夏季計算機房密閉狀態下CO2濃度預警時間的計算

張 鵬，孫維棟，張 昌

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夏季計算機房密閉狀態下CO2濃度預警時間的計算

張 鵬，孫維棟，張 昌*

（武漢紡織大學 環境工程學院，湖北 武漢 430073）

CO2；濃度；預警時間；數值模擬

0 引言

高校計算機房是學生主要學習的地方之一，一般在室內安裝空調器（如柜式空調、分體式空調等）。但是有些算機房往往門窗封閉嚴實且沒有新風補充，這種情況下室內空氣質量一般比較差。造成這種現象的一個重要原因是人員密集時所呼出的CO2使得室內濃度增高，長期呆在這樣的環境下，人就會感到難受，甚至影響健康。有研究表明，室內CO2濃度達到1500ppm時不舒適感明顯，增至2000ppm時室內衛生狀況明顯惡化[1]，世界衛生組織（WHO）、美國供熱制冷及空調工程協會（ASHRAE）等國際權威機構推薦的室內CO2預警值為900ppm。

人們對室內閉合環境下室內污染物濃度進行了實驗研究[2-4]，但是結果往往很難完全反映室內CO2隨時間的變化規律。應用數值模擬的方法對夏季計算機房CO2濃度值隨人數變化達到預警值所需要的時間進行研究，可以正確了解計算機房的空氣污染規律，為制訂夏季計算機房安全運行的相關條文提供理論依據。

1 數值模擬計算

1.1 計算機房的幾何模型

本文的研究案例是某高校可容納14名學生的計算機房。房間幾何參數為：室內長6.2m，寬5.9m，高2.8m；室內安裝循環風量為1200m3/h的落地式房間空調器，靠近南外墻；室內有電腦14臺，日光燈4盞。對室內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 數學模型

1.3 邊界條件

夏季空調室外計算溫度取34℃，室內熱源主要考慮人員、電腦和照明燈散熱。人員服裝統為夏季一般著裝，短袖T恤加短褲。室內污染源為計算機房內學生的呼出CO2，人體呼出的氣體中CO2體積分數占5%[8]，每人的呼出量為0.0173m3/h[9]。空調風口送風初始CO2濃度取值440ppm。模擬計算的邊界條件見表1。

表1 數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

為了節省計算機內存和時間，壓力-速度耦合計算采用Coupled算法，離壁面比較近的區域采用標準壁面函數。編寫了段UDF程序，使得空調器送風口和回風口的CO2質量分數相等。

計算結果表明，當房間內人數為14人時CO2室內模擬平均值達到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，遠離人員呼吸區域的CO2濃度不高，其ppm數值都分布在860～950之間，呼吸區域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。

數值模擬計算還可以得到室內CO2濃度平均值，0～660s過程中室內的CO2濃度平均值列于表2。

表2 室內CO2濃度平均值(ppm)

3 模擬計算值與監測數據值對比

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

圖4 CO2濃度監測點

監測數據、模擬計算值和室內模擬平均值的對比情況如圖5所示。由圖5可以看出A、B兩測點的監測數據均比模擬值小，這是因為測量過程中門窗封閉不是很嚴密，再加上測量儀器的延遲性以及室內人員流動等等因素影響，使得對應時間下模擬計算值比監測數據大。但室內模擬平均值與監測數據的增長趨勢是一致的。另外，A、B兩點模擬計算值均在室內模擬平均值附近波動，說明該值可以作為實時觀察值監視室內CO2濃度變化情況。對比模擬計算值與監測數據值可知，采用室內模擬平均值作為室內CO2濃度的預警值，具有一定的安全裕量。

圖5 14人時A、B兩點CO2濃度數據

4 CO2濃度預警時間

圖6 室內不同人數的預警時間

圖7 室內密閉情況人均占有體積預警時間

為了確定這類房間置換通風的間隔時間，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，用本研究案例數據擬合得到預警時間與之間函數表達式

式（2）中：為預警時間，s；為人均占有體積，m3/人。

公式（2）與計算點的數據相關系數為R=0.99993，表明數據擬合相關程度很好，如圖7所示。可以看出，對于這類的密閉空間，人均占有體積與預警時間呈線性關系。

5 結論

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

（3）公式（2）可以用來預測這類房間中達到CO2濃度900ppm需要的時間，適時置換通風或開啟門窗，對保障室內人員衛生、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：空調與環境工程.