采暖季高校教室污染物优化控制措施的模拟研究

崔文慧，由玉文，龚鹏鹏，郭春梅

（天津城建大学能源与安全工程学院，天津 300384）

国内外学者研究发现教学空间环境与学生学习效率、身体健康有很大关系，研究成果显示国内外教室环境都存在一些室内空气质量问题，如空气中的挥发性有机物、霉菌、二氧化氮、二氧化碳、PM2.5含量过高等[1].采取合理高效的策略提高教室内空气质量，控制室内污染物浓度及改善教室通风，对提高师生身心健康，提高学习工作效率十分重要[2].

大部分教室结构类似，室内人员密度很大[3]，新鲜空气的来源主要依靠自然通风.在许多学校的研究报告中显示，大多数教室处于CO2含量超标的状态[4].针对不同的教室场所、室内人员的活动特点、学生的就座分布情况、不同空气净化方式下室内空气质量仍需继续进行研究.

CO2优化控制方法有通过干预室内通风、植物净化及化学吸附三种方法. 如国内的张慧玲[5]，国外的Khaled[6]、Orhan Ekren[7]、Rosbach[8]等，通过改善教室学生入座情况、开启并尽量增加窗户的通风面积、增加窗户的通风时间等使CO2降低很多，这种方式不确定因素较多.而最实用的就是设置新风系统来改善教室内CO2含量[9]，这种方式可直接对CO2聚集区进行送风稀释，对室内CO2的控制效果明显；同时可在教室内合理地放置植物盆栽[10]，通过植物的光合作用来降低室内CO2含量；还可采用人工碱性流水净化教室空气或者使用新型的装饰装修材料，如在教室墙面上涂刷吸附CO2的材料.

对室内PM2.5质量浓度进行合理控制的研究也相对较多，主要包括改变室内通风方式[11-12]、使用空气净化器[13-14]、安装过滤器的风机盘管加新风系统[15]等方法，并在此基础上研究不同送风方式[16]、不同风口位置（净化器摆放位置）[17]、送风时间等方式对室内PM2.5质量浓度的控制效果.

总结发现，室外风压及室内外压差、开窗开启位置及开窗面积、教室窗墙比等因素会共同对教室的通风效果产生影响. 如果只考虑改变上述某一因素的话，虽然也能降低室内污染物质的浓度，但效果可能并不理想.且当室外污染较严重时，直接开窗这种方法会使人员暴露在室外颗粒物的污染之下.同时，教室毕竟是学习的地方，过多放置植物会对学生上课产生影响，放置较少的话植物吸收的CO2量有限.故在充分考虑室外环境污染的情况下如何联动控制室内CO2含量，以使教室在上课期间室内CO2含量不超标是本文重点要研究的方向.

因此，本文对中国北方采暖季大学建立模型，模拟了大学教室采用新风净化系统和空气净化器系统加开窗通风两种方式控制室内PM2.5和CO2的效果，寻求对这两种空气质量参数进行控制的优化方案.

1 模型的建立

本文模拟的对象是教学主楼的一间典型教室，教室尺寸为10.5 m×5.8 m×3.5 m，教室内人员位置根据座椅位置设定.根据2020 年国务院发布的《中国居民营养与慢性病状况报告》显示，在我国，18 岁以上的成年男子平均身高167.1 cm，女性为155.8 cm.因此本文人体模型取身高为161 cm，坐下后高度为1.2 m，人员以0.15 m×0.4 m×1.2 m 的立方体代替.窗户、门窗等均按实际测量尺寸获得，物理模型如图1 所示.

图1 物理模型示意图

对门、窗通风系统送回风口以及净化器送回风口，宜采用Pave 网格类型进行面网格的划分，网格间距设置为0.05 m；针对人口划分网格时，网格间距设置为0.01 m；对于教室与人体之间的区域，网格间距设置为0.1 m.

2 模拟优化控制方案的选取

本文在确定新风净化系统及空气净化器加开窗通风基本参数的基础上模拟两种净化方式对室内污染物的控制效果，对比研究两种净化方式在不同方面的优势以分析不同室外污染等级下室内PM2.5和CO2的控制措施.

（1）在相同室外污染等级下对空气净化器系统加开窗通风控制方案进行模拟，确定是否通风以及通风的位置、空气净化器的位置.选用2017 年12 月28 日所测的数据作为背景进行净化器系统的优化控制模拟，此时教室内人员数量为16 人.该时间内室外PM2.5浓度在0.108±0.003 mg/m3左右波动.此时通过控制PM2.5的质量浓度确定出净化器系统的净化风量为450 m3/h，开窗通风入口风速选定为0.3 m/s，折合换气量每小时为4.8 次，新风换气机系统根据控制CO2体积分数的原则选定风量为610 m3/h，边界条件设置如表1 所示.

表1 边界条件的设定

（2）对不同室外污染等级下两种净化系统对室内PM2.5和CO2的控制效果进行模拟.根据教学实际以教室被满员占用（64 人）为背景模拟不同室外污染等级下两种净化系统的净化效果.净化器系统的净化风量还是分别根据控制室内CO2和PM2.5来选择，即净化器的净化风量为1 664 m3/h，开窗的风量为2 056 m3/h（开两个窗），折合换气量每小时为9.6次；新风换气机系统的净化风量为2 210 m3/h，折合换气量每小时为10 次.表2 是室外污染物浓度等级划分原则及在模拟过程中室内PM2.5初始质量浓度的取值情况.本文在确定净化系统出风口PM2.5的质量流量时，根据教室建筑通风系统空气净化装置净化效率要求，选取了净化效率为90%的净化系统.

表2 污染等级划分

针对新风净化系统而言，可选择上送上回的方式来对室内空气质量进行控制.根据设计要求，每个送风口可照顾20～25 m2的室内面积，因此确定教室可布置两个送风口.风口尺寸根据规格以及风速要求经过计算确定为：400 mm×400 mm.回风口尺寸为：320 mm×320 mm. 送风口布置在教室的中线位置上，中心点为（3.5，2.9，3.5）、（7.0，2.9，3.5）；回风口距教室内墙1.2 m，中心点位置为（3.5，1.2，3.5）、（7.0，1.2，3.5）. 这样布置能尽可能均匀的将送风分布在污染物集中的区域内.

3 空气净化器加开窗通风优化控制方案

空气净化器对室内污染物净化效果与空气净化器运行时是否通风以及通风的位置、空气净化器的位置有关.本文在分析控制效果时根据学生入座后的呼吸区高度选取室内相对高度z= 1.0 m、z= 1.2 m、z=1.4 m 的三个平面，时间分别为5，30，60，90 min 四个时间节点的PM2.5质量浓度及CO2体积分数变化进行模拟，根据模拟分析结果确定室内通风设置方式及空气净化器的位置设置方式.

3.1 通风的影响

空气净化器本身不具备提供新风能力，当教室在密闭状态时的室内污染物分布特性能给学生提供是否需要通新风的参考.模拟教室在密闭工况下的室内污染物分布情况来衡量空气净化器对室内污染物控制时是否需要通新风，室内CO2的体积分数、PM2.5质量浓度在密闭教室内随时间分布状况如图2 所示.

图2 关窗工况下室内污染物分布状况

由于空气净化器本身不具有净化室内CO2体积分数的能力，所以当教室处于密闭状态时CO2平均体积分数不断上升，最高值出现在教室中心部位并达到2.3‰以上，具体可参考图2a.当学生长期处于该环境时会出现头晕，精神萎靡等状况，严重影响学生的学习效率.图2b 是对应的室内PM2.5的分布情况.

通过模拟结果可知当空气净化器在密闭工况下净化室内污染物时，虽然对PM2.5质量浓度控制效果较好，但CO2体积分数严重超出国家标准规定值.显然此时教室内污染物浓度控制是不成功的，空气净化器净化室内污染物应配合开窗通风.

3.2 通风位置的影响

在确定空气净化器加开窗通风的基础上，本文根据教室窗户实际位置确定开启中窗、开启侧窗以及中窗和侧窗同时开启的三种自然通风方式并结合空气净化器来模拟通风位置及通风量不同时的室内污染物分布特性.

3.2.1 空气净化器加开中窗时污染物控制效果

对空气净化器加开中窗通风情况下室内CO2体积分数、PM2.5质量浓度模拟结果如图3 所示. 此时，室内CO2体积分数控制效果确实比关窗时低很多，虽然后期CO2体积分数由于人员的呼吸作用有所堆积，但教室整体CO2体积分数一直能控制在标准规定值以下.

图3 空气净化器加开中窗时室内污染物实时变化

在教室两侧的PM2.5质量浓度很高，特别是在空气净化器所处区域的另一侧PM2.5质量浓度达到240 μg/m3，超出标准规定值7 倍以上.室外空气形成一道气流墙使得空气净化器的净化效果只能作用在所处的该侧教室区域，其浓度变化情况可参考图3b.

3.2.2 空气净化器加开侧窗通风下污染物的控制效果

对空气净化器加开侧窗通风情况下室内CO2体积分数、PM2.5质量浓度模拟结果如图4 所示.开启侧窗通风时教室内CO2浓度在5 min 内控制在1‰以下.室外低CO2体积分数的气体进入室内，将室内高浓度的气体置换排出室外，室内CO2体积分数下降很明显，在上课时间内最高浓度控制在0.8‰以内，具体如图4a 所示.

图4 空气净化器加开侧窗时室内污染物浓度实时变化

相比于开中窗，开侧窗通风对室内PM2.5质量浓度有更好的控制效果，即使是在室外为中度污染时也能将室内PM2.5质量浓度控制在标准规定值左右，净化效果明显，具体可参考图4b.

3.2.3 净化器加中窗和侧窗同时开启时污染物控制效果

对空气净化器加开启中窗和侧窗时的室内CO2体积分数、PM2.5质量浓度模拟结果如图5 所示.对比图3-5 可见，开启中侧和侧窗的净化方式在这三种方式中对室内CO2浓度控制效果最好，室外新鲜空气从多个入口进入对净化CO2体积分数效果较好. 图5a中显示室内CO2平均浓度在0.5‰左右.

图5 空气净化器加中窗及侧窗同时开启时室内污染物浓度实时变化

但开窗越多对室内PM2.5质量浓度的控制就越困难，下图5a 显示在净化前期教室部分区域内的PM2.5质量浓度出现较低的情况，但室外高污染气体不断进入室内使PM2.5质量浓度逐渐增高并逐渐均匀，空气净化器只能保证小范围内的空气的洁净度，这种开窗方式对室内PM2.5质量浓度的控制效果很差.从图5b 中也可以看出室内最高浓度有298 μg/m3，不同时刻下的室内平均浓度都超过100 μg/m3以上，所以窗户开启的越多并非越好.

从上述空气净化器加三种开窗通风方式的模拟效果对比得出以下结论.

（1）在三种不同的开窗方式下室内CO2体积分数都下降明显，且一直保持在较低水平.虽后期浓度有所提升但整体浓度都能控制在标准规定值以下，说明室内CO2浓度的控制与教室窗户的开启位置并无很大相关性.

（2）窗户的开启位置及通风量对PM2.5质量浓度的控制有较大影响.通风量并不是越大越好，如图5b 所示，窗及侧窗同时开启时室内CO2体积分数最高达到了0.298 mg/m3，不同时刻的室内平均质量浓度也都超过0.1 mg/m3.根据对比可发现开启侧窗对室内PM2.5质量浓度的控制效果是最好的，本文之后模拟的空气净化器对室内污染物的控制效果都是在开启侧窗的条件下进行.

3.3 空气净化器位置设置的影响

在确定通风位置及通风量的基础上，本文根据教室实际情况选择外墙靠窗的中间处（外墙中侧）、内墙中间位置（内墙中侧）以及讲台靠外墙角落（外墙旁侧）作为净化器的摆放位置来模拟净化器加侧窗通风方式的控制效果.

3.3.1 净化器位于外墙中侧

将空气净化器设置在外墙中侧位置并开启侧窗通风，此时的室内CO2体积分数、PM2.5质量浓度模拟结果如图6 所示.这时，虽然CO2体积分数在整体提升，但在一个上课周期内教室CO2平均体积分数还是能保持在较低的水平，只是在净化后期教室角落位置有局部CO2超标现象，出现较小区域的净化死角.

图6 净化器处于外墙中侧时室内污染物浓度实时变化

从图6b 中可以看出，此时室内的PM2.5质量浓度分布很高，波动剧烈.由于室外含高浓度颗粒物的气体还未来得及净化就进入室内，所以即使有空气净化器在不断净化，室内PM2.5质量浓度也没有显著降低.

空气净化器布置在外墙中侧加开侧窗通风对室内PM2.5质量浓度控制效果不理想，室内PM2.5平均质量浓度达到中度水平，该种空气净化器布置方式不可取.

3.3.2 净化器位于内墙中侧

空气净化器处于内墙中侧并开侧窗通风下的室内CO2体积分数、PM2.5质量浓度模拟结果如图7 所示.通过开侧窗通风的方式对室内CO2体积分数进行控制并没有很明显的效果，由于在教室中间存在空气净化器出风气流，使得开窗另一侧CO2体积分数分布相对较高.在净化前期对开窗另一侧室内PM2.5质量浓度控制效果非常明显，室内局部区域内PM2.5质量浓度处于标准值左右，但是在开窗通风侧室内PM2.5含量较高.室外含高浓度颗粒物进入室内，由于空气净化器距离室外进风较远，室外颗粒物有足够的时间充分污染室内空气后才被空气净化器扑捉，具体见图7b.

图7 净化器处于内墙中侧加开侧窗通风时室内污染物浓度实时变化

从上述的分析中得出空气净化器布置在内墙中侧加侧窗通风对室内PM2.5质量浓度控制效果一般，虽然室内平均浓度比室外低，但依然超过国家标准.

3.3.3 净化器位于外墙旁侧

空气净化器布置在外墙旁侧并开启侧窗通风时室内CO2体积分数、PM2.5质量浓度模拟结果如图8 所示.此时，教室内CO2体积分数控制很低，室外低CO2体积分数的气体进入室内，室内CO2气体下降非常明显.室内气流基本趋于稳定，此时由于教室中部人员密度较大，在净化后期教室中间部位CO2体积分数有所堆积，但并不会超过规定的1‰.具体如图8a 所示.

图8 空气净化器处于外墙旁侧加开侧窗通风下污染物分布特性

相比于前两种空气净化器的布置方式，开启侧窗将空气净化器布置在外墙旁侧能对进入室内的PM2.5进行预处理，然后将处理后的洁净空气送入室内，这种空气净化器布置方式能有效的将室内环境与室外大气环境隔开，室内PM2.5质量浓度有更好的控制效果.图8b 数据显示，即使室外PM2.5质量浓度达到了110 μg/m3，室内PM2.5质量浓度依然能控制在标准规定值左右.

对比图6 至图8 发现，在其他条件相同且空气净化器处于外墙旁侧时室内PM2.5质量浓度控制的效果最好，且室内CO2体积分数也很低，室内能形成良好的流速场，污染物净化效果明显.

4 室外不同污染等级时室内污染物控制对比

在不同室外污染等级时，对新风净化系统和空气净化器加开窗通风两种优化控制方式下的室内PM2.5质量浓度、CO2体积分数进行模拟.由上文可知采用空气净化器对室内污染物的净化效果进行模拟时，通风方式采用开侧窗通风，空气净化器布置在外墙旁侧位置.

4.1 PM2.5 质量浓度的控制对比

室内PM2.5质量浓度模拟结果如图9 所示.从图9可知，随着室外污染逐渐加重，空气净化器对室内PM2.5浓度的控制逐渐显得乏力.如9a，9c 及9e 所示，当室外环境处于轻度污染时，室内PM2.5质量浓度达到超标临界值；当达到中度以上污染时室内PM2.5质量浓度基本处于超标状态；而新风净化系统能在30 min 内将PM2.5质量浓度控制在0.035 mg/m3以下，且不随室外污染增加而增加，如9b，9d 及9f 所示.

图9 不同室外污染等级时两种净化方式对PM2.5 的控制情况

根据上述的对比发现，当室外污染等级为轻度污染以下时，从经济性及便捷性考虑室内可以使用空气净化器控制PM2.5质量浓度.但当室外污染等级达到中度及以上时，单纯的使用空气净化器已不能满足净化的要求，为保证室内的空气洁净度，此时必须使用新风净化系统来控制室内PM2.5的质量浓度.

4.2 CO2 体积分数的控制对比

根据学校气象观测站连续监测的大气中CO2体积分数分布情况可知，室外大气污染等级的增加并不会导致CO2体积分数的剧烈变化，短期内大气中CO2体积分数分布较稳定，所以在模拟时不同室外污染等级下的大气CO2含量为同一个定值，即0.4‰.由于模拟过程中一直以教室被满员占用为背景，室内人员始终没有发生变化，所以新风净化系统和空气净化器加侧窗通风控制下的室内CO2体积分数并不会因为室外污染等级的增加而发生较明显变化. 图10 为室外不同污染等级时室内CO2体积分数控制情况.

图10 室外不同污染等级时室内CO2 体积分数控制

虽然室内CO2体积分数初始值相同，但是两种净化方式下的CO2体积分数却呈现相反的变化情况.

空气净化器由于开窗通风的缘故使室内CO2浓度在净化初期下降显著，但是由于人员密度较大，虽然有通风但室内CO2体积分数还是存在堆积现象，且30 min后基本处于CO2超标状态，但超标并不高.

新风净化系统下初期室内CO2体积分数一度上升到3 3‰左右，但净化30 min 后下降至标准值附近，净化60 min 后，室内CO2体积分数符合国家标准且此时学生呼出的CO2与净化速度达到动态平衡.综合对比来看，新风净化系统对室内的污染物控制效果要优于空气净化器.

5 结 论

本文运用CFD 软件对室外不同污染等级时的室内PM2.5、CO2进行优化控制研究，分析空气净化器加开窗通风、新风净化系统对室内污染物的控制效果.

（1）确定了室内污染物控制的数学模型，并确定了空气净化器加开窗通风方式的优化设置以及不同室外污染等级下两种净化方式控制室内污染物效果模拟的相关边界条件.

（2）通过模拟空气净化器加开窗通风方式在不同通风位置、通风量、净化器位置等因素影响下的室内污染物分布，得出采用开窗加净化器方式对室内污染物的控制效果较好，且空气净化器应设置在进风上游旁侧处.

（3）模拟了教室在满员占用下室外处于不同污染等级时两种净化方式对室内PM2.5质量浓度、CO2体积分数的控制效果，得出当室外污染等级优于轻度污染时开启空气净化器并配合开窗通风能够满足室内PM2.5质量浓度、CO2体积分数的控制要求.当室外污染等级高于轻度污染，由于建筑围护结构的遮挡作用使得新风净化系统对室内污染物的控制效果明显优于空气净化器加开窗通风方式，该系统能在30 min 内将室内PM2.5质量浓度和CO2体积分数控制在污染浓度限值以下.