辦公房間內(nèi)CO2分布的模擬分析

岳恒剛 鄧志輝

辦公房間內(nèi)CO2分布的模擬分析

岳恒剛 鄧志輝

（西南交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 成都 610031）

對(duì)于空調(diào)房間，通過(guò)分析送風(fēng)中CO2的來(lái)源，考慮了回風(fēng)的影響，結(jié)合質(zhì)量平衡方程，確定了送風(fēng)中CO2的濃度。同時(shí)利用Fluent軟件，建立辦公房間的三維模型，模擬分析了房間CO2濃度的分布。并且在此基礎(chǔ)上詳細(xì)模擬分析了在不同的新風(fēng)量及不同的新風(fēng)中CO2濃度對(duì)室內(nèi)CO2分布的影響。結(jié)果表明，新風(fēng)對(duì)房間內(nèi)的CO2有著很好的稀釋效果，但為滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范要求，保證室內(nèi)人員有一個(gè)健康舒適的工作生活環(huán)境，空調(diào)房間供給的新風(fēng)量不能過(guò)小。

數(shù)值模擬；新風(fēng)；回風(fēng)；CO2濃度

0 引言

現(xiàn)今人們的大多數(shù)生活活動(dòng)都是在室內(nèi)完成的，室內(nèi)的空氣品質(zhì)影響著人們的工作效率，體感舒適度乃至于身體健康。為此房間內(nèi)通常利用空調(diào)系統(tǒng)對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)，而空調(diào)系統(tǒng)引入的室外新風(fēng)是保障良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)的關(guān)鍵所在。在一般的住宅及辦公場(chǎng)所，二氧化碳往往是主要的污染物，因此二氧化碳濃度常被當(dāng)作描述室內(nèi)空氣品質(zhì)的指標(biāo)之一[1]，相關(guān)規(guī)范中規(guī)定室內(nèi)二氧化碳濃度要小于0.1%[2]，即1000ppm，當(dāng)濃度超過(guò)這個(gè)值，會(huì)使大多數(shù)人感覺(jué)到不適[3]。為使得室內(nèi)人員的身體健康及正常工作得到保證，有必要對(duì)房間內(nèi)二氧化碳濃度及其分布進(jìn)行控制。

近年來(lái)，計(jì)算流體力學(xué)（Computational fluid dynamics，CFD）在模擬預(yù)測(cè)室內(nèi)空氣分布日趨成熟，由于其成本低、周期短等優(yōu)點(diǎn)，也越來(lái)越受到重視。本文將采用CFD軟件模擬空調(diào)側(cè)送風(fēng)的辦公環(huán)境下的室內(nèi)CO2濃度分布，并分析新風(fēng)對(duì)室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生的影響。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文所研究的房間原型來(lái)源于成都市某單位一辦公室，房間尺寸為5m×4m×3m。室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度27℃，室內(nèi)人員有兩人，人員簡(jiǎn)化為兩個(gè)長(zhǎng)方體，尺寸為0.4m×0.4m×1.2m。房間維護(hù)結(jié)構(gòu)、人員、設(shè)備產(chǎn)生負(fù)荷計(jì)算為1050W，空調(diào)的送風(fēng)形式為側(cè)送風(fēng)。

圖1 房間模型及網(wǎng)格

1.2 數(shù)學(xué)模型及邊界條件

文章采用Fluent軟件進(jìn)行模擬，計(jì)算基于標(biāo)準(zhǔn)-湍流模型，并采用多重組分（Species）模型中無(wú)化學(xué)反應(yīng)的Species Transport模型進(jìn)行房間內(nèi)的CO2濃度分布模擬[6,7]。選取送風(fēng)溫差為7℃，計(jì)算送風(fēng)量為0.0929m3/s，模擬中空氣用不可壓縮流體描述[8]。

空調(diào)房間內(nèi)二氧化碳的一般是由新風(fēng)送進(jìn)來(lái)的和室內(nèi)人員呼吸產(chǎn)生的。正常情況下室外新風(fēng)中二氧化碳的含量為300～400ppm[4]；而人員呼吸產(chǎn)生的二氧化碳濃度與人員的活動(dòng)強(qiáng)度有關(guān)，具體如表1[5]所示。

表1 人體的CO2呼出量

依據(jù)表1，確定辦公室人員活動(dòng)強(qiáng)度為極輕，人員呼吸產(chǎn)生CO2的強(qiáng)度為0.0173m3/(h·p)，在模型中散發(fā)位置在長(zhǎng)方體上的1.1m～1.2m高度范圍內(nèi)。

根據(jù)質(zhì)量守恒，達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)伴隨送風(fēng)進(jìn)入房間內(nèi)的CO2，加上室內(nèi)人員產(chǎn)生的CO2就等于從房間出口排出去的CO2。同時(shí)考慮，日常條件下，空氣中二氧化碳含量都很低，一般體積分?jǐn)?shù)都會(huì)低于百萬(wàn)分之一，所以考慮忽略新風(fēng)、排風(fēng)以及送風(fēng)中二氧化碳濃度差造成的氣體密度差異，認(rèn)為三者密度相同，則：

式中，C為送風(fēng)中CO2體積濃度，ppm；V為送風(fēng)量，m3/s；C為出風(fēng)口處CO2體積濃度，ppm；V為出風(fēng)口排出風(fēng)量，m3/s；為氣體CO2的密度，kg/m3。

而且，送風(fēng)中CO2濃度是由新風(fēng)與回風(fēng)混合得到的：

其中，V為回風(fēng)量，m3/s；0為新風(fēng)量，m3/s；0為新風(fēng)中CO2體積濃度，ppm。

根據(jù)送風(fēng)的質(zhì)量平衡，可以得到：

因?yàn)?i>V=V，所以聯(lián)立式（1）-（3）會(huì)有：

式中，c代表的是新風(fēng)比：

根據(jù)前面邊界條件的描述，在0與0確定后，就能夠確定C，得到送風(fēng)中污染物濃度，由此確定模擬中的邊界條件。

2 模擬結(jié)果及分析

為得到室內(nèi)CO2濃度分布狀況，文章首先采用新風(fēng)量為30m3/(p·h)，新風(fēng)中CO2濃度0=350ppm進(jìn)行模擬。

圖2 y=2m平面速度及CO2濃度分布圖

如圖=2m處截面是一個(gè)經(jīng)過(guò)送風(fēng)口與回風(fēng)口中心的平面。送風(fēng)射流自送風(fēng)口送出后，在靠近屋頂（吊頂）處形成了貼附射流。送風(fēng)自送風(fēng)口送出后不斷卷吸射流的周?chē)諝?，使得射流區(qū)域沿程不斷增加，使得房間里的空氣得到了很好的混合，同時(shí)在下部的區(qū)域形成氣流回流，帶動(dòng)室內(nèi)空氣向房間后部運(yùn)動(dòng)。對(duì)于CO2濃度分布云圖，結(jié)合同一平面處的速度分布做對(duì)比，分析可知，CO2的擴(kuò)散與房間內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)有著很好的跟隨性。為準(zhǔn)確了解CO2在房間內(nèi)的擴(kuò)散，將通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)進(jìn)一步分析CO2在空間的分布情況。

高度方向上，在高度方向上CO2濃度呈現(xiàn)單峰狀，在房間的下部以及房間上部CO2濃度較低，在房間中部偏下的位置上濃度較高。房間上部氣流以送風(fēng)為主，送風(fēng)中CO2濃度偏低，所以房間上部CO2濃度較低；下部是送風(fēng)引起的氣流回流，帶動(dòng)房間空氣向上部運(yùn)動(dòng)，人員呼吸產(chǎn)生的CO2無(wú)法堆積在下部，所以下部的CO2濃度也比較低；在房間的=0.9～1.6m區(qū)域內(nèi)，室內(nèi)散發(fā)源位于此處，另外送風(fēng)及房間回流也使得CO2無(wú)法積聚在這個(gè)范圍內(nèi)，所以這個(gè)區(qū)域內(nèi)的CO2濃度較高，在=1.2m處CO2濃度達(dá)到峰值892ppm。

在房間進(jìn)深的方向上，送風(fēng)氣流中CO2濃度低，氣流自送風(fēng)口送出，沿墻壁向下運(yùn)動(dòng)，在房間下部產(chǎn)生回流，帶動(dòng)人員呼吸產(chǎn)生的CO2向房間后部運(yùn)動(dòng)，同時(shí)房間上部的空氣射流與下部的回流在房間中后部區(qū)域產(chǎn)生氣流旋渦，旋渦區(qū)域內(nèi)CO2與空氣混合較為充分，使得該區(qū)域內(nèi)CO2濃度高而且分布均勻，在=2.2m平面上CO2濃度值達(dá)到899.2ppm；房間前部還是以送風(fēng)氣流為主，CO2濃度較低。

在房間寬度方向上，CO2濃度分布出現(xiàn)兩個(gè)峰值，在=0～2.0m范圍內(nèi)，CO2濃度由874ppm迅速升高到887.5ppm（該峰值出現(xiàn)在=0.9m平面上），然后又迅速降到873.4ppm；在=2.0～4m，CO2濃度同樣是迅速升高至887.1ppm（該峰值出現(xiàn)在=3.1m平面上）又迅速回落。這種分布形態(tài)應(yīng)該是受房間內(nèi)人員分布影響產(chǎn)生的，室內(nèi)散發(fā)源呈對(duì)稱(chēng)分布，所以CO2濃度也呈現(xiàn)出對(duì)稱(chēng)分布，且在靠近散發(fā)源處CO2濃度高。

3 新風(fēng)對(duì)室內(nèi)CO2分布的影響

新風(fēng)對(duì)于室內(nèi)CO2濃度分布起著重要的控制作用，文章將進(jìn)一步從新風(fēng)中不同CO2濃度含量及不同新風(fēng)量這兩個(gè)方面著手分析新風(fēng)對(duì)室內(nèi)CO2濃度分布的影響。在前面已經(jīng)分析了CO2在房間分布的整體情況，為體現(xiàn)新風(fēng)作用效果及CO2濃度分布對(duì)人員健康的影響，取離墻600mm，離地75～1800mm的呼吸區(qū)[9]的CO2平均濃度進(jìn)行分析。

圖4（a）是采用新風(fēng)量為30m3/(p·h)，室外空氣中CO2濃度分別取300ppm、325ppm、350ppm、375ppm、400ppm等幾組數(shù)據(jù)對(duì)房間內(nèi)的CO2濃度進(jìn)行的模擬。由圖可知，伴隨著室外空氣中CO2濃度的增加，在新風(fēng)量一定的情況下呼吸區(qū)的CO2平均濃度呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，室外空氣中CO2濃度由300ppm上升到400ppm時(shí)，呼吸區(qū)的CO2平均濃度也由844.5ppm上升到940.7ppm。當(dāng)新風(fēng)量一定時(shí)，不同的室外空氣中CO2含量，引起的呼吸區(qū)的CO2平均濃度差異最大可達(dá)到約100ppm，所以潔凈新風(fēng)的作用是不可忽略的。

圖4（b）是模擬新風(fēng)量為20m3/(p·h)、30m3/(p·h)、40m3/(p·h)、50m3/(p·h)時(shí)，保持新風(fēng)中CO2濃度為350ppm，得到的房間呼吸區(qū)的CO2平均濃度的分布。由圖可知，在常用的新風(fēng)量范圍內(nèi)，伴隨著送風(fēng)中新風(fēng)量的增加，呼吸區(qū)的CO2平均濃度逐漸降低，在新風(fēng)量由20m3/(p·h)上升到50 m3/(p·h)，呼吸區(qū)的CO2平均濃度由1169.9ppm下降到671.3ppm；同時(shí)我們也注意到，在新風(fēng)量較少時(shí)，呼吸區(qū)的CO2平均濃度已經(jīng)超出了國(guó)家《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》要求的1000ppm了。因此，為滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)范要求，房間通風(fēng)的最小新風(fēng)量需受到控制。

為了滿(mǎn)足規(guī)范要求，考慮室外空氣中CO2濃度的變化，在前面模擬的基礎(chǔ)上進(jìn)一步計(jì)算模擬得到當(dāng)呼吸區(qū)的CO2平均濃度達(dá)到1000ppm時(shí)，對(duì)應(yīng)于不同的室外CO2濃度所需新風(fēng)量如表2所示。

表2 滿(mǎn)足規(guī)范要求的最小新風(fēng)量

由表2分析可知，為滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)室外CO2濃度越高，所需新風(fēng)量也越大，所以盡管室外的CO2是室內(nèi)的CO2來(lái)源之一，但在一般的室外CO2濃度變化范圍內(nèi)，新風(fēng)在房間送風(fēng)中仍是扮演著稀釋凈化房間CO2污染物的角色。

4 結(jié)論

本文全面考慮送風(fēng)中CO2的來(lái)源，并確定了送風(fēng)中CO2濃度表達(dá)式，利用數(shù)值模擬方法，模擬得到了房間內(nèi)CO2的分布狀況。根據(jù)模擬結(jié)果，房間內(nèi)CO2濃度的分布與房間內(nèi)的氣流運(yùn)動(dòng)有著很好的跟隨性。同時(shí)CO2是的分布于室內(nèi)散發(fā)源分布有很大的關(guān)系；新風(fēng)能很好地稀釋房間的氣體污染物。增大新風(fēng)量，能顯著降低房間內(nèi)的CO2濃度；但新風(fēng)中CO2濃度增大，會(huì)導(dǎo)致房間中CO2濃度升高；所以空調(diào)系統(tǒng)取新風(fēng)點(diǎn)應(yīng)考慮選取在空氣質(zhì)量好的環(huán)境內(nèi)；整體比較可知新風(fēng)在房間送風(fēng)中仍是扮演著稀釋凈化房間氣體污染物的角色；同時(shí)為保證室內(nèi)人員有好的工作生活環(huán)境，空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量不宜取得過(guò)小，基于此模型的房間，新風(fēng)量最好大于27.2m3/(p·h)。本文所采用的模擬方法適的用于模擬其他類(lèi)型房間以及室內(nèi)其他氣態(tài)污染物。

[1] 陸亞俊,馬最良,鄒平華.暖通空調(diào)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2015.

[2] GB/T 18883—2002,室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002.

[3] 張軍甫.辦公建筑室內(nèi)空氣品質(zhì)測(cè)試與氣流組織分析[D].西安:西安建筑科技大學(xué),2012.

[4] 李金華.置換通風(fēng)條件下室內(nèi)空氣品質(zhì)研究[J].潔凈與空調(diào)技術(shù),2005,(2):5-8.

[5] 金朝芬,朱穎心.建筑環(huán)境學(xué)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001.

[6] 樸文龍.不同通風(fēng)方式下辦公建筑室內(nèi)苯濃度的數(shù)值模擬[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2007.

[7] 唐家鵬.ANSYS FLUENT 16.0 超級(jí)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2016.

[8] 田柳,盧軍,呂懌非,等.不同送回風(fēng)方式對(duì)主動(dòng)式置換通風(fēng)住宅室內(nèi)環(huán)境的影響[J].制冷與空調(diào),2018,32(3): 256-265.

[9] ASHRAE Handbook. Heating Ventilating and Air Conditioning Systems and Applicstion[M]. Atlanta: ASHRAE, Inc. 1987.

Simulation and Analysis of CO2Distribution in an Office Room

Yue Henggang Deng Zhihui

( Mechanical Engineering College of Southwest Jiao Tong University, Chengdu, 610031 )

for the air-conditioning room, the concentration of CO2in the air supply was determined by analyzing the source of CO2in the air supply, and considering the effect of return air, and utilizing mass balance equation and . and the paper also simulated the distribution of CO2by using the software of Fluent and building a three-dimensional model of an office. And based on the above, the paper simulated the impact of different outdoor air rates and different CO2concentrations of outdoor air on indoor CO2concentration. The results show that outdoor air is important for diluting CO2in the room, but in order to meet the relative specifications and ensure that indoor workers have a healthy and comfortable working environment, the air conditioning room can't have a small supply of outdoor air.

numerical simulation; outdoor air; return air; CO2concentration

TM172

A

1671-6612（2019）04-444-5

岳恒剛（1992-），男，在讀研究生，E-mail：swjtu_hgy@163.com

鄧志輝（1962-），男，副教授，E-mail：DZHWKL007@163.com

2018-08-27