采暖季高校教室污染物優化控制措施的模擬研究

崔文慧，由玉文，龔鵬鵬，郭春梅

（天津城建大學能源與安全工程學院，天津 300384）

國內外學者研究發現教學空間環境與學生學習效率、身體健康有很大關系，研究成果顯示國內外教室環境都存在一些室內空氣質量問題，如空氣中的揮發性有機物、霉菌、二氧化氮、二氧化碳、PM2.5含量過高等[1].采取合理高效的策略提高教室內空氣質量，控制室內污染物濃度及改善教室通風，對提高師生身心健康，提高學習工作效率十分重要[2].

大部分教室結構類似，室內人員密度很大[3]，新鮮空氣的來源主要依靠自然通風.在許多學校的研究報告中顯示，大多數教室處于CO2含量超標的狀態[4].針對不同的教室場所、室內人員的活動特點、學生的就座分布情況、不同空氣凈化方式下室內空氣質量仍需繼續進行研究.

CO2優化控制方法有通過干預室內通風、植物凈化及化學吸附三種方法. 如國內的張慧玲[5]，國外的Khaled[6]、Orhan Ekren[7]、Rosbach[8]等，通過改善教室學生入座情況、開啟并盡量增加窗戶的通風面積、增加窗戶的通風時間等使CO2降低很多，這種方式不確定因素較多.而最實用的就是設置新風系統來改善教室內CO2含量[9]，這種方式可直接對CO2聚集區進行送風稀釋，對室內CO2的控制效果明顯；同時可在教室內合理地放置植物盆栽[10]，通過植物的光合作用來降低室內CO2含量；還可采用人工堿性流水凈化教室空氣或者使用新型的裝飾裝修材料，如在教室墻面上涂刷吸附CO2的材料.

對室內PM2.5質量濃度進行合理控制的研究也相對較多，主要包括改變室內通風方式[11-12]、使用空氣凈化器[13-14]、安裝過濾器的風機盤管加新風系統[15]等方法，并在此基礎上研究不同送風方式[16]、不同風口位置（凈化器擺放位置）[17]、送風時間等方式對室內PM2.5質量濃度的控制效果.

總結發現，室外風壓及室內外壓差、開窗開啟位置及開窗面積、教室窗墻比等因素會共同對教室的通風效果產生影響. 如果只考慮改變上述某一因素的話，雖然也能降低室內污染物質的濃度，但效果可能并不理想.且當室外污染較嚴重時，直接開窗這種方法會使人員暴露在室外顆粒物的污染之下.同時，教室畢竟是學習的地方，過多放置植物會對學生上課產生影響，放置較少的話植物吸收的CO2量有限.故在充分考慮室外環境污染的情況下如何聯動控制室內CO2含量，以使教室在上課期間室內CO2含量不超標是本文重點要研究的方向.

因此，本文對中國北方采暖季大學建立模型，模擬了大學教室采用新風凈化系統和空氣凈化器系統加開窗通風兩種方式控制室內PM2.5和CO2的效果，尋求對這兩種空氣質量參數進行控制的優化方案.

1 模型的建立

本文模擬的對象是教學主樓的一間典型教室，教室尺寸為10.5 m×5.8 m×3.5 m，教室內人員位置根據座椅位置設定.根據2020 年國務院發布的《中國居民營養與慢性病狀況報告》顯示，在我國，18 歲以上的成年男子平均身高167.1 cm，女性為155.8 cm.因此本文人體模型取身高為161 cm，坐下后高度為1.2 m，人員以0.15 m×0.4 m×1.2 m 的立方體代替.窗戶、門窗等均按實際測量尺寸獲得，物理模型如圖1 所示.

圖1 物理模型示意圖

對門、窗通風系統送回風口以及凈化器送回風口，宜采用Pave 網格類型進行面網格的劃分，網格間距設置為0.05 m；針對人口劃分網格時，網格間距設置為0.01 m；對于教室與人體之間的區域，網格間距設置為0.1 m.

2 模擬優化控制方案的選取

本文在確定新風凈化系統及空氣凈化器加開窗通風基本參數的基礎上模擬兩種凈化方式對室內污染物的控制效果，對比研究兩種凈化方式在不同方面的優勢以分析不同室外污染等級下室內PM2.5和CO2的控制措施.

（1）在相同室外污染等級下對空氣凈化器系統加開窗通風控制方案進行模擬，確定是否通風以及通風的位置、空氣凈化器的位置.選用2017 年12 月28 日所測的數據作為背景進行凈化器系統的優化控制模擬，此時教室內人員數量為16 人.該時間內室外PM2.5濃度在0.108±0.003 mg/m3左右波動.此時通過控制PM2.5的質量濃度確定出凈化器系統的凈化風量為450 m3/h，開窗通風入口風速選定為0.3 m/s，折合換氣量每小時為4.8 次，新風換氣機系統根據控制CO2體積分數的原則選定風量為610 m3/h，邊界條件設置如表1 所示.

表1 邊界條件的設定

（2）對不同室外污染等級下兩種凈化系統對室內PM2.5和CO2的控制效果進行模擬.根據教學實際以教室被滿員占用（64 人）為背景模擬不同室外污染等級下兩種凈化系統的凈化效果.凈化器系統的凈化風量還是分別根據控制室內CO2和PM2.5來選擇，即凈化器的凈化風量為1 664 m3/h，開窗的風量為2 056 m3/h（開兩個窗），折合換氣量每小時為9.6次；新風換氣機系統的凈化風量為2 210 m3/h，折合換氣量每小時為10 次.表2 是室外污染物濃度等級劃分原則及在模擬過程中室內PM2.5初始質量濃度的取值情況.本文在確定凈化系統出風口PM2.5的質量流量時，根據教室建筑通風系統空氣凈化裝置凈化效率要求，選取了凈化效率為90%的凈化系統.

表2 污染等級劃分

針對新風凈化系統而言，可選擇上送上回的方式來對室內空氣質量進行控制.根據設計要求，每個送風口可照顧20～25 m2的室內面積，因此確定教室可布置兩個送風口.風口尺寸根據規格以及風速要求經過計算確定為：400 mm×400 mm.回風口尺寸為：320 mm×320 mm. 送風口布置在教室的中線位置上，中心點為（3.5，2.9，3.5）、（7.0，2.9，3.5）；回風口距教室內墻1.2 m，中心點位置為（3.5，1.2，3.5）、（7.0，1.2，3.5）. 這樣布置能盡可能均勻的將送風分布在污染物集中的區域內.

3 空氣凈化器加開窗通風優化控制方案

空氣凈化器對室內污染物凈化效果與空氣凈化器運行時是否通風以及通風的位置、空氣凈化器的位置有關.本文在分析控制效果時根據學生入座后的呼吸區高度選取室內相對高度z= 1.0 m、z= 1.2 m、z=1.4 m 的三個平面，時間分別為5，30，60，90 min 四個時間節點的PM2.5質量濃度及CO2體積分數變化進行模擬，根據模擬分析結果確定室內通風設置方式及空氣凈化器的位置設置方式.

3.1 通風的影響

空氣凈化器本身不具備提供新風能力，當教室在密閉狀態時的室內污染物分布特性能給學生提供是否需要通新風的參考.模擬教室在密閉工況下的室內污染物分布情況來衡量空氣凈化器對室內污染物控制時是否需要通新風，室內CO2的體積分數、PM2.5質量濃度在密閉教室內隨時間分布狀況如圖2 所示.

圖2 關窗工況下室內污染物分布狀況

由于空氣凈化器本身不具有凈化室內CO2體積分數的能力，所以當教室處于密閉狀態時CO2平均體積分數不斷上升，最高值出現在教室中心部位并達到2.3‰以上，具體可參考圖2a.當學生長期處于該環境時會出現頭暈，精神萎靡等狀況，嚴重影響學生的學習效率.圖2b 是對應的室內PM2.5的分布情況.

通過模擬結果可知當空氣凈化器在密閉工況下凈化室內污染物時，雖然對PM2.5質量濃度控制效果較好，但CO2體積分數嚴重超出國家標準規定值.顯然此時教室內污染物濃度控制是不成功的，空氣凈化器凈化室內污染物應配合開窗通風.

3.2 通風位置的影響

在確定空氣凈化器加開窗通風的基礎上，本文根據教室窗戶實際位置確定開啟中窗、開啟側窗以及中窗和側窗同時開啟的三種自然通風方式并結合空氣凈化器來模擬通風位置及通風量不同時的室內污染物分布特性.

3.2.1 空氣凈化器加開中窗時污染物控制效果

對空氣凈化器加開中窗通風情況下室內CO2體積分數、PM2.5質量濃度模擬結果如圖3 所示. 此時，室內CO2體積分數控制效果確實比關窗時低很多，雖然后期CO2體積分數由于人員的呼吸作用有所堆積，但教室整體CO2體積分數一直能控制在標準規定值以下.

圖3 空氣凈化器加開中窗時室內污染物實時變化

在教室兩側的PM2.5質量濃度很高，特別是在空氣凈化器所處區域的另一側PM2.5質量濃度達到240 μg/m3，超出標準規定值7 倍以上.室外空氣形成一道氣流墻使得空氣凈化器的凈化效果只能作用在所處的該側教室區域，其濃度變化情況可參考圖3b.

3.2.2 空氣凈化器加開側窗通風下污染物的控制效果

對空氣凈化器加開側窗通風情況下室內CO2體積分數、PM2.5質量濃度模擬結果如圖4 所示.開啟側窗通風時教室內CO2濃度在5 min 內控制在1‰以下.室外低CO2體積分數的氣體進入室內，將室內高濃度的氣體置換排出室外，室內CO2體積分數下降很明顯，在上課時間內最高濃度控制在0.8‰以內，具體如圖4a 所示.

圖4 空氣凈化器加開側窗時室內污染物濃度實時變化

相比于開中窗，開側窗通風對室內PM2.5質量濃度有更好的控制效果，即使是在室外為中度污染時也能將室內PM2.5質量濃度控制在標準規定值左右，凈化效果明顯，具體可參考圖4b.

3.2.3 凈化器加中窗和側窗同時開啟時污染物控制效果

對空氣凈化器加開啟中窗和側窗時的室內CO2體積分數、PM2.5質量濃度模擬結果如圖5 所示.對比圖3-5 可見，開啟中側和側窗的凈化方式在這三種方式中對室內CO2濃度控制效果最好，室外新鮮空氣從多個入口進入對凈化CO2體積分數效果較好. 圖5a中顯示室內CO2平均濃度在0.5‰左右.

圖5 空氣凈化器加中窗及側窗同時開啟時室內污染物濃度實時變化

但開窗越多對室內PM2.5質量濃度的控制就越困難，下圖5a 顯示在凈化前期教室部分區域內的PM2.5質量濃度出現較低的情況，但室外高污染氣體不斷進入室內使PM2.5質量濃度逐漸增高并逐漸均勻，空氣凈化器只能保證小范圍內的空氣的潔凈度，這種開窗方式對室內PM2.5質量濃度的控制效果很差.從圖5b 中也可以看出室內最高濃度有298 μg/m3，不同時刻下的室內平均濃度都超過100 μg/m3以上，所以窗戶開啟的越多并非越好.

從上述空氣凈化器加三種開窗通風方式的模擬效果對比得出以下結論.

（1）在三種不同的開窗方式下室內CO2體積分數都下降明顯，且一直保持在較低水平.雖后期濃度有所提升但整體濃度都能控制在標準規定值以下，說明室內CO2濃度的控制與教室窗戶的開啟位置并無很大相關性.

（2）窗戶的開啟位置及通風量對PM2.5質量濃度的控制有較大影響.通風量并不是越大越好，如圖5b 所示，窗及側窗同時開啟時室內CO2體積分數最高達到了0.298 mg/m3，不同時刻的室內平均質量濃度也都超過0.1 mg/m3.根據對比可發現開啟側窗對室內PM2.5質量濃度的控制效果是最好的，本文之后模擬的空氣凈化器對室內污染物的控制效果都是在開啟側窗的條件下進行.

3.3 空氣凈化器位置設置的影響

在確定通風位置及通風量的基礎上，本文根據教室實際情況選擇外墻靠窗的中間處（外墻中側）、內墻中間位置（內墻中側）以及講臺靠外墻角落（外墻旁側）作為凈化器的擺放位置來模擬凈化器加側窗通風方式的控制效果.

3.3.1 凈化器位于外墻中側

將空氣凈化器設置在外墻中側位置并開啟側窗通風，此時的室內CO2體積分數、PM2.5質量濃度模擬結果如圖6 所示.這時，雖然CO2體積分數在整體提升，但在一個上課周期內教室CO2平均體積分數還是能保持在較低的水平，只是在凈化后期教室角落位置有局部CO2超標現象，出現較小區域的凈化死角.

圖6 凈化器處于外墻中側時室內污染物濃度實時變化

從圖6b 中可以看出，此時室內的PM2.5質量濃度分布很高，波動劇烈.由于室外含高濃度顆粒物的氣體還未來得及凈化就進入室內，所以即使有空氣凈化器在不斷凈化，室內PM2.5質量濃度也沒有顯著降低.

空氣凈化器布置在外墻中側加開側窗通風對室內PM2.5質量濃度控制效果不理想，室內PM2.5平均質量濃度達到中度水平，該種空氣凈化器布置方式不可取.

3.3.2 凈化器位于內墻中側

空氣凈化器處于內墻中側并開側窗通風下的室內CO2體積分數、PM2.5質量濃度模擬結果如圖7 所示.通過開側窗通風的方式對室內CO2體積分數進行控制并沒有很明顯的效果，由于在教室中間存在空氣凈化器出風氣流，使得開窗另一側CO2體積分數分布相對較高.在凈化前期對開窗另一側室內PM2.5質量濃度控制效果非常明顯，室內局部區域內PM2.5質量濃度處于標準值左右，但是在開窗通風側室內PM2.5含量較高.室外含高濃度顆粒物進入室內，由于空氣凈化器距離室外進風較遠，室外顆粒物有足夠的時間充分污染室內空氣后才被空氣凈化器撲捉，具體見圖7b.

圖7 凈化器處于內墻中側加開側窗通風時室內污染物濃度實時變化

從上述的分析中得出空氣凈化器布置在內墻中側加側窗通風對室內PM2.5質量濃度控制效果一般，雖然室內平均濃度比室外低，但依然超過國家標準.

3.3.3 凈化器位于外墻旁側

空氣凈化器布置在外墻旁側并開啟側窗通風時室內CO2體積分數、PM2.5質量濃度模擬結果如圖8 所示.此時，教室內CO2體積分數控制很低，室外低CO2體積分數的氣體進入室內，室內CO2氣體下降非常明顯.室內氣流基本趨于穩定，此時由于教室中部人員密度較大，在凈化后期教室中間部位CO2體積分數有所堆積，但并不會超過規定的1‰.具體如圖8a 所示.

圖8 空氣凈化器處于外墻旁側加開側窗通風下污染物分布特性

相比于前兩種空氣凈化器的布置方式，開啟側窗將空氣凈化器布置在外墻旁側能對進入室內的PM2.5進行預處理，然后將處理后的潔凈空氣送入室內，這種空氣凈化器布置方式能有效的將室內環境與室外大氣環境隔開，室內PM2.5質量濃度有更好的控制效果.圖8b 數據顯示，即使室外PM2.5質量濃度達到了110 μg/m3，室內PM2.5質量濃度依然能控制在標準規定值左右.

對比圖6 至圖8 發現，在其他條件相同且空氣凈化器處于外墻旁側時室內PM2.5質量濃度控制的效果最好，且室內CO2體積分數也很低，室內能形成良好的流速場，污染物凈化效果明顯.

4 室外不同污染等級時室內污染物控制對比

在不同室外污染等級時，對新風凈化系統和空氣凈化器加開窗通風兩種優化控制方式下的室內PM2.5質量濃度、CO2體積分數進行模擬.由上文可知采用空氣凈化器對室內污染物的凈化效果進行模擬時，通風方式采用開側窗通風，空氣凈化器布置在外墻旁側位置.

4.1 PM2.5 質量濃度的控制對比

室內PM2.5質量濃度模擬結果如圖9 所示.從圖9可知，隨著室外污染逐漸加重，空氣凈化器對室內PM2.5濃度的控制逐漸顯得乏力.如9a，9c 及9e 所示，當室外環境處于輕度污染時，室內PM2.5質量濃度達到超標臨界值；當達到中度以上污染時室內PM2.5質量濃度基本處于超標狀態；而新風凈化系統能在30 min 內將PM2.5質量濃度控制在0.035 mg/m3以下，且不隨室外污染增加而增加，如9b，9d 及9f 所示.

圖9 不同室外污染等級時兩種凈化方式對PM2.5 的控制情況

根據上述的對比發現，當室外污染等級為輕度污染以下時，從經濟性及便捷性考慮室內可以使用空氣凈化器控制PM2.5質量濃度.但當室外污染等級達到中度及以上時，單純的使用空氣凈化器已不能滿足凈化的要求，為保證室內的空氣潔凈度，此時必須使用新風凈化系統來控制室內PM2.5的質量濃度.

4.2 CO2 體積分數的控制對比

根據學校氣象觀測站連續監測的大氣中CO2體積分數分布情況可知，室外大氣污染等級的增加并不會導致CO2體積分數的劇烈變化，短期內大氣中CO2體積分數分布較穩定，所以在模擬時不同室外污染等級下的大氣CO2含量為同一個定值，即0.4‰.由于模擬過程中一直以教室被滿員占用為背景，室內人員始終沒有發生變化，所以新風凈化系統和空氣凈化器加側窗通風控制下的室內CO2體積分數并不會因為室外污染等級的增加而發生較明顯變化. 圖10 為室外不同污染等級時室內CO2體積分數控制情況.

圖10 室外不同污染等級時室內CO2 體積分數控制

雖然室內CO2體積分數初始值相同，但是兩種凈化方式下的CO2體積分數卻呈現相反的變化情況.

空氣凈化器由于開窗通風的緣故使室內CO2濃度在凈化初期下降顯著，但是由于人員密度較大，雖然有通風但室內CO2體積分數還是存在堆積現象，且30 min后基本處于CO2超標狀態，但超標并不高.

新風凈化系統下初期室內CO2體積分數一度上升到3 3‰左右，但凈化30 min 后下降至標準值附近，凈化60 min 后，室內CO2體積分數符合國家標準且此時學生呼出的CO2與凈化速度達到動態平衡.綜合對比來看，新風凈化系統對室內的污染物控制效果要優于空氣凈化器.

5 結 論

本文運用CFD 軟件對室外不同污染等級時的室內PM2.5、CO2進行優化控制研究，分析空氣凈化器加開窗通風、新風凈化系統對室內污染物的控制效果.

（1）確定了室內污染物控制的數學模型，并確定了空氣凈化器加開窗通風方式的優化設置以及不同室外污染等級下兩種凈化方式控制室內污染物效果模擬的相關邊界條件.

（2）通過模擬空氣凈化器加開窗通風方式在不同通風位置、通風量、凈化器位置等因素影響下的室內污染物分布，得出采用開窗加凈化器方式對室內污染物的控制效果較好，且空氣凈化器應設置在進風上游旁側處.

（3）模擬了教室在滿員占用下室外處于不同污染等級時兩種凈化方式對室內PM2.5質量濃度、CO2體積分數的控制效果，得出當室外污染等級優于輕度污染時開啟空氣凈化器并配合開窗通風能夠滿足室內PM2.5質量濃度、CO2體積分數的控制要求.當室外污染等級高于輕度污染，由于建筑圍護結構的遮擋作用使得新風凈化系統對室內污染物的控制效果明顯優于空氣凈化器加開窗通風方式，該系統能在30 min 內將室內PM2.5質量濃度和CO2體積分數控制在污染濃度限值以下.