办公房间内CO2分布的模拟分析

岳恒刚 邓志辉

办公房间内CO2分布的模拟分析

岳恒刚 邓志辉

（西南交通大学机械工程学院 成都 610031）

对于空调房间，通过分析送风中CO2的来源，考虑了回风的影响，结合质量平衡方程，确定了送风中CO2的浓度。同时利用Fluent软件，建立办公房间的三维模型，模拟分析了房间CO2浓度的分布。并且在此基础上详细模拟分析了在不同的新风量及不同的新风中CO2浓度对室内CO2分布的影响。结果表明，新风对房间内的CO2有着很好的稀释效果，但为满足相关规范要求，保证室内人员有一个健康舒适的工作生活环境，空调房间供给的新风量不能过小。

数值模拟；新风；回风；CO2浓度

0 引言

现今人们的大多数生活活动都是在室内完成的，室内的空气品质影响着人们的工作效率，体感舒适度乃至于身体健康。为此房间内通常利用空调系统对室内空气进行调节，而空调系统引入的室外新风是保障良好的室内空气品质的关键所在。在一般的住宅及办公场所，二氧化碳往往是主要的污染物，因此二氧化碳浓度常被当作描述室内空气品质的指标之一[1]，相关规范中规定室内二氧化碳浓度要小于0.1%[2]，即1000ppm，当浓度超过这个值，会使大多数人感觉到不适[3]。为使得室内人员的身体健康及正常工作得到保证，有必要对房间内二氧化碳浓度及其分布进行控制。

近年来，计算流体力学（Computational fluid dynamics，CFD）在模拟预测室内空气分布日趋成熟，由于其成本低、周期短等优点，也越来越受到重视。本文将采用CFD软件模拟空调侧送风的办公环境下的室内CO2浓度分布，并分析新风对室内环境产生的影响。

1 模型建立

1.1 物理模型

本文所研究的房间原型来源于成都市某单位一办公室，房间尺寸为5m×4m×3m。室内设计温度27℃，室内人员有两人，人员简化为两个长方体，尺寸为0.4m×0.4m×1.2m。房间维护结构、人员、设备产生负荷计算为1050W，空调的送风形式为侧送风。

图1 房间模型及网格

1.2 数学模型及边界条件

文章采用Fluent软件进行模拟，计算基于标准-湍流模型，并采用多重组分（Species）模型中无化学反应的Species Transport模型进行房间内的CO2浓度分布模拟[6,7]。选取送风温差为7℃，计算送风量为0.0929m³/s，模拟中空气用不可压缩流体描述[8]。

空调房间内二氧化碳的一般是由新风送进来的和室内人员呼吸产生的。正常情况下室外新风中二氧化碳的含量为300～400ppm[4]；而人员呼吸产生的二氧化碳浓度与人员的活动强度有关，具体如表1[5]所示。

表1 人体的CO2呼出量

依据表1，确定办公室人员活动强度为极轻，人员呼吸产生CO2的强度为0.0173m³/(h·p)，在模型中散发位置在长方体上的1.1m～1.2m高度范围内。

根据质量守恒，达到稳态时伴随送风进入房间内的CO2，加上室内人员产生的CO2就等于从房间出口排出去的CO2。同时考虑，日常条件下，空气中二氧化碳含量都很低，一般体积分数都会低于百万分之一，所以考虑忽略新风、排风以及送风中二氧化碳浓度差造成的气体密度差异，认为三者密度相同，则：

式中，C为送风中CO2体积浓度，ppm；V为送风量，m3/s；C为出风口处CO2体积浓度，ppm；V为出风口排出风量，m3/s；为气体CO2的密度，kg/m3。

而且，送风中CO2浓度是由新风与回风混合得到的：

其中，V为回风量，m3/s；0为新风量，m3/s；0为新风中CO2体积浓度，ppm。

根据送风的质量平衡，可以得到：

因为V=V，所以联立式（1）-（3）会有：

式中，c代表的是新风比：

根据前面边界条件的描述，在0与0确定后，就能够确定C，得到送风中污染物浓度，由此确定模拟中的边界条件。

2 模拟结果及分析

为得到室内CO2浓度分布状况，文章首先采用新风量为30m3/(p·h)，新风中CO2浓度0=350ppm进行模拟。

图2 y=2m平面速度及CO2浓度分布图

如图=2m处截面是一个经过送风口与回风口中心的平面。送风射流自送风口送出后，在靠近屋顶（吊顶）处形成了贴附射流。送风自送风口送出后不断卷吸射流的周围空气，使得射流区域沿程不断增加，使得房间里的空气得到了很好的混合，同时在下部的区域形成气流回流，带动室内空气向房间后部运动。对于CO2浓度分布云图，结合同一平面处的速度分布做对比，分析可知，CO2的扩散与房间内的气流运动有着很好的跟随性。为准确了解CO2在房间内的扩散，将通过数据统计进一步分析CO2在空间的分布情况。

高度方向上，在高度方向上CO2浓度呈现单峰状，在房间的下部以及房间上部CO2浓度较低，在房间中部偏下的位置上浓度较高。房间上部气流以送风为主，送风中CO2浓度偏低，所以房间上部CO2浓度较低；下部是送风引起的气流回流，带动房间空气向上部运动，人员呼吸产生的CO2无法堆积在下部，所以下部的CO2浓度也比较低；在房间的=0.9～1.6m区域内，室内散发源位于此处，另外送风及房间回流也使得CO2无法积聚在这个范围内，所以这个区域内的CO2浓度较高，在=1.2m处CO2浓度达到峰值892ppm。

在房间进深的方向上，送风气流中CO2浓度低，气流自送风口送出，沿墙壁向下运动，在房间下部产生回流，带动人员呼吸产生的CO2向房间后部运动，同时房间上部的空气射流与下部的回流在房间中后部区域产生气流旋涡，旋涡区域内CO2与空气混合较为充分，使得该区域内CO2浓度高而且分布均匀，在=2.2m平面上CO2浓度值达到899.2ppm；房间前部还是以送风气流为主，CO2浓度较低。

在房间宽度方向上，CO2浓度分布出现两个峰值，在=0～2.0m范围内，CO2浓度由874ppm迅速升高到887.5ppm（该峰值出现在=0.9m平面上），然后又迅速降到873.4ppm；在=2.0～4m，CO2浓度同样是迅速升高至887.1ppm（该峰值出现在=3.1m平面上）又迅速回落。这种分布形态应该是受房间内人员分布影响产生的，室内散发源呈对称分布，所以CO2浓度也呈现出对称分布，且在靠近散发源处CO2浓度高。

3 新风对室内CO2分布的影响

新风对于室内CO2浓度分布起着重要的控制作用，文章将进一步从新风中不同CO2浓度含量及不同新风量这两个方面着手分析新风对室内CO2浓度分布的影响。在前面已经分析了CO2在房间分布的整体情况，为体现新风作用效果及CO2浓度分布对人员健康的影响，取离墙600mm，离地75～1800mm的呼吸区[9]的CO2平均浓度进行分析。

图4（a）是采用新风量为30m3/(p·h)，室外空气中CO2浓度分别取300ppm、325ppm、350ppm、375ppm、400ppm等几组数据对房间内的CO2浓度进行的模拟。由图可知，伴随着室外空气中CO2浓度的增加，在新风量一定的情况下呼吸区的CO2平均浓度呈现明显的上升趋势，室外空气中CO2浓度由300ppm上升到400ppm时，呼吸区的CO2平均浓度也由844.5ppm上升到940.7ppm。当新风量一定时，不同的室外空气中CO2含量，引起的呼吸区的CO2平均浓度差异最大可达到约100ppm，所以洁净新风的作用是不可忽略的。

图4（b）是模拟新风量为20m3/(p·h)、30m3/(p·h)、40m3/(p·h)、50m3/(p·h)时，保持新风中CO2浓度为350ppm，得到的房间呼吸区的CO2平均浓度的分布。由图可知，在常用的新风量范围内，伴随着送风中新风量的增加，呼吸区的CO2平均浓度逐渐降低，在新风量由20m3/(p·h)上升到50 m3/(p·h)，呼吸区的CO2平均浓度由1169.9ppm下降到671.3ppm；同时我们也注意到，在新风量较少时，呼吸区的CO2平均浓度已经超出了国家《室内空气质量标准》要求的1000ppm了。因此，为满足国家规范要求，房间通风的最小新风量需受到控制。

为了满足规范要求，考虑室外空气中CO2浓度的变化，在前面模拟的基础上进一步计算模拟得到当呼吸区的CO2平均浓度达到1000ppm时，对应于不同的室外CO2浓度所需新风量如表2所示。

表2 满足规范要求的最小新风量

由表2分析可知，为满足国家标准要求，当室外CO2浓度越高，所需新风量也越大，所以尽管室外的CO2是室内的CO2来源之一，但在一般的室外CO2浓度变化范围内，新风在房间送风中仍是扮演着稀释净化房间CO2污染物的角色。

4 结论

本文全面考虑送风中CO2的来源，并确定了送风中CO2浓度表达式，利用数值模拟方法，模拟得到了房间内CO2的分布状况。根据模拟结果，房间内CO2浓度的分布与房间内的气流运动有着很好的跟随性。同时CO2是的分布于室内散发源分布有很大的关系；新风能很好地稀释房间的气体污染物。增大新风量，能显著降低房间内的CO2浓度；但新风中CO2浓度增大，会导致房间中CO2浓度升高；所以空调系统取新风点应考虑选取在空气质量好的环境内；整体比较可知新风在房间送风中仍是扮演着稀释净化房间气体污染物的角色；同时为保证室内人员有好的工作生活环境，空调系统的新风量不宜取得过小，基于此模型的房间，新风量最好大于27.2m3/(p·h)。本文所采用的模拟方法适的用于模拟其他类型房间以及室内其他气态污染物。

[1] 陆亚俊,马最良,邹平华.暖通空调[M].北京:中国建筑工业出版社,2015.

[2] GB/T 18883—2002,室内空气质量标准[S].北京:中国标准出版社,2002.

[3] 张军甫.办公建筑室内空气品质测试与气流组织分析[D].西安:西安建筑科技大学,2012.

[4] 李金华.置换通风条件下室内空气品质研究[J].洁净与空调技术,2005,(2):5-8.

[5] 金朝芬,朱颖心.建筑环境学[M].北京:中国建筑工业出版社,2001.

[6] 朴文龙.不同通风方式下办公建筑室内苯浓度的数值模拟[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2007.

[7] 唐家鹏.ANSYS FLUENT 16.0 超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社,2016.

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[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

岳恒刚（1992-），男，在读研究生，E-mail：swjtu_hgy@163.com

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

2018-08-27