夏季計(jì)算機(jī)房密閉狀態(tài)下CO2濃度預(yù)警時(shí)間的計(jì)算

張 鵬，孫維棟，張 昌

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夏季計(jì)算機(jī)房密閉狀態(tài)下CO2濃度預(yù)警時(shí)間的計(jì)算

張 鵬，孫維棟，張 昌*

（武漢紡織大學(xué) 環(huán)境工程學(xué)院，湖北 武漢 430073）

CO2；濃度；預(yù)警時(shí)間；數(shù)值模擬

0 引言

高校計(jì)算機(jī)房是學(xué)生主要學(xué)習(xí)的地方之一，一般在室內(nèi)安裝空調(diào)器（如柜式空調(diào)、分體式空調(diào)等）。但是有些算機(jī)房往往門(mén)窗封閉嚴(yán)實(shí)且沒(méi)有新風(fēng)補(bǔ)充，這種情況下室內(nèi)空氣質(zhì)量一般比較差。造成這種現(xiàn)象的一個(gè)重要原因是人員密集時(shí)所呼出的CO2使得室內(nèi)濃度增高，長(zhǎng)期呆在這樣的環(huán)境下，人就會(huì)感到難受，甚至影響健康。有研究表明，室內(nèi)CO2濃度達(dá)到1500ppm時(shí)不舒適感明顯，增至2000ppm時(shí)室內(nèi)衛(wèi)生狀況明顯惡化[1]，世界衛(wèi)生組織（WHO）、美國(guó)供熱制冷及空調(diào)工程協(xié)會(huì)（ASHRAE）等國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)推薦的室內(nèi)CO2預(yù)警值為900ppm。

人們對(duì)室內(nèi)閉合環(huán)境下室內(nèi)污染物濃度進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[2-4]，但是結(jié)果往往很難完全反映室內(nèi)CO2隨時(shí)間的變化規(guī)律。應(yīng)用數(shù)值模擬的方法對(duì)夏季計(jì)算機(jī)房CO2濃度值隨人數(shù)變化達(dá)到預(yù)警值所需要的時(shí)間進(jìn)行研究，可以正確了解計(jì)算機(jī)房的空氣污染規(guī)律，為制訂夏季計(jì)算機(jī)房安全運(yùn)行的相關(guān)條文提供理論依據(jù)。

1 數(shù)值模擬計(jì)算

1.1 計(jì)算機(jī)房的幾何模型

本文的研究案例是某高?？扇菁{14名學(xué)生的計(jì)算機(jī)房。房間幾何參數(shù)為：室內(nèi)長(zhǎng)6.2m，寬5.9m，高2.8m；室內(nèi)安裝循環(huán)風(fēng)量為1200m3/h的落地式房間空調(diào)器，靠近南外墻；室內(nèi)有電腦14臺(tái)，日光燈4盞。對(duì)室內(nèi)人員和物體的外形輪廓簡(jiǎn)化后的三維幾何模型如圖1所示。

圖1 計(jì)算機(jī)房三維物理模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

1.3 邊界條件

夏季空調(diào)室外計(jì)算溫度取34℃，室內(nèi)熱源主要考慮人員、電腦和照明燈散熱。人員服裝統(tǒng)為夏季一般著裝，短袖T恤加短褲。室內(nèi)污染源為計(jì)算機(jī)房?jī)?nèi)學(xué)生的呼出CO2，人體呼出的氣體中CO2體積分?jǐn)?shù)占5%[8]，每人的呼出量為0.0173m3/h[9]?？照{(diào)風(fēng)口送風(fēng)初始CO2濃度取值440ppm。模擬計(jì)算的邊界條件見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值模擬計(jì)算邊界條件

2 速度場(chǎng)和溫度場(chǎng)對(duì)濃度場(chǎng)分布的影響

為了節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存和時(shí)間，壓力-速度耦合計(jì)算采用Coupled算法，離壁面比較近的區(qū)域采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)。編寫(xiě)了段UDF程序，使得空調(diào)器送風(fēng)口和回風(fēng)口的CO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)相等。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)房間內(nèi)人數(shù)為14人時(shí)CO2室內(nèi)模擬平均值達(dá)到900ppm需要的時(shí)間是660s。此時(shí)刻下Z=1.135m平面（人員靜坐時(shí)的呼吸高度）的速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、CO2濃度場(chǎng)分布如圖2、圖3所示。

圖2 Z=1.135m平面流線(xiàn)與速度分布

圖3 Z=1.135m平面溫度場(chǎng)和濃度場(chǎng)分布

從圖2和圖3看出：呼吸區(qū)域空氣流速基本在0.1～0.3m/s之間，除了南外墻附近、人和電腦周?chē)臏囟缺容^高外，呼吸平面的溫度分布在24～25℃之間。模擬計(jì)算表明：CO2濃度分布具有明顯的疏密特點(diǎn)，遠(yuǎn)離人員呼吸區(qū)域的CO2濃度不高，其ppm數(shù)值都分布在860～950之間，呼吸區(qū)域CO2濃度在980～1220ppm之間。對(duì)比圖3（b）和圖2（a）可以看出，平面流線(xiàn)對(duì)CO2濃度分布影響較大，這是因?yàn)槭覂?nèi)CO2做跟隨運(yùn)動(dòng)。從圖3看出溫度場(chǎng)對(duì)CO2場(chǎng)分布影響不大，這是因?yàn)楹粑矫鏈囟炔钐?，密度差不大?duì)CO2濃度分布影響就小。

數(shù)值模擬計(jì)算還可以得到室內(nèi)CO2濃度平均值，0～660s過(guò)程中室內(nèi)的CO2濃度平均值列于表2。

表2 室內(nèi)CO2濃度平均值(ppm)

3 模擬計(jì)算值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值對(duì)比

本文的研究案例還對(duì)室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行了實(shí)際監(jiān)測(cè)。根據(jù)氣體檢測(cè)時(shí)污染物采樣點(diǎn)的要求[10]并結(jié)合計(jì)算機(jī)房室內(nèi)情況，在Z=1.135m呼吸平面上布置兩個(gè)CO2監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖4所示。每間距180秒對(duì)A、B點(diǎn)采集一組CO2濃度數(shù)據(jù)。

圖4 CO2濃度監(jiān)測(cè)點(diǎn)

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、模擬計(jì)算值和室內(nèi)模擬平均值的對(duì)比情況如圖5所示。由圖5可以看出A、B兩測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均比模擬值小，這是因?yàn)闇y(cè)量過(guò)程中門(mén)窗封閉不是很?chē)?yán)密，再加上測(cè)量?jī)x器的延遲性以及室內(nèi)人員流動(dòng)等等因素影響，使得對(duì)應(yīng)時(shí)間下模擬計(jì)算值比監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大。但室內(nèi)模擬平均值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的增長(zhǎng)趨勢(shì)是一致的。另外，A、B兩點(diǎn)模擬計(jì)算值均在室內(nèi)模擬平均值附近波動(dòng)，說(shuō)明該值可以作為實(shí)時(shí)觀察值監(jiān)視室內(nèi)CO2濃度變化情況。對(duì)比模擬計(jì)算值與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值可知，采用室內(nèi)模擬平均值作為室內(nèi)CO2濃度的預(yù)警值，具有一定的安全裕量。

圖5 14人時(shí)A、B兩點(diǎn)CO2濃度數(shù)據(jù)

4 CO2濃度預(yù)警時(shí)間

圖6 室內(nèi)不同人數(shù)的預(yù)警時(shí)間

圖7 室內(nèi)密閉情況人均占有體積預(yù)警時(shí)間

為了確定這類(lèi)房間置換通風(fēng)的間隔時(shí)間，引用人均占有體積為自變量來(lái)描述房間里的人員密度影響因素，用本研究案例數(shù)據(jù)擬合得到預(yù)警時(shí)間與之間函數(shù)表達(dá)式

式（2）中：為預(yù)警時(shí)間，s；為人均占有體積，m3/人。

公式（2）與計(jì)算點(diǎn)的數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)為R=0.99993，表明數(shù)據(jù)擬合相關(guān)程度很好，如圖7所示。可以看出，對(duì)于這類(lèi)的密閉空間，人均占有體積與預(yù)警時(shí)間呈線(xiàn)性關(guān)系。

5 結(jié)論

（1）夏季密閉計(jì)算機(jī)房室內(nèi)CO2濃度分布與室內(nèi)流場(chǎng)有關(guān)，溫度場(chǎng)對(duì)其影響不大。

（3）公式（2）可以用來(lái)預(yù)測(cè)這類(lèi)房間中達(dá)到CO2濃度900ppm需要的時(shí)間，適時(shí)置換通風(fēng)或開(kāi)啟門(mén)窗，對(duì)保障室內(nèi)人員衛(wèi)生、健康、舒適地工作是非常有效且必要的。

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Calculation of CO2Concentration Early Warning Time in Closed State of Computer Room in Summer

ZHANG Peng, SUN Wei-Dong, ZHANG Chang

(College of Environmental Engineering, Wuhan Textile University, Wuhan Hubei 430073, China)

CO; concentration; warning time; numerical simulation

TU83

A

2095－414X(2017)06－0071－05

通訊作者：張昌（1956-），男，教授，研究方向：空調(diào)與環(huán)境工程.