夏季计算机房密闭状态下CO2浓度预警时间的计算

2018-01-05孙维栋

武汉纺织大学学报 2017年6期

关键词：模拟计算监测数据温度场

张鹏，孙维栋，张昌

张鹏，孙维栋，张昌*

（武汉纺织大学环境工程学院，湖北武汉 430073）

CO2；浓度；预警时间；数值模拟

0 引言

高校计算机房是学生主要学习的地方之一，一般在室内安装空调器（如柜式空调、分体式空调等）。但是有些算机房往往门窗封闭严实且没有新风补充，这种情况下室内空气质量一般比较差。造成这种现象的一个重要原因是人员密集时所呼出的CO2使得室内浓度增高，长期呆在这样的环境下，人就会感到难受，甚至影响健康。有研究表明，室内CO2浓度达到1500ppm时不舒适感明显，增至2000ppm时室内卫生状况明显恶化[1]，世界卫生组织（WHO）、美国供热制冷及空调工程协会（ASHRAE）等国际权威机构推荐的室内CO2预警值为900ppm。

人们对室内闭合环境下室内污染物浓度进行了实验研究[2-4]，但是结果往往很难完全反映室内CO2随时间的变化规律。应用数值模拟的方法对夏季计算机房CO2浓度值随人数变化达到预警值所需要的时间进行研究，可以正确了解计算机房的空气污染规律，为制订夏季计算机房安全运行的相关条文提供理论依据。

1 数值模拟计算

1.1 计算机房的几何模型

本文的研究案例是某高校可容纳14名学生的计算机房。房间几何参数为：室内长6.2m，宽5.9m，高2.8m；室内安装循环风量为1200m3/h的落地式房间空调器，靠近南外墙；室内有电脑14台，日光灯4盏。对室内人员和物体的外形轮廓简化后的三维几何模型如图1所示。

图1 计算机房三维物理模型

1.2 数学模型

1.3 边界条件

夏季空调室外计算温度取34℃，室内热源主要考虑人员、电脑和照明灯散热。人员服装统为夏季一般着装，短袖T恤加短裤。室内污染源为计算机房内学生的呼出CO2，人体呼出的气体中CO2体积分数占5%[8]，每人的呼出量为0.0173m3/h[9]。空调风口送风初始CO2浓度取值440ppm。模拟计算的边界条件见表1。

表1 数值模拟计算边界条件

2 速度场和温度场对浓度场分布的影响

为了节省计算机内存和时间，压力-速度耦合计算采用Coupled算法，离壁面比较近的区域采用标准壁面函数。编写了段UDF程序，使得空调器送风口和回风口的CO2质量分数相等。

计算结果表明，当房间内人数为14人时CO2室内模拟平均值达到900ppm需要的时间是660s。此时刻下Z=1.135m平面（人员静坐时的呼吸高度）的速度场、温度场、CO2浓度场分布如图2、图3所示。

图2 Z=1.135m平面流线与速度分布

图3 Z=1.135m平面温度场和浓度场分布

从图2和图3看出：呼吸区域空气流速基本在0.1～0.3m/s之间，除了南外墙附近、人和电脑周围的温度比较高外，呼吸平面的温度分布在24～25℃之间。模拟计算表明：CO2浓度分布具有明显的疏密特点，远离人员呼吸区域的CO2浓度不高，其ppm数值都分布在860～950之间，呼吸区域CO2浓度在980～1220ppm之间。对比图3（b）和图2（a）可以看出，平面流线对CO2浓度分布影响较大，这是因为室内CO2做跟随运动。从图3看出温度场对CO2场分布影响不大，这是因为呼吸平面温度差太小，密度差不大对CO2浓度分布影响就小。

数值模拟计算还可以得到室内CO2浓度平均值，0～660s过程中室内的CO2浓度平均值列于表2。

表2 室内CO2浓度平均值(ppm)

3 模拟计算值与监测数据值对比

本文的研究案例还对室内CO2浓度进行了实际监测。根据气体检测时污染物采样点的要求[10]并结合计算机房室内情况，在Z=1.135m呼吸平面上布置两个CO2监测点如图4所示。每间距180秒对A、B点采集一组CO2浓度数据。

图4 CO2浓度监测点

监测数据、模拟计算值和室内模拟平均值的对比情况如图5所示。由图5可以看出A、B两测点的监测数据均比模拟值小，这是因为测量过程中门窗封闭不是很严密，再加上测量仪器的延迟性以及室内人员流动等等因素影响，使得对应时间下模拟计算值比监测数据大。但室内模拟平均值与监测数据的增长趋势是一致的。另外，A、B两点模拟计算值均在室内模拟平均值附近波动，说明该值可以作为实时观察值监视室内CO2浓度变化情况。对比模拟计算值与监测数据值可知，采用室内模拟平均值作为室内CO2浓度的预警值，具有一定的安全裕量。

图5 14人时A、B两点CO2浓度数据

4 CO2浓度预警时间

图6 室内不同人数的预警时间

图7 室内密闭情况人均占有体积预警时间

为了确定这类房间置换通风的间隔时间，引用人均占有体积为自变量来描述房间里的人员密度影响因素，用本研究案例数据拟合得到预警时间与之间函数表达式

式（2）中：为预警时间，s；为人均占有体积，m3/人。

公式（2）与计算点的数据相关系数为R=0.99993，表明数据拟合相关程度很好，如图7所示。可以看出，对于这类的密闭空间，人均占有体积与预警时间呈线性关系。

5 结论

（1）夏季密闭计算机房室内CO2浓度分布与室内流场有关，温度场对其影响不大。

（3）公式（2）可以用来预测这类房间中达到CO2浓度900ppm需要的时间，适时置换通风或开启门窗，对保障室内人员卫生、健康、舒适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)