室内污染物浓度与空调系统仿真分析

李璟

随着生活条件以及工作环境的改善，人们越来越多的时间是在电影院、室内乐园、办公室等相对封闭室内场所度过，良好的室内空气品质对人们的身体健康非常重要。通常，造成室内污染的因素很多也很复杂，一方面室内污染物来源于室外大气污染，借助通风空调系统的新风换气或门窗缝隙渗透进入室内;另一方面由于有些房间没有新风引入或引入量不足，造成室内污染源以及室内散发污染物累积，成为室内污染的主要因素之一。

一、室内空气品质与《室内空气质量标准》

室内空气品质评价一般采用量化检测和主观调查结合的方法进行。2002年12月18日，由国家质检总局、环保局、卫生部联合制定并发布了我国第一部《室内空气质量标准》。它是客观评价室内空气品质的主要依据。其中CO2浓度是反映空气质量的一个重要指标，常用来表征室内新鲜空气多少或通风程度强弱，同时也间接地反映了室内可能存在的其他有毒有害污染物的聚集浓度水平。根据《室内空气质量标准》中规定，二氧化碳日平均浓度值应不大于1000PPM。在通风不良及人员密集场所CO2容易产生浓度超标，长时间处于超标环境，人体内电解质平衡遭到破坏，引起血液酸中毒，CO2浓度过高将会导致头疼、疲劳、眼鼻和呼吸道等病症。

对于人员密度较大的场所，如电影院、室内乐园、教室、商场等，CO2浓度常有超标，对人们的身体健康造成不良影响，尤其在门窗紧闭、通风不佳时，这种可能性更大。因此，有必要对上述场所CO2浓度进行分析，研究有无空调调节系统时CO2浓度随时间和室内人数变化的情况，并计算出最小新风量，在保证室内CO2浓度不超标的情况下，减小空调机组能耗达到节能环保的目的。

二、室内空气污染的数学物理模型

1. CO2质量平衡方程式。

通过室内空气污染质量守恒定律来建立数学模型：单位时间进入室内的污染物减去单位时间内流出的污染物等于室内污染物的变化率。如图1所示：

由此得到如下关系式：

式中：Q为通风空调系统新风量，m3/h;q表示渗透风量，m3/h;C0是指新风中污染物浓度;Ci为室内空气污染物浓度;V为房间体积，m3;S为室内空气污染物散发率，m3/h;R为室内污染物的沉降率，m3/h;k是混合系数。

为了简化起见，室内主要污染物只有CO2且分布均匀。根据质量守恒定律，单位时间内进入会议室的CO2减去单位时间内排出室内的CO2等于室内CO2的变化率。其中，单位时间内进入室内的CO2包括：室外新风引入的CO2、室内人员新陈代谢释放的CO2;单位时间内从室内排出的CO2包括：排风带走的CO2以及门、窗等漏风带走的CO2，门、窗漏风带走的CO2与排风带走的CO2相比，可以忽略不计。由于要保持室内空气量不变，因此新风量等于排风量。由（1）简化得到CO2质量平衡方程式：

2.无空调调节系统。

在无空调调节系统时Q=0，約束条件为t=0时，室内二氧化碳浓度C=C0，

则求解（2）得到：室内二氧化碳浓度表达式为：                                                                    （3）

有空调调节系统时，此时新风量Q≠0，约束条件为t=0时，室内二氧化碳浓度C=C0，则求解（2）得到：室内二氧化碳浓度表达式为：

对于门窗打开时，Q与经过门窗交换风量有关，而此交换风量受到外界环境影响较大如室内外温差、室外风量、门窗面积等，也就是说此时Q不确定，本文暂不研究此类情况时室内CO2浓度的变化。而应用空调调节系统，在足够长的时间有t→∞时，CO2浓度达到最大值Cmax，则有：

三、实例分析

例如，以一个体积为V=52.5m3的房间作为实例进行仿真分析，室内CO2体积分数允许值为Cmax=1000PPM，室外新风CO2体积分数为C0=380PPM，新风量等于排风量;室内主要是成年人，平均人体功率取1.4MET（梅脱），则室内人体CO2涌出率为0.01966m3/（h·人），室内CO2散发率S=0.01966nm3/h，n为室内人数。

由控制方程（2）变为：

1.无空调调节系统时将参数代入（3）中，可得：

通过仿真无空调系统时室内二氧化碳浓度随时间变化曲线如图2，可知随着室内人数的增加，室内二氧化碳浓度达到允许值1000PPM的时间越短，这与定性分析的结果相同。

可见，对于无空调调节系统的封闭空间，室内二氧化碳浓度在很短时间内就达到最大允许值，人员会感到不适，如本实例下表1所示：中室内人数达到10人时，人均面积为1.875m2，大约10分钟室内CO2浓度就超标。

2.有定风量（CAV）空调系统时将各参数代入（4）中，可得：

每人每小时所需最小新风量为：

假如采用CAV空调系统，其新风量将以设定的人数为标准来计算，且在人进入室内就启动开空调系统进行调节，每人每小时所需风量按国标规定取32m3，则本文  中n人的会议室设定新风量Q即为：                                因此可以求得室内CO2浓度与人数n/人和时间t/s的关系如下：

通过仿真有CAV空调调节系统时室内二氧化碳浓度随时间变化曲线如图3所示，可知随着室内人数的增加，CO2浓度浓度增长越快，这与定性分析的结果相同;从图3也可以看出来室内CO2浓度最终保持在994.4PPM，符合要求。

可见，对于有空调调节系统的封闭空间，室内二氧化碳浓度达到最大允许值的时间变长，如本实例中室内人数达到10人时，大约46分钟（2774.885）室内CO2浓度才达到最大值994.4PPM。同时由文献知，由于室内人员密度大，IAQ很容易恶化，因此根据本房间特点，人数最多为10人，采用最大能够提供每小时7次换气次数的空调机组为室内提供新风。

3.有无空调调节系统时CO2浓度比较。

从表2可以看出来，有空调调节系统时，室内CO2浓度达到允许值1000PPM的时间延长了3.656倍，因此对于封闭空间，必须有空调调节系统来保证室内新风量，确保CO2浓度不超标，维持室内空气质量。

四、结论

通过上述研究可以得到如下结论，在人员密度较大的室内场合，无空调调节系统时随着室内人数增加CO2体积浓度增长很快，在很短时间内就达到最大允许值1000PPM;而有CAV空调系统时虽然随着室内人数增加CO2体积浓度相对增长缓慢，且达到CO2体积浓度最大值Cmax小于1000PPM的时间延长。本文仿真中时间延长了3.656倍;所以在保证空气品质的情况下，计算空调系统的最小新风量，以减少空调机组的能耗，从而为企业提升经济和环保效益。文中给出了CAV空调系统最小新风量的计算过程，本文实例人均最小风量取32m3/h符合国标规定。总之，对于人员密度较大的室内场合必须有空调调节系统，通过控制新风量来调节CO2浓度，维持室内空气质量并兼顾考虑企业经济和环保效益。