宋建立、(石家莊奧祥醫(yī)藥工程有限公司,河北 石家莊 050031)

摘要

針對當前學校教室普遍存在的二氧化碳（CO?）濃度超標、空氣質(zhì)量不佳、新風系統(tǒng)能耗過高等問題，提出將穩(wěn)態(tài)置換流（SSDV）技術(shù)應用于教室通風凈化場景。通過分析SSDV技術(shù)的氣流組織原理與核心特性，結(jié)合教室空間布局和人員活動規(guī)律開展實證研究，重點驗證該技術(shù)在CO?濃度精準控制、負氧離子生成及PM2.5深度凈化方面的應用效果，并量化其節(jié)能效益。結(jié)果表明：SSDV技術(shù)可使教室CO?學生呼吸區(qū)CO?濃度穩(wěn)定控制在800ppm以下，滿足《中小學校教室換氣衛(wèi)生標準》（GB/T 18883-2022）要求，SSDV技術(shù)通過氣流剪切效應生成的天然生成負氧離子濃度可維持在全室1000-1500個/cm3，達到清新空氣標準；PM2.5凈化效率達99.9%以上，與傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)相比，新風能耗降低30%以上。該技術(shù)為教室空氣質(zhì)量提升與節(jié)能改造提供了新路徑，具有進一步深入研究價值。

關(guān)鍵詞

穩(wěn)態(tài)置換流（SSDV）；教室通風；CO?濃度控制；負氧離子；PM2.5凈化；節(jié)能

一、引言

教室作為學生日常學習的核心場所，人員密度大、空間相對封閉，空氣質(zhì)量直接影響學生的身體健康與學習效率。據(jù)《中國學校衛(wèi)生》期刊調(diào)研數(shù)據(jù)顯示，我國60%以上的中小學教室在上課期間CO?濃度超過1000ppm，部分高峰時段甚至達到2000ppm以上，遠超國家標準限值[1]。過高的CO?濃度會導致學生注意力不集中、記憶力下降，長期處于該環(huán)境還可能引發(fā)頭暈、乏力等不適癥狀。同時，室外PM2.5等顆粒物通過門窗縫隙滲入，以及室內(nèi)人員活動產(chǎn)生的揚塵，使得教室PM2.5濃度普遍偏高，對學生呼吸系統(tǒng)造成潛在危害[2]。

當前主流的教室通風方式以混合通風為主，但該方式存在氣流組織混亂、污染物稀釋不均勻等問題，難以精準控制呼吸區(qū)空氣質(zhì)量，且為達到通風效果需持續(xù)輸送大量新風，導致能耗居高不下[3]。近年來，低湍流度置換技術(shù)因其在污染物精準控制方面的優(yōu)勢逐漸受到關(guān)注，但傳統(tǒng)技術(shù)存在氣流穩(wěn)定性差、凈化效率有限等不足。穩(wěn)態(tài)置換流（SSDV）技術(shù)作為一種新型通風凈化技術(shù)，通過獨特的靜壓箱式送風結(jié)構(gòu)與低紊流度氣流設(shè)計，實現(xiàn)了污染物的定向排出與高效凈化，在工業(yè)潔凈室、醫(yī)院手術(shù)室等場景已得到成功應用[4]。本文將SSDV技術(shù)引入教室場景，通過理論分析與實證研究，系統(tǒng)驗證其在CO?濃度控制、負氧離子生成、PM2.5凈化及節(jié)能方面的綜合優(yōu)勢，為該技術(shù)在教育領(lǐng)域的推廣應用提供理論依據(jù)與實踐參考。

二、穩(wěn)態(tài)置換流（SSDV）技術(shù)原理

（一）核心氣流組織原理

SSDV技術(shù)基于"分層通風+定向凈化"的設(shè)計理念，構(gòu)建受控區(qū)域穩(wěn)定的單向流場。其技術(shù)核心在于采用靜壓箱式送風裝置，將經(jīng)過過濾的新風以極低的風速（0.2-0.3m/s）均勻送入教室學生呼吸區(qū)域，形成一層厚度約0.8-1.2m的潔凈氣流層。由于新風密度略高于室內(nèi)污染空氣，在重力作用下會緩慢向下擴散，逐步置換室內(nèi)人員呼吸產(chǎn)生的CO?、異味等污染物，通過科學設(shè)計排風系統(tǒng)，最終使污染物較高效排出[5]。

與傳統(tǒng)混合通風不同的是，SSDV技術(shù)通過控制氣流紊流度（≤0.15）實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)氣流場，避免了氣流混合導致的污染物擴散問題，確保學生呼吸區(qū)始終處于潔凈新風層覆蓋范圍。同時，送風裝置采用微孔送風面板，使氣流均勻分布，無明顯吹風感，提升了人體舒適度[6]。

（二）負氧離子生成與污染物凈化機制

SSDV技術(shù)通過"物理攔截+氣流剪切"雙重機制實現(xiàn)污染物深度凈化其核心是控制微孔出口氣流的層流特性（Re≤100），確保剪切作用均勻，負氧離子生成效率穩(wěn)定，通過氣流剪切效應生成的負氧離子具有天然特性，與依賴化學模塊或高壓裝置的不同之處是無臭氧，而且具有可彌漫整個教室空間。

在潔凈新風輸送過程中，經(jīng)過特制抗菌低阻空濾系統(tǒng)，對PM2.5等顆粒物進行物理攔截，過濾效率達99.9%以上。同時，穩(wěn)定的低風速氣流在通過微孔送風面板時，因氣流剪切作用產(chǎn)生電離效應，天然生成負氧離子具有“顆粒匯聚”相應，加速了顆粒物的沉降，相對提升了顆粒物的濾除效果，加上負氧離子殺菌消毒，可進一步提升空氣潔凈度。

（三）節(jié)能原理

SSDV技術(shù)采用超低速大面積送風（0.2-0.3m/s）由風速與能耗立方關(guān)系（P?/P? = (v?/v?)3可知節(jié)能率≥30%，在教室環(huán)境下SSDV技術(shù)通過精準的氣流組織設(shè)計，實現(xiàn)新風的按需分配。由于污染物主要富集于下部呼吸區(qū)，只需保證呼吸區(qū)新風量滿足需求，即可實現(xiàn)污染物有效置換，相比傳統(tǒng)混合通風需維持全室高新風量的設(shè)計，大幅減少了新風輸送能耗[7]。同時，該技術(shù)采用的靜壓箱式送風裝置阻力小，風機運行功率降低，進一步提升了系統(tǒng)節(jié)能效果。

三、教室場景實證研究

（一）實驗環(huán)境與設(shè)備

1. 實驗場地：選取某幼兒園標準教室，尺寸為長9m×寬6m×高3.2m，容納學生45人，符合《中小學校設(shè)計規(guī)范》（GB 50099-2011）要求。

2. 實驗設(shè)備：采用石家莊奧祥醫(yī)藥工程有限公司研發(fā)的SSDV教室專用教室通風凈化系統(tǒng)，送風裝置安裝于教室頂部，排風裝置分別安裝于教室底部和頂部；檢測設(shè)備包括CO?檢測儀（精度±5%）、負氧離子計數(shù)器（量程0-10000個/cm3）、PM2.5檢測儀（精度±1μg/m3）及電能表（精度0.5級）。

3. 對比組：設(shè)置傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)作為對比，該系統(tǒng)采用頂部送風、頂部排風方式，新風量與SSDV系統(tǒng)保持一致（30m3/（人·h））。

（二）實驗方案

實驗分為三個階段：第一階段在正常上課時段（4課時，共3h）運行SSDV系統(tǒng)，每15分鐘記錄一次呼吸區(qū)（距地面1.2m）和上部區(qū)域（距地面2.5m）的CO?濃度、負氧離子濃度及PM2.5濃度；第二階段切換為傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)，在相同條件下進行同步檢測；第三階段通過電能表分別計量兩種系統(tǒng)運行24h的耗電量，計算節(jié)能率。實驗過程中保持教室門窗關(guān)閉，模擬實際使用場景。

（三）實驗結(jié)果與分析

1. CO?濃度控制效果

實驗數(shù)據(jù)顯示，SSDV系統(tǒng)運行時，教室呼吸區(qū)CO?濃度始終穩(wěn)定在650-800ppm之間，平均值為720ppm；排風區(qū)域CO?濃度則維持在1000-1200ppm，形成明顯的濃度分層。這一結(jié)果表明，SSDV技術(shù)通過送風形成的穩(wěn)態(tài)氣流層，有效將CO?富集于排出區(qū)域并較高效率排出，確保學生呼吸區(qū)始終處于低CO?濃度環(huán)境。

相比之下，傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)運行時，教室各區(qū)域CO?濃度分布均勻，呼吸區(qū)CO?濃度平均值為950ppm，最高值達到1100ppm，未達到國家標準要求。其原因在于混合通風通過氣流混合稀釋污染物，難以精準控制呼吸區(qū)空氣質(zhì)量，當人員密度較大時，污染物易在全室擴散[8]。

2. 負氧離子生成效果

SSDV系統(tǒng)運行期間，教室呼吸區(qū)負氧離子濃度穩(wěn)定在1000-1500個/cm3，平均值為1280個/cm3，符合《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》中"清新空氣"的負氧離子濃度要求（≥1000個/cm3）。而傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)運行時，教室負氧離子濃度僅為200-300個/cm3，與室外環(huán)境濃度相當。

這一差異源于SSDV技術(shù)與負氧離子的協(xié)同效應，主要體現(xiàn)在通過氣流組織優(yōu)化提升負氧離子濃度及健康效應。而傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)無此技術(shù)特性，無法主動生成負氧離子[9]。

3. PM2.5凈化效果

實驗期間，室外PM2.5濃度平均值為85μg/m3。SSDV系統(tǒng)運行時，教室呼吸區(qū)PM2.5濃度始終維持在0-5μg/m3，平均值為2.3μg/m3，凈化效率達97.3%；當室外PM2.5濃度低于50μg/m3時，呼吸區(qū)PM2.5濃度可實現(xiàn)趨近于零。傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)運行時，呼吸區(qū)PM2.5濃度平均值為18.7μg/m3，凈化效率僅為78.0%

SSDV技術(shù)的高效凈化效果得益于特制的抗菌空濾系統(tǒng)與氣流組織產(chǎn)生的天然負氧離子的雙重凈化作用：物流凈化：置換流場形成“梯度凈化”高效濾除PM2.5等 細顆粒（室內(nèi)重度污染時教室PM2.5可將在小于1μg/m3）質(zhì)構(gòu)（化學）凈化：負氧離子主動吸附帶電塵埃、細菌及VOC,分解甲醛及有害氣體。經(jīng)實驗證實該技術(shù)醫(yī)用診艙對微生物殺滅率可達99.99994%[10]。

4. 節(jié)能效果分析

電能表檢測數(shù)據(jù)顯示，SSDV系統(tǒng)運行24h的風系統(tǒng)風機耗電量為12.8kWh，傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)為19.7kWh，SSDV技術(shù)的節(jié)能率達35.0%。節(jié)能效益主要源于兩方面：一是SSDV技術(shù)通過精準的氣流組織設(shè)計，減少了不必要的新風輸送量；二是靜壓箱式送風裝置阻力小，風機運行功率僅為傳統(tǒng)系統(tǒng)的60%[11]。按我國中小學年均在校時間200天計算，單間教室采用SSDV技術(shù)每年可節(jié)約電費約800元，若在全國范圍內(nèi)推廣，將產(chǎn)生顯著的節(jié)能效益。

四、技術(shù)優(yōu)勢與推廣價值

（一）核心技術(shù)優(yōu)勢

1. 精準控制CO?濃度：SSDV技術(shù)通過分層氣流組織，使CO?富集于下部區(qū)域并定向排出，解決了傳統(tǒng)通風系統(tǒng)"全室混合、濃度不均"的痛點，確保學生呼吸區(qū)CO?濃度始終處于安全范圍，有效提升學習專注力與身體健康水平。

2. 天然生成負氧離子：無需額外設(shè)備，通過氣流剪切作用天然生成負氧離子，既提升了空氣清新度，又避免了人工生成負氧離子可能產(chǎn)生的二次污染，為學生創(chuàng)造了接近自然的呼吸環(huán)境。

3. 深度凈化PM2.5：三級過濾系統(tǒng)與穩(wěn)態(tài)氣流場協(xié)同作用，實現(xiàn)PM2.5深度凈化，呼吸區(qū)濃度趨近于零，有效降低學生呼吸系統(tǒng)疾病的發(fā)生風險。

4. 顯著節(jié)能效益：相比傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)節(jié)能35%以上，符合國家"雙碳"戰(zhàn)略要求，降低學校運營成本。

（二）推廣應用價值

1. 契合教育行業(yè)需求：當前我國高度重視學校衛(wèi)生與健康工作，《"健康中國2030"規(guī)劃》明確提出要改善學校衛(wèi)生環(huán)境，提升教室空氣質(zhì)量。SSDV技術(shù)的應用契合綱要需求，為學校衛(wèi)生改造提供了技術(shù)支撐[12]。

2. 應用場景廣泛：該技術(shù)不僅適用于中小學教室，還可推廣至幼兒園、大學教室、圖書館、實驗室等教育場所，具有較廣闊的應用前景。

3. 經(jīng)濟社會效益顯著：推廣SSDV技術(shù)可有效提升學生身體健康水平與學習效率，減少因空氣質(zhì)量問題導致的缺勤現(xiàn)象；同時降低教育機構(gòu)的能源消耗，助力綠色校園建設(shè)，具有顯著的經(jīng)濟社會效益[13]。

五、結(jié)論與展望

本文通過原理分析與例證實驗，研究了穩(wěn)態(tài)置換流（SSDV）技術(shù)在教室場景的應用效果。研究表明，SSDV技術(shù)通過獨特的氣流組織原理，能夠?qū)崿F(xiàn)CO?濃度的精準控制，使學生呼吸區(qū)CO?濃度穩(wěn)定在國家標準范圍內(nèi)；通過氣流剪切作用天然生成負氧離子，提升空氣清新度；通過特制的抗菌低阻空濾裝置與氣流協(xié)同作用，實現(xiàn)PM2.5小于5μg/m3深度凈化，同時相比傳統(tǒng)混合通風系統(tǒng)，節(jié)能率達35%以上，實現(xiàn)了空氣質(zhì)量提升與節(jié)能的雙重目標。

SSDV技術(shù)為教室通風凈化提供了一種高效、節(jié)能的解決方案，契合當前教育行業(yè)對空氣質(zhì)量改善的需求，具有參考價值。未來可進一步優(yōu)化技術(shù)參數(shù)，針對不同規(guī)模、不同布局的教室開發(fā)定制化產(chǎn)品；同時開展長期跟蹤研究，深入分析該技術(shù)對學生健康與學習效率的長期影響，為技術(shù)推廣提供更充分的理論依據(jù)，為綠色校園建設(shè)（教室通風凈化）創(chuàng)造更健康、更舒適的學習環(huán)境。

參考文獻

[1] 王業(yè)芳, 鐘燕. 北京朝陽區(qū)幼兒2016-2018學年度傳染病患病狀況[J]. 中國學校衛(wèi)生, 2020, 41(5): 789-791.

[2] 李洪欣，唐莉，劉雅楠. 室內(nèi)通風方式對PM2.5濃度的影響[J]. 山東農(nóng)業(yè)大學學報(自然科學版),2021,52(02) : 338-342.

[3] 孫濤. 置換通風與混合通風系統(tǒng)的比較研究[J]. 《節(jié)能》2006 ,(08):14-16.

[4] 石家莊奧祥醫(yī)藥工程有限公司. 穩(wěn)態(tài)置換流（SSDV）技術(shù)白皮書[R]. 2023.

[5] 馬國彬, 魏學孟. 置換通風氣流組織的特性研究[J]. 潔凈與空調(diào)技術(shù), 2002,(01): 9-12+21.

[6] 李金華, 蘇輝, 耿世彬. 置換通風條件下室內(nèi)空氣品質(zhì)研究[J]. 潔凈與空調(diào)技術(shù), 2005 ,(02):5-8.

[7] 鄭國忠, 荊有印. 置換通風的研究與應用現(xiàn)狀[J]. 節(jié)能, 2005,(04):16-19.

[8] 國家標準委. 室內(nèi)空氣質(zhì)量標準（GB/T 18883-2022）[S]. 2022.

[9] 潘雨順. 空氣環(huán)境與負氧離子在空調(diào)制冷房間中的應用[J]. 四川制冷, 1996(04):2-8.

[10] 穩(wěn)態(tài)置換流凈化技術(shù)對室內(nèi)環(huán)境微生物防控機制及效果評估報告. 中國疾病預防控制

中心環(huán)境與健康相關(guān)產(chǎn)品安全所. 2024 年.

[11] 林官明, 任陣海, 宋建立. 室內(nèi)顆粒物的穩(wěn)態(tài)置換流凈化機制[J]. 中國環(huán)境科學, 2018,

38(1): 97-102.

[12] 國務院. "健康中國 2030"規(guī)劃綱要[Z]. 2016.

[13] 教育部. 綠色校園評價標準（GB/T 51356-2019）[S]. 2019.