示蹤氣體法測(cè)量宿舍空氣變化率的方法研究

包麗錦　（安徽國(guó)華建設(shè)工程項(xiàng)目管理有限公司，安徽　合肥　230088）

示蹤氣體法測(cè)量宿舍空氣變化率的方法研究

包麗錦（安徽國(guó)華建設(shè)工程項(xiàng)目管理有限公司，安徽合肥230088）

主要介紹了目前國(guó)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(lái)計(jì)算房間的空氣變化率，本文實(shí)驗(yàn)中通過(guò)對(duì)此方法的運(yùn)用，發(fā)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)中存在的各種問(wèn)題，并對(duì)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(guó)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(shí)間都是在宿舍內(nèi)度過(guò)的，因此宿舍環(huán)境對(duì)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(wèn)題，而通風(fēng)率是評(píng)價(jià)宿舍自然通風(fēng)狀況的重要指標(biāo)之一，對(duì)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(cè)量自然通風(fēng)情況下學(xué)生宿舍的通風(fēng)率對(duì)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(duì)象展開調(diào)查，并進(jìn)行了初步探討［1，4］。

在這里主要介紹一種目前國(guó)內(nèi)外研究自然通風(fēng)的方法：示蹤氣體法。運(yùn)用示蹤氣體測(cè)量建筑物的空氣流動(dòng)及滲透通風(fēng)特性在國(guó)外已有大約40年的歷史，并且發(fā)展了各種不同的測(cè)量方法，而國(guó)內(nèi)對(duì)這一方法的研究基本還很薄弱。示蹤氣體的基本測(cè)量方法有三種：濃度衰減法、恒定揮發(fā)法、恒定濃度法。在實(shí)驗(yàn)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(cè)性，穩(wěn)定性及無(wú)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(shí)驗(yàn)帶來(lái)了很大方便，極大降低了實(shí)驗(yàn)費(fèi)用。利用人體產(chǎn)生的CO2作為示蹤氣體，計(jì)算宿舍的通風(fēng)率影響其測(cè)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(dòng)量；③測(cè)量期間室內(nèi)人員的變動(dòng)；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?yàn)楫?dāng)人們睡覺或離開房間時(shí)不可能還讓東西繼續(xù)燃燒，在測(cè)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(cè)量?jī)x器

在實(shí)驗(yàn)中主要用的是丹麥儀器——室內(nèi)空氣品質(zhì)測(cè)試儀（Indoor Air Quality Monitor）PS31型，它能紀(jì)錄的CO2濃度范圍是0～5000ppm，相對(duì)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(cè)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(guò)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(duì)濕度（%）；P3－溫度（℃）；P4－時(shí)間（h：min）；P5－內(nèi)存使用（%）。

圖1　室內(nèi)空氣品質(zhì)測(cè)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(gè)因素：一個(gè)是人體的揮發(fā)率可以通過(guò)人體的身高、體重及活動(dòng)水平計(jì)算出來(lái)；另一個(gè)就是當(dāng)室內(nèi)CO2濃度高于室外時(shí)，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(jì)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(gè)房間的CO2濃度的變化曲線。

圖2　某一個(gè)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(huì)產(chǎn)生一段衰減，如上圖2所示，時(shí)間6：40～8：00就是一個(gè)濃度的衰減過(guò)程。我們需要計(jì)算衰減階段的空氣變化率，運(yùn)算中采用擬合的方法來(lái)計(jì)算出每個(gè)房間的空氣變化率，計(jì)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(gè)房間的空氣變化率（ach）

τ——測(cè)量的時(shí)間（h）

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

CO2方法中的衰減法，主要運(yùn)用Origin6.1結(jié)合CO2濃度的測(cè)量數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行擬合，從而計(jì)算出空氣變化率。它是在國(guó)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(gè)擬合過(guò)程精確度的對(duì)比曲線，第一個(gè)擬合得誤差很大，第二個(gè)則擬合得很好，這只是給出一個(gè)擬合過(guò)程的感官描述，即什么是最佳擬合。實(shí)驗(yàn)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(píng)估誤差或擬合程度是可以接受的，Origin6.1在計(jì)算中會(huì)自動(dòng)達(dá)到最佳擬合狀態(tài)。

圖3　不同精確度的擬合對(duì)比曲線

空氣變化率計(jì)算過(guò)程可總結(jié)如下：①輸入衰減階段的測(cè)量值，并繪出衰減曲線圖；②輸入公式（1）；③結(jié)合實(shí)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(gè)初值，根據(jù)公式（1）就可以進(jìn)行擬合，當(dāng)圖中測(cè)量值和計(jì)算值之間的曲線達(dá)到最佳擬合，即擬合誤差最小時(shí)，空氣變化率就成為一個(gè)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(shí)間2：40～4：40就是一個(gè)CO2濃度的穩(wěn)定過(guò)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(jì)算空氣變化率，下面公式（2）就是計(jì)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(shí)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(guò)其氧氣的消耗來(lái)建立關(guān)系式（ASHRAE Handbook Fundamentals）：

AD——1個(gè)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(gè)恒定常數(shù)值0.83，是依照一個(gè)平均成年人在輕微活動(dòng)下產(chǎn)生的量而制定的。從方程中可以明顯看出一個(gè)人的尺寸和代謝率是非常重要的參數(shù)，他們會(huì)影響到CO2的揮發(fā)率。因此人的身高或活動(dòng)水平很小的不確定性，就會(huì)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(duì)應(yīng)的一個(gè)睡眠中人的代謝率是0.7met，身高增加3cm，體重增加5kg，相對(duì)應(yīng)的代謝率是0.75met。0.05met的不同看起來(lái)可以忽略，但是CO2的揮發(fā)率就會(huì)變化20%～30%，所以在計(jì)算中取平均值0.725met［3］。

5　實(shí)驗(yàn)中的問(wèn)題

5.1儀器測(cè)量精度

CO2方法中要求測(cè)量的主要是空氣中CO2的濃度，所以人體呼出的CO2濃度會(huì)影響儀器的測(cè)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(guò)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(dòng)的人員直接呼出的CO2濃度很容易影響到儀器的測(cè)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(duì)著儀器呼吸的情景，因?yàn)闈舛冗_(dá)到了2000～2900ppm，所以在做分析計(jì)算時(shí)這些高濃度的點(diǎn)是要去除的，不然會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算結(jié)果。

5.2季節(jié)因素

宿舍是一個(gè)特殊的地方，人員流動(dòng)比較大，所以室內(nèi)CO2的濃度是很不穩(wěn)定的。雖然我們計(jì)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(jìn)入了熟睡狀態(tài)，但是我們測(cè)量的時(shí)間是逐漸炎熱的夏天，計(jì)算出來(lái)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(shí)，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(cè)量的季節(jié)有關(guān)系。

6　對(duì)以后工作的建議

由于時(shí)間的問(wèn)題，我們是在夏季做的測(cè)量實(shí)驗(yàn)，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(shí)大家都把窗戶開的太大，雖然我們付出了很多勞動(dòng)做實(shí)驗(yàn)，花費(fèi)了很多時(shí)間來(lái)計(jì)算通風(fēng)率但是效果很不理想；而且測(cè)量中室外CO2的濃度很不理想。對(duì)以后工作的建議：①在冬季做此類實(shí)驗(yàn)；②室外CO2濃度的測(cè)量時(shí)間要長(zhǎng)一些，要選擇通風(fēng)良好的地點(diǎn)。

［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(cè)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(cè)量房間換氣量的探討［A］.全國(guó)暖通空調(diào)制冷2008年學(xué)術(shù)年會(huì)文集［C］.2008.

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

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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(guó)家注冊(cè)設(shè)備工程師。