某高校教室舒适度模拟研究及优化

某高校教室舒适度模拟研究及优化

张富荣

北京交通职业技术学院102200

摘要：随着人们生活水平的提高，人们对生活环境了有了进一步的认识和更高的要求。对于高校来说，学校的硬件设施包括教室学习环境也成为学生及家长择校的标准之一。教室的舒适度直接关系到学生的学习效果及身体健康，是学校应该关注的重点之一。本文以某高职院校某教室为例，采用airpak软件对冬夏季教室内温度场、速度场、空气龄及舒适度进行了模拟计算分析，并提出了优化方案。

关键词：舒适度；数值模拟；教室；优化方案

一、教室基本情况介绍

教学楼为框架单内廊结构，共三层，坐南朝北，一二层为实训室，三层为教室，教室内无空调、强制换气设备，冬天采用室内四周踢脚线内陶瓷电热供暖（见图1）。模拟教室位于教学楼三层。教室长10米，宽6米，外墙厚度34cm，内墙厚度10cm。教室前后各有一个木门（无窗），门高2m，宽85cm。外墙上有三个窗户，窗户高1.8m，宽1.5m，三个窗框固定，一个为外开窗框，外开窗口高1m，宽0.6m。教室顶棚挂有8个节能灯，一个投影机（sony）。教室三个角落有柱子，柱子向教室内侧凸出。窗户外窗台与墙面平齐，内窗台伸出墙面3.5cm。窗台距地面高0.9m，距天花板0.3m。假定教室内上课人数为30人。（具体尺寸见图2）。

图2模拟教室平面图

冬季假定教室窗户始终处于关闭状态，假定教室内温度为20度，模拟计算教室内温度、空气龄及舒适度。模型见图3[1]。

三、模拟结果及分析

（一）夏季工况

教室内30位同学坐立，头部大概在1.1-1.5米之间。由图4可知，夏季教室内正对窗户的部位有微风，风速大概在0.7-0.9m/s，其余部位风速在0-0.3m/s之间。

图4夏季y=1.2米处速度场

由图5可知，夏季教室内平均温度在27.2℃，由于人体散热，学生座位周围温度在29℃-31℃，再加上太阳透过窗帘烤晒，人体处于出汗状态，舒适度极差。

图5夏季y=1.2米处温度场

《采暖通风与空气调节设计规范》规定采暖与空气调节室内的热舒适性应按照《中等热环境PMV和PPD指数的测定及热舒适条件的规定》，采用预计的平均热感觉指数PMV和预计不满意者的百分数PPD评价，其值宜为：-1≦PMV≦+1；PPD≦27%。从图6、图7可知，教室内1.5米处PMV为0-1.4之间，部分地区大于1，教室内稍暖。教室内1.5米处PPD在0-33%之间，部分地区大于27%，教室内不满意度较高。

图7夏季y=1.5米处PPD值

夏季教室内空气龄大于800s，空气龄相对较大，对身体健康不利。

图8夏季y=1.5米处空气龄

从以上模拟结果可见，夏季教室内少部分地区有低风速，空气温度较高，室内空气龄较大，室内舒适度较低。学生在教室内学习处于出汗状态，加之空气龄较大，学生人体不舒适，头脑不清晰，学习效率低。

（二）冬季工况

冬季教室不开窗，上课门也处于关闭状态，因此，教室内风速为0。教室内大部分地区温度在17℃，由于人体散热，学生座位周围温度为21℃-25℃。

图10冬季y=1.5米处PMV

图11冬季y=1.5米处PPD

冬季室内空气龄大于800s，空气龄偏大，空气卫生状况差。

从以上模拟结果可见，冬季教室内温度稍凉，空气龄大，学生在内学习不利于身体健康，头脑不清楚，严重影响学习效率。

图12冬季y=1.5米处空气龄

四、优化方案

（一）夏季全面通风

本课节约办学成本，提高舒适度的原则，教室可以采用全面通风方式，增大室内换气次数，保证教室内空气质量。同时配合南向外窗外遮阳措施，能起到更好的隔热效果。

教室总体积180m3，室外空气中二氧化碳含量为0.05%，人员没有进入教室之前，室内空气中二氧化碳含量同室外相同。教室内每人呼出的二氧化碳量均为40g/h，上课45min钟内要求教室内二氧化碳含量不超过0.12%，室内全面通风量计算过程为：

由计算可得，保证室内空气质量，需要全面通风量为620，室内换气次数约为5。通风量较小，可选择一台小的通风机，也可多个教室合用一台通风机。

（二）安装壁挂式或柜式空调

考虑到教学楼已建成投入使用，加装中央空调系统费时费力，因此可选择壁挂式空调或立柜式空调。

本教室面积60平米，假设人数30人，采用鸿业负荷计算软件估算教室夏季冷负荷为4500w（不含新风负荷）[2]，可选用2台大一匹的空调，教室前后各一台，也可选择一台2-3匹柜式空调机放置在教室后方。

安装空调机后，夏季教室内温度、舒适度、满意度会大幅提高，但是建议课件开门开窗通风换气，否则空气龄仍会很大，对学生健康和学习效率会有影响。

（三）利用土壤能节能通风

本文中高校位于郊区，人口密度不大，绿化较好，因此我们可以考虑充分利用地下土壤中的地热资源，使空气经过一段地埋管道后送入室内，如图13所示。土壤具有很好的热惰性，夏天室外空气温度很高，但土壤中的温度较低，空气经过地埋管道与土壤进行热交换，温度降低。冬天室外空气温度很低，但土壤中温度较高，空气经过地埋管道与土壤进行热交换，温度升高。从而起到节能通风的效果。通过合理的设计，本系统可以冬季夏季兼用，对改善室内空气浑浊度和空气龄有非常好的效果。本系统在欧美国家的住宅建筑中已大量使用。

图13通风示意图

（四）设置土壤源热泵

土壤源热泵以土壤作为热源、冷源，通过高效热泵机组向建筑物供热或供冷。与传统空调系统相比，每年运行费用可节约40%左右。由于换热器埋于地下，机房占地面积小，节省空间。采用土壤源热泵系统，由于土壤的温度低，土壤源热泵可以比风冷热泵具有更高的效率和更好的可靠性。而且节能环保，无任何污染，与电供暖相比，相当于减少污染物排放量70%以上。

五、结论

教室是学生学习的场所，同时也属于人员密集场所，教室内的空气环境对学习效果和学生教师的心身健康影响很大，因此，应该引起学校的高度重视。老旧教室改造可从以下几个方面着手：

1、防止空气龄大，可设置全面通风。冬季夏季可利用土壤能节能通风。

2、防止室内温度不适，可设置立柜式空调或壁挂式空调。或设置土壤源热泵。

参考文献

[1]丁蕴蕾，袁树杰，赵翠.某普通瑜伽教室的气流组织数值模拟及优化[J].建筑热能通风空调.2013.5

[2]采暖通风与空气调节设计规范.GB50019-2003.