室內(nèi)污染物濃度與空調(diào)系統(tǒng)仿真分析

李璟

隨著生活條件以及工作環(huán)境的改善，人們越來越多的時(shí)間是在電影院、室內(nèi)樂園、辦公室等相對封閉室內(nèi)場所度過，良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)對人們的身體健康非常重要。通常，造成室內(nèi)污染的因素很多也很復(fù)雜，一方面室內(nèi)污染物來源于室外大氣污染，借助通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)換氣或門窗縫隙滲透進(jìn)入室內(nèi);另一方面由于有些房間沒有新風(fēng)引入或引入量不足，造成室內(nèi)污染源以及室內(nèi)散發(fā)污染物累積，成為室內(nèi)污染的主要因素之一。

一、室內(nèi)空氣品質(zhì)與《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》

室內(nèi)空氣品質(zhì)評價(jià)一般采用量化檢測和主觀調(diào)查結(jié)合的方法進(jìn)行。2002年12月18日，由國家質(zhì)檢總局、環(huán)保局、衛(wèi)生部聯(lián)合制定并發(fā)布了我國第一部《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》。它是客觀評價(jià)室內(nèi)空氣品質(zhì)的主要依據(jù)。其中CO2濃度是反映空氣質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，常用來表征室內(nèi)新鮮空氣多少或通風(fēng)程度強(qiáng)弱，同時(shí)也間接地反映了室內(nèi)可能存在的其他有毒有害污染物的聚集濃度水平。根據(jù)《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，二氧化碳日平均濃度值應(yīng)不大于1000PPM。在通風(fēng)不良及人員密集場所CO2容易產(chǎn)生濃度超標(biāo)，長時(shí)間處于超標(biāo)環(huán)境，人體內(nèi)電解質(zhì)平衡遭到破壞，引起血液酸中毒，CO2濃度過高將會導(dǎo)致頭疼、疲勞、眼鼻和呼吸道等病癥。

對于人員密度較大的場所，如電影院、室內(nèi)樂園、教室、商場等，CO2濃度常有超標(biāo)，對人們的身體健康造成不良影響，尤其在門窗緊閉、通風(fēng)不佳時(shí)，這種可能性更大。因此，有必要對上述場所CO2濃度進(jìn)行分析，研究有無空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)CO2濃度隨時(shí)間和室內(nèi)人數(shù)變化的情況，并計(jì)算出最小新風(fēng)量，在保證室內(nèi)CO2濃度不超標(biāo)的情況下，減小空調(diào)機(jī)組能耗達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

二、室內(nèi)空氣污染的數(shù)學(xué)物理模型

1. CO2質(zhì)量平衡方程式。

通過室內(nèi)空氣污染質(zhì)量守恒定律來建立數(shù)學(xué)模型：單位時(shí)間進(jìn)入室內(nèi)的污染物減去單位時(shí)間內(nèi)流出的污染物等于室內(nèi)污染物的變化率。如圖1所示：

由此得到如下關(guān)系式：

式中：Q為通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量，m3/h;q表示滲透風(fēng)量，m3/h;C0是指新風(fēng)中污染物濃度;Ci為室內(nèi)空氣污染物濃度;V為房間體積，m3;S為室內(nèi)空氣污染物散發(fā)率，m3/h;R為室內(nèi)污染物的沉降率，m3/h;k是混合系數(shù)。

為了簡化起見，室內(nèi)主要污染物只有CO2且分布均勻。根據(jù)質(zhì)量守恒定律，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入會議室的CO2減去單位時(shí)間內(nèi)排出室內(nèi)的CO2等于室內(nèi)CO2的變化率。其中，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入室內(nèi)的CO2包括：室外新風(fēng)引入的CO2、室內(nèi)人員新陳代謝釋放的CO2;單位時(shí)間內(nèi)從室內(nèi)排出的CO2包括：排風(fēng)帶走的CO2以及門、窗等漏風(fēng)帶走的CO2，門、窗漏風(fēng)帶走的CO2與排風(fēng)帶走的CO2相比，可以忽略不計(jì)。由于要保持室內(nèi)空氣量不變，因此新風(fēng)量等于排風(fēng)量。由（1）簡化得到CO2質(zhì)量平衡方程式：

2.無空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

在無空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)Q=0，約束條件為t=0時(shí)，室內(nèi)二氧化碳濃度C=C0，

則求解（2）得到：室內(nèi)二氧化碳濃度表達(dá)式為： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

有空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，此時(shí)新風(fēng)量Q≠0，約束條件為t=0時(shí)，室內(nèi)二氧化碳濃度C=C0，則求解（2）得到：室內(nèi)二氧化碳濃度表達(dá)式為：

對于門窗打開時(shí)，Q與經(jīng)過門窗交換風(fēng)量有關(guān)，而此交換風(fēng)量受到外界環(huán)境影響較大如室內(nèi)外溫差、室外風(fēng)量、門窗面積等，也就是說此時(shí)Q不確定，本文暫不研究此類情況時(shí)室內(nèi)CO2濃度的變化。而應(yīng)用空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在足夠長的時(shí)間有t→∞時(shí)，CO2濃度達(dá)到最大值Cmax，則有：

三、實(shí)例分析

例如，以一個(gè)體積為V=52.5m3的房間作為實(shí)例進(jìn)行仿真分析，室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)允許值為Cmax=1000PPM，室外新風(fēng)CO2體積分?jǐn)?shù)為C0=380PPM，新風(fēng)量等于排風(fēng)量;室內(nèi)主要是成年人，平均人體功率取1.4MET（梅脫），則室內(nèi)人體CO2涌出率為0.01966m3/（h·人），室內(nèi)CO2散發(fā)率S=0.01966nm3/h，n為室內(nèi)人數(shù)。

由控制方程（2）變?yōu)椋?/p>

1.無空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)將參數(shù)代入（3）中，可得：

通過仿真無空調(diào)系統(tǒng)時(shí)室內(nèi)二氧化碳濃度隨時(shí)間變化曲線如圖2，可知隨著室內(nèi)人數(shù)的增加，室內(nèi)二氧化碳濃度達(dá)到允許值1000PPM的時(shí)間越短，這與定性分析的結(jié)果相同。

可見，對于無空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的封閉空間，室內(nèi)二氧化碳濃度在很短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到最大允許值，人員會感到不適，如本實(shí)例下表1所示：中室內(nèi)人數(shù)達(dá)到10人時(shí)，人均面積為1.875m2，大約10分鐘室內(nèi)CO2濃度就超標(biāo)。

2.有定風(fēng)量（CAV）空調(diào)系統(tǒng)時(shí)將各參數(shù)代入（4）中，可得：

每人每小時(shí)所需最小新風(fēng)量為：

假如采用CAV空調(diào)系統(tǒng)，其新風(fēng)量將以設(shè)定的人數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算，且在人進(jìn)入室內(nèi)就啟動開空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，每人每小時(shí)所需風(fēng)量按國標(biāo)規(guī)定取32m3，則本文? 中n人的會議室設(shè)定新風(fēng)量Q即為：? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 因此可以求得室內(nèi)CO2濃度與人數(shù)n/人和時(shí)間t/s的關(guān)系如下：

通過仿真有CAV空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)室內(nèi)二氧化碳濃度隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，可知隨著室內(nèi)人數(shù)的增加，CO2濃度濃度增長越快，這與定性分析的結(jié)果相同;從圖3也可以看出來室內(nèi)CO2濃度最終保持在994.4PPM，符合要求。

可見，對于有空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的封閉空間，室內(nèi)二氧化碳濃度達(dá)到最大允許值的時(shí)間變長，如本實(shí)例中室內(nèi)人數(shù)達(dá)到10人時(shí)，大約46分鐘（2774.885）室內(nèi)CO2濃度才達(dá)到最大值994.4PPM。同時(shí)由文獻(xiàn)知，由于室內(nèi)人員密度大，IAQ很容易惡化，因此根據(jù)本房間特點(diǎn)，人數(shù)最多為10人，采用最大能夠提供每小時(shí)7次換氣次數(shù)的空調(diào)機(jī)組為室內(nèi)提供新風(fēng)。

3.有無空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)CO2濃度比較。

從表2可以看出來，有空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)，室內(nèi)CO2濃度達(dá)到允許值1000PPM的時(shí)間延長了3.656倍，因此對于封閉空間，必須有空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)來保證室內(nèi)新風(fēng)量，確保CO2濃度不超標(biāo)，維持室內(nèi)空氣質(zhì)量。

四、結(jié)論

通過上述研究可以得到如下結(jié)論，在人員密度較大的室內(nèi)場合，無空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)時(shí)隨著室內(nèi)人數(shù)增加CO2體積濃度增長很快，在很短時(shí)間內(nèi)就達(dá)到最大允許值1000PPM;而有CAV空調(diào)系統(tǒng)時(shí)雖然隨著室內(nèi)人數(shù)增加CO2體積濃度相對增長緩慢，且達(dá)到CO2體積濃度最大值Cmax小于1000PPM的時(shí)間延長。本文仿真中時(shí)間延長了3.656倍;所以在保證空氣品質(zhì)的情況下，計(jì)算空調(diào)系統(tǒng)的最小新風(fēng)量，以減少空調(diào)機(jī)組的能耗，從而為企業(yè)提升經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。文中給出了CAV空調(diào)系統(tǒng)最小新風(fēng)量的計(jì)算過程，本文實(shí)例人均最小風(fēng)量取32m3/h符合國標(biāo)規(guī)定?？傊?，對于人員密度較大的室內(nèi)場合必須有空調(diào)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，通過控制新風(fēng)量來調(diào)節(jié)CO2濃度，維持室內(nèi)空氣質(zhì)量并兼顧考慮企業(yè)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。