示蹤氣體法測量宿舍空氣變化率的方法研究

包麗錦?。ò不諊A建設(shè)工程項目管理有限公司，安徽　合肥　230088）

示蹤氣體法測量宿舍空氣變化率的方法研究

包麗錦（安徽國華建設(shè)工程項目管理有限公司，安徽合肥230088）

主要介紹了目前國內(nèi)外研究自然通風(fēng)的方法：示蹤氣體法，并詳細(xì)闡述了如何用CO2方法中的衰減法和穩(wěn)定法來計算房間的空氣變化率，本文實驗中通過對此方法的運用，發(fā)現(xiàn)了實驗中存在的各種問題，并對以后的工作提出了建議。

自然通風(fēng)；通風(fēng)率；示蹤氣體；CO2

1　研究背景

我國高校學(xué)生宿舍空間狹小，人員密集，住宿期為2～4年，人員一般為4～6人，而且學(xué)生大部分時間都是在宿舍內(nèi)度過的，因此宿舍環(huán)境對學(xué)生的健康起著很重要的影響作用。宿舍以自然通風(fēng)為主，存在人均新風(fēng)量不足、室內(nèi)空氣品質(zhì)不佳等問題，而通風(fēng)率是評價宿舍自然通風(fēng)狀況的重要指標(biāo)之一，對降低宿舍內(nèi)污染物、保證學(xué)生健康等具有重要意義，因此測量自然通風(fēng)情況下學(xué)生宿舍的通風(fēng)率對研究高校學(xué)生宿舍的室內(nèi)空氣品質(zhì)具有重要意義。我們以某大學(xué)為研究對象展開調(diào)查，并進行了初步探討［1，4］。

在這里主要介紹一種目前國內(nèi)外研究自然通風(fēng)的方法：示蹤氣體法。運用示蹤氣體測量建筑物的空氣流動及滲透通風(fēng)特性在國外已有大約40年的歷史，并且發(fā)展了各種不同的測量方法，而國內(nèi)對這一方法的研究基本還很薄弱。示蹤氣體的基本測量方法有三種：濃度衰減法、恒定揮發(fā)法、恒定濃度法。在實驗中我們主要選取CO2氣體作為示蹤氣體。

2　CO2氣體

CO2作為示蹤氣體具有可測性，穩(wěn)定性及無毒性，而且用人體作為CO2產(chǎn)生源就不需要向室內(nèi)釋放其他示蹤氣體，這給實驗帶來了很大方便，極大降低了實驗費用。利用人體產(chǎn)生的CO2作為示蹤氣體，計算宿舍的通風(fēng)率影響其測量精度的一些重要因素是：①室外CO2濃度；②室內(nèi)人員的數(shù)目及人員的活動量；③測量期間室內(nèi)人員的變動；④其它CO2產(chǎn)生源，如貓、狗等。CO2方法假定的是CO2僅僅是由人體產(chǎn)生的，其它的產(chǎn)生源還有空氣中的燃燒產(chǎn)物和寵物，這兩種可能性都可以被排出的，因為當(dāng)人們睡覺或離開房間時不可能還讓東西繼續(xù)燃燒，在測量中我們發(fā)現(xiàn)宿舍內(nèi)養(yǎng)寵物的現(xiàn)象很少［5-7］。

3　測量儀器

在實驗中主要用的是丹麥儀器——室內(nèi)空氣品質(zhì)測試儀（Indoor Air Quality Monitor）PS31型，它能紀(jì)錄的CO2濃度范圍是0～5000ppm，相對濕度（RH）范圍是0～100%，溫度范圍是10～45℃。圖1是PS31的圖示。根據(jù)CO2測量精度及儀器的適用性，儀器需要擺放在室內(nèi)距地面0.5m～1.5m的地方，一般擺放在桌子上盡量靠近過道，距人體至少1.5m，避免人體產(chǎn)生的CO2影響其精度。圖中，P1～P5分別代表的意義是：P1－CO2的濃度（ppm）；P2－相對濕度（%）；P3－溫度（℃）；P4－時間（h：min）；P5－內(nèi)存使用（%）。

圖1　室內(nèi)空氣品質(zhì)測試儀

4　CO2方法

人們考慮用新陳代謝產(chǎn)生的CO2作為示蹤氣體已經(jīng)有20多年了，其有效性主要是基于以下兩個因素：一個是人體的揮發(fā)率可以通過人體的身高、體重及活動水平計算出來；另一個就是當(dāng)室內(nèi)CO2濃度高于室外時，CO2就可以作為示蹤氣體。

2004年7月，Petra Barankova介紹了一種用人體新陳代謝產(chǎn)生的CO2作為示蹤氣體的方法即：計算夜晚室內(nèi)的通風(fēng)率——增加法和分析濃度的衰減階段——衰減法，這種方法被命名為“CO2方法”，而且在此方法的基礎(chǔ)上又產(chǎn)生了一種穩(wěn)定法，由于在論文中使用了衰減法和穩(wěn)定法，所以在下面只介紹這兩種方法［2-3］。圖2附上一個房間的CO2濃度的變化曲線。

圖2　某一個房間的CO2濃度變化曲線

4.1濃度衰減分析：衰減法

濃度的衰減主要產(chǎn)生在人員離開房間后，CO2就會產(chǎn)生一段衰減，如上圖2所示，時間6：40～8：00就是一個濃度的衰減過程。我們需要計算衰減階段的空氣變化率，運算中采用擬合的方法來計算出每個房間的空氣變化率，計算公式如下［2］。

c1——曲線最初的濃度（ppm）

Δc——濃度最大的衰減率c1-cout，cout為室外CO2濃度（ppm）

N——所要擬合的每個房間的空氣變化率（ach）

τ——測量的時間（h）

指數(shù)1代表初始狀態(tài)，指數(shù)2接下來就會別的3所替代，等等以此類推。

CO2方法中的衰減法，主要運用Origin6.1結(jié)合CO2濃度的測量數(shù)據(jù)來進行擬合，從而計算出空氣變化率。它是在國內(nèi)外工程技術(shù)人員和大學(xué)生中廣泛使用的科技數(shù)據(jù)分析及作圖軟件。下圖3是一個擬合過程精確度的對比曲線，第一個擬合得誤差很大，第二個則擬合得很好，這只是給出一個擬合過程的感官描述，即什么是最佳擬合。實驗中最大的可接受誤差主要在于標(biāo)準(zhǔn)值的數(shù)量和曲線擬合的程度，關(guān)于怎樣去評估誤差或擬合程度是可以接受的，Origin6.1在計算中會自動達(dá)到最佳擬合狀態(tài)。

圖3　不同精確度的擬合對比曲線

空氣變化率計算過程可總結(jié)如下：①輸入衰減階段的測量值，并繪出衰減曲線圖；②輸入公式（1）；③結(jié)合實際數(shù)據(jù)給c1和Δc賦予數(shù)值；④給空氣變化率N隨意賦一個初值，根據(jù)公式（1）就可以進行擬合，當(dāng)圖中測量值和計算值之間的曲線達(dá)到最佳擬合，即擬合誤差最小時，空氣變化率就成為一個定值，從而得出了N的最佳值［8-10］。

4.2濃度穩(wěn)定分析：穩(wěn)定法

如圖2所示，時間2：40～4：40就是一個CO2濃度的穩(wěn)定過程。穩(wěn)定法是在CO2方法的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種可供選擇的方法，只要夜晚房間的CO2濃度曲線比較穩(wěn)定，都可以用此方法計算空氣變化率，下面公式（2）就是計算在穩(wěn)定階段的空氣變化率［2］。

FCO2——CO2的揮發(fā)率（m3/h）

V——房間的體積（m3）

Ci——所分析時間段內(nèi)CO2的平均濃度（ppm）

C0——室外CO2的濃度（ppm）

人體產(chǎn)生CO2的揮發(fā)率可通過其氧氣的消耗來建立關(guān)系式（ASHRAE Handbook Fundamentals）：

AD——1個人的表面積（m2），Ad=0.203·（Height）0.725·

M——單位面積代謝率（met）

RQ——呼吸系數(shù)

Height——身高

Weight——體重

呼吸系數(shù)是一個恒定常數(shù)值0.83，是依照一個平均成年人在輕微活動下產(chǎn)生的量而制定的。從方程中可以明顯看出一個人的尺寸和代謝率是非常重要的參數(shù)，他們會影響到CO2的揮發(fā)率。因此人的身高或活動水平很小的不確定性，就會在揮發(fā)率上引起很大的不同。為了避免出現(xiàn)影響CO2揮發(fā)率的現(xiàn)象，我們規(guī)定了最小和最大的變化范圍，身高降低3cm，體重降低5kg，相對應(yīng)的一個睡眠中人的代謝率是0.7met，身高增加3cm，體重增加5kg，相對應(yīng)的代謝率是0.75met。0.05met的不同看起來可以忽略，但是CO2的揮發(fā)率就會變化20%～30%，所以在計算中取平均值0.725met［3］。

5　實驗中的問題

5.1儀器測量精度

CO2方法中要求測量的主要是空氣中CO2的濃度，所以人體呼出的CO2濃度會影響儀器的測量精度。學(xué)生宿舍空間狹小，一般為5.5m×3.2m×3.1m，除去床的寬度，室內(nèi)過道只有1.2m，住宿人員又比較密集，一般是4～6人，所以室內(nèi)走動的人員直接呼出的CO2濃度很容易影響到儀器的測量。儀器要求距離人體至少1.5m，但是在CO2濃度曲線上可以明顯看出有人直接對著儀器呼吸的情景，因為濃度達(dá)到了2000～2900ppm，所以在做分析計算時這些高濃度的點是要去除的，不然會嚴(yán)重影響計算結(jié)果。

5.2季節(jié)因素

宿舍是一個特殊的地方，人員流動比較大，所以室內(nèi)CO2的濃度是很不穩(wěn)定的。雖然我們計算的是晚上和白天的通風(fēng)率，晚上人員比較固定，大家都進入了熟睡狀態(tài)，但是我們測量的時間是逐漸炎熱的夏天，計算出來的通風(fēng)率變化也很大，所以在做不適癥狀Logistic多因素回歸分析時，晚上的通風(fēng)率與不適癥狀的影響不是很明顯，這與我們測量的季節(jié)有關(guān)系。

6　對以后工作的建議

由于時間的問題，我們是在夏季做的測量實驗，效果不是很好，特別是晚上的通風(fēng)率，由于天氣太熱，晚上睡覺時大家都把窗戶開的太大，雖然我們付出了很多勞動做實驗，花費了很多時間來計算通風(fēng)率但是效果很不理想；而且測量中室外CO2的濃度很不理想。對以后工作的建議：①在冬季做此類實驗；②室外CO2濃度的測量時間要長一些，要選擇通風(fēng)良好的地點。

［1］齊美薇，李曉鋒，黃河.示蹤氣體法利用人體作為CO2釋放源測量宿舍換氣次數(shù)的方法探究［J］.建筑科學(xué).2013（6）：52-57.

［2］Camilla Saab？ll，Gitte T.Andersen，Children-Health-Homes：［Master Thesis］.Denmark：International Center for Indoor Environment and Energy，2005.

［3］Petra Baránková，A Method for Air Change Rate Measurements in Dwellings Based on Carbon Dioxide Produced by People，［Master Thesis］.Denmark：International Center for Indoor Environment and Energy，2004.

［4］朱奮飛，邵曉亮，李先庭.關(guān)于示蹤氣體法測量房間換氣量的探討［A］.全國暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會文集［C］.2008.

［5］郝俊紅，等.住宅室內(nèi)空氣污染調(diào)查與防治［J］.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2004（23）.

［6］耿世彬，楊家寶.室內(nèi)空氣品質(zhì)及相關(guān)研究［J］.建筑熱能通風(fēng)與空調(diào)，2001（2）：29-33.

［7］沈士珍.環(huán)境質(zhì)量分析的數(shù)理統(tǒng)計方法［J］.城市環(huán)境與城市生態(tài)，1996，8（4）：42-45.

［8］李曉峰，朱穎心.示蹤氣體濃度衰減法在民用建筑自然通風(fēng)研究中的應(yīng)用［J］.暖通空調(diào)，1997，27（4）：7-10.

［9］ASHRAE.2009 ASHRAE Handbook—Fundamentals［M］.Atlanta：American Society of Heating，Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，2009.

［10］陳志強.人體體表面積計算方法的比較研究［J］.中國運動醫(yī)學(xué)雜志，2003，22（6）：576-579.

TU834.1

A

1007-7359（2016）04-0291-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.117

包麗錦（1982-），女，河南漯河人，畢業(yè)于天津大學(xué)，碩士；工程師，國家注冊設(shè)備工程師。