[7]对学校课桌椅的设计研究,设计本实验台及模拟相关参数,测试房间面积为11.4m2,因此人员设定为9人,作为CO2释放量。
根据团体标准《新风净化系统施工质量验收规范》(T/CAQI 25–2017)、《中小学教室空气质量测试方法》(T/CAQI 26–2017)、《中小学教室空气质量规范》(T/CAQI 27–2017)规范规定,小于60m2的教室设一个点,大于60m2的教室设两个点。测点及采样点均匀布置在教室中线或对角线上。同一个测试项目的多个测点或采样点应同时测量,因此本实验浓度测点选取图3中1、6测点,分别为距离通风窗最近的区域和最远的区域。

图3   温度及浓度监测点布置图

       CO2的测试利用CO2释放系统(如图4)向室内释放定量的浓度,小学生每人每小时可呼出12升CO2,控制流量计释放CO2流量为2L/min。测试利用TELAIRE二氧化碳检测仪,温湿度使用HOBO温湿度记录仪(如图5)。室内初始CO2浓度根据金艳伶等[8]对小学教室24小时测试的最小值而定,约0.05%,即500ppm。
PM2.5的测试利用香烟燃烧来控制室外PM2.5浓度维持在300µg/m3,室内只控制其初始浓度与室外浓度相当的浓度,使用Dust Trak 8530气溶胶检测仪(如图7)。

图4   CO2释放系统 图5   CO2浓度及温湿度探测器

 

图6   空气质量检测仪 图7   气溶胶分析仪

       温度的测试使用数据采集器采集。具体实验仪器如表2。

表2   实验仪器明细表

       2   实验内容

       根据团体标准《新风净化系统施工质量验收规范》(T/CAQI 25–2017)、《中小学教室空气质量测试方法》(T/CAQI 26–2017)、《中小学教室空气质量规范》(T/CAQI 27–2017)规范规定,中小学教室空气质量的测试,应在空调采暖系统正常运行、门窗关闭、室内正常教学,相关通风系统正常开启1h后进行。教室内二氧化碳(CO2)、可吸入颗粒物(PM2.5)、臭氧(O3)浓度的测定,应在有人工况下进行。至少连续测试1个小时,包含1节完整课时45min、课间10min和后节课时5min。有人工况测试时,上课期间,门、窗关闭,下课时,门可以随意开启,不得开窗,因此本文总实验测试时间定为60min。具体工况如表3所示。

表3   通风窗测试工况

       3    实验结果分析

       3.1   不同送风速度

       图8是室外浓度300µg/m3,室内初始浓度384µg/m3,送风角度90°时,不开、低档、高档工况下,室内测点1和6的PM2.5随时间的变化情况,测试时间60min。

(a)测点1 (b)测点6

图8   不同送风速度下室内PM2.5浓度随时间变化图

       图9是室内初始浓度500ppm时,不开、低档、高档工况下,室内CO2随时间的变化情况,测试时间60min。

图9   不同送风速度下室内CO2平均浓度随时间变化图

       表4是不开、低档、高档及低档加排风工况下,浓度下降速率表。

表4   不同送风速度和气流组织条件下60min内浓度下降速率

       由图8、9及表4可以看出,开启通风窗能够有效降低室内PM2.5浓度和CO2浓度,且风速越大,室内各测点的PM2.5浓度越低,尤其是对距离风口较远点的影响更为明显,60min时,对于测点1高档相对于低档浓度下降速率提高1.63%,而对于测点1高档相对于低档浓度下降速率提高9.68%。而送风风速对于CO2浓度的影响较小,较高送风速度仅能够略微延迟CO2浓度超出标准值的时间。

       3.2   不同气流组织方式

       图10是室外浓度300µg/m3,室内初始浓度384µg/m3时,仅低档送风和抵挡加排风工况下,室内测点1和6的PM2.5随时间的变化情况,测试时间60min。

(a)测点1 (b)测点6

图10   不同气流组织下室内PM2.5浓度随时间变化图

       图11是室内初始浓度500ppm时,仅低档送风和抵挡加排风工况下,室内CO2随时间的变化情况,测试时间60min。

图11   不同气流组织下室内CO2平均浓度随时间变化图

       根据图10和11可以看出,合理的送排风组合能够有效的降低室内污染物浓度,且降低效果明显。根据表4可以看出,60min时对于测点1和测点6加排风方案能够使室内PM2.5浓度下降速率分别提高27.44%和31.61%,室内CO2浓度上升速率降低47.83% ,超出限值浓度的时间延长60%,由此可以看出适当的气流组织能够非常有效的控制室内污染物浓度。

       4   结论

       本文通过实验的方法对通风窗的不同送风量与气流组织形式对教室内空气污染物净化效率的影响,得到了以下结论:

     (1)开启通风窗能够有效降低室内PM2.5浓度,且风速越大,室内各测点的PM2.5浓度越低,尤其是对距离风口较远点的影响更为明显。

     (2)送风风速对于CO2浓度的影响较小,在现有的通风窗设备中,较高送风速度仅能够略微延迟CO2浓度超出标准值的时间,并不能够达到教室CO2的浓度要求,为了满足在教室的实际应用还需要结合教室的CO2浓度的要求做进一步改进。

     (3)合理的送排风组合能够有效的降低室内污染物浓度,且降低效果明显,室内PM2.5浓度下降速率提高约30%,室内CO2浓度上升速率降低47.83%,近乎可以维持室内CO2浓度不再上升,合理的送排风组合比只是增加送风量对室内CO2的净化效果更好。

参考文献

       [1] Zs. Bakó-Biró, D.J. Clements-Croomea, N. Kochhar, H.B. Awbi, M.J. Williams. Ventilation rates in schools and pupils’ performance. Building and Environment, 2012, 48:215–223.

       [2] 陈威威.北方地区高校教室内空气品质研究.哈尔滨工程大学,2007.

       [3] P D. R. and Klimaatgevel M.. The chameleon skin (in Dutch). Proceedings of Facade en Klimaat[M]. Delft, 1998:6.1–6.12.

       [4] Liddament M.W.A guide to energy efficient ventilation Warwick. Air Infiltration and Ventilation Centre. 1996.

       [5] 魏景姝, 赵加宁, 陈清焰. 双向通风窗对室内空气品质的改善[J]. 建筑科学, 2011, 27(2):107–110.

       [6] 周怀改. 通风对建筑物室内污染物浓度分布的影响[D].重庆大学.2007.

       [7] 申健平. 双向通风窗的产品系列化及运行模式的实验研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2010.

       [8] 周攀攀.小学课桌椅设计研究综述[J].艺术与设计(理论),2016,2(10):119–121.

       [9] 金艳伶,郑雪倩,贾予平, 等.北京市城区两所学校教室内二氧化碳浓度检测结果分析[J].中国卫生法制,2015,2(6):62–67.

备注:本文收录于《建筑环境与能源》2019年8月刊总第24期。
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