張 鵬，孫維棟，張 昌

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夏季計算機房密閉狀態(tài)下CO2濃度預(yù)警時間的計算

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)警時間；數(shù)值模擬

0 引言

高校計算機房是學(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）。但是有些算機房往往門窗封閉嚴(yán)實且沒有新風(fēng)補充，這種情況下室內(nèi)空氣質(zhì)量一般比較差。造成這種現(xiàn)象的一個重要原因是人員密集時所呼出的CO2使得室內(nèi)濃度增高，長期呆在這樣的環(huán)境下，人就會感到難受，甚至影響健康。有研究表明，室內(nèi)CO2濃度達(dá)到1500ppm時不舒適感明顯，增至2000ppm時室內(nèi)衛(wèi)生狀況明顯惡化[1]，世界衛(wèi)生組織（WHO）、美國供熱制冷及空調(diào)工程協(xié)會（ASHRAE）等國際權(quán)威機構(gòu)推薦的室內(nèi)CO2預(yù)警值為900ppm。

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

1 數(shù)值模擬計算

1.1 計算機房的幾何模型

本文的研究案例是某高?？扇菁{14名學(xué)生的計算機房。房間幾何參數(shù)為：室內(nèi)長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，日光燈4盞。對室內(nèi)人員和物體的外形輪廓簡化后的三維幾何模型如圖1所示。

圖1 計算機房三維物理模型

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)污染源為計算機房內(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。模擬計算的邊界條件見表1。

表1 數(shù)值模擬計算邊界條件

2 速度場和溫度場對濃度場分布的影響

為了節(jié)省計算機內(nèi)存和時間，壓力-速度耦合計算采用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。

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

圖2 Z=1.135m平面流線與速度分布

圖3 Z=1.135m平面溫度場和濃度場分布

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、人和電腦周圍的溫度比較高外，呼吸平面的溫度分布在24～25℃之間。模擬計算表明：CO2濃度分布具有明顯的疏密特點，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。對比圖3（b）和圖2（a）可以看出，平面流線對CO2濃度分布影響較大，這是因為室內(nèi)CO2做跟隨運動。從圖3看出溫度場對CO2場分布影響不大，這是因為呼吸平面溫度差太小，密度差不大對CO2濃度分布影響就小。

數(shù)值模擬計算還可以得到室內(nèi)CO2濃度平均值，0～660s過程中室內(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 模擬計算值與監(jiān)測數(shù)據(jù)值對比

本文的研究案例還對室內(nèi)CO2濃度進(jìn)行了實際監(jiān)測。根據(jù)氣體檢測時污染物采樣點的要求[10]并結(jié)合計算機房室內(nèi)情況，在Z=1.135m呼吸平面上布置兩個CO2監(jiān)測點如圖4所示。每間距180秒對A、B點采集一組CO2濃度數(shù)據(jù)。

圖4 CO2濃度監(jiān)測點

監(jiān)測數(shù)據(jù)、模擬計算值和室內(nèi)模擬平均值的對比情況如圖5所示。由圖5可以看出A、B兩測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)均比模擬值小，這是因為測量過程中門窗封閉不是很嚴(yán)密，再加上測量儀器的延遲性以及室內(nèi)人員流動等等因素影響，使得對應(yīng)時間下模擬計算值比監(jiān)測數(shù)據(jù)大。但室內(nèi)模擬平均值與監(jiān)測數(shù)據(jù)的增長趨勢是一致的。另外，A、B兩點模擬計算值均在室內(nèi)模擬平均值附近波動，說明該值可以作為實時觀察值監(jiān)視室內(nèi)CO2濃度變化情況。對比模擬計算值與監(jiān)測數(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A、B兩點CO2濃度數(shù)據(jù)

4 CO2濃度預(yù)警時間

圖6 室內(nèi)不同人數(shù)的預(yù)警時間

圖7 室內(nèi)密閉情況人均占有體積預(yù)警時間

為了確定這類房間置換通風(fēng)的間隔時間，引用人均占有體積為自變量來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)警時間與之間函數(shù)表達(dá)式

式（2）中：為預(yù)警時間，s；為人均占有體積，m3/人。

公式（2）與計算點的數(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?？梢钥闯?，對于這類的密閉空間，人均占有體積與預(yù)警時間呈線性關(guān)系。

5 結(jié)論

（1）夏季密閉計算機房室內(nèi)CO2濃度分布與室內(nèi)流場有關(guān)，溫度場對其影響不大。

（3）公式（2）可以用來預(yù)測這類房間中達(dá)到CO2濃度900ppm需要的時間，適時置換通風(fēng)或開啟門窗，對保障室內(nèi)人員衛(wèi)生、健康、舒適地工作是非常有效且必要的。

[1] 尹先仁，秦鈺慧．環(huán)境衛(wèi)生國家標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊[M]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2000．

[2] 齊美薇，李曉峰，黃河．示蹤氣體法利用人體作為CO2釋放源測量宿舍換氣次數(shù)的方法研究[J]．建筑科學(xué)，2013，29(6)：52-57．

[3] 陳益武．空調(diào)房間室內(nèi)CO2濃度實驗研究[J]．潔凈與空調(diào)技術(shù)，2009，（4）：17-21．

[4] 栗艷，吳佳，丁力行，等．密閉居室CO2濃度富集模型[J]．仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院學(xué)報，2013，26(1) ：35-37．

[5] 陶文銓．?dāng)?shù)值傳熱學(xué)（第二版）[M]．西安：西安交通大學(xué)出版社，2001．

[6] 楊慧，張歡，由世俊，等．基于Airpark的辦公室熱環(huán)境CFD模擬研究[J]．山東建筑工程學(xué)院學(xué)報，2004，19（4）：41-44．

[7] 王福軍．計算流體動力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2004．

[8] Zhao G M, Su-Jun W U, Liu W Q, et al．Use of airtight spirit bag for bovine oocytes in vitro maturation[J]．Chinese Journal of Veterinary Science，2011，31(9)：1361-1362．

[9] 朱穎心，張寅平，等．建筑環(huán)境學(xué)（第三版）[M]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010．

[10]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局．GB/T18883-2002室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S]．北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002．

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.