示蹤氣體法測量新建住宅換氣次數的研究

劉淑波，梅愛華

（1.廣州建設工程質量安全檢測中心有限公司，廣東 廣州 510440；2.廣州市建筑科學研究院有限公司，廣東 廣州 510440）

0 引言

住宅有效的通風換氣對于提升人們所居住的環境質量和改善室內空氣品質都有著重要的意義，而達到這一目的最好的方式就是自然通風，自然通風是大自然予以人類的饋贈，不僅可以降溫除濕，還可以提高室內空氣的新鮮度，也是建筑降低能耗的方式之一［1，2］。但是，現如今隨著對建筑物的節能要求越來越高，居室的氣密性也越來越好，過于嚴密的房間會導致室內各種污染物的積聚，對人體生命健康造成危害，文獻［3，4］的研究均表明當換氣次數＜0.5h-1時，房間內甲醛濃度維持在較高的水平；而當換氣次數大于 1.0h-1時，室內甲醛濃度會明顯降低。孫浩等［5］、武云云等［6］研究證明隨著換氣次數的增加，室內氡濃度不斷下降，且呈指數下降趨勢。樊越勝等［7］研究得出滲透通風不能將室內污染物有效排出室外，大量低排放材料的累積釋放濃度仍然可能致使室內污染物濃度超標。因此，如何找到一個平衡點，保障人們免受室內污染物危害的前提下，達到建筑物的節能效果最優至關重要。

針對住宅新風量和換氣次數，各個國家有著不同的規定，張文霞等［8］研究不同國家現行標準對居住建筑最小新風量和換氣次數的要求得出換氣次數為 0.5h-1時可以滿足大部分國家通風標準所規定的通風要求，中國對居住建筑換氣次數的要求接近平均水平，為 0.45 h-1。實際的新建住宅能否滿足這一要求，在什么狀態下會滿足要求將是本文研究的內容。

測量換氣次數的方法有濃度衰減法、恒量釋放法和室內恒定濃度法 3 種［9］。濃度衰減法由于可以很方便地測出房間與外界的換氣量，且最為簡便易行，因此在室內外換氣量的測量中得到廣泛使用［10］。此外，在示蹤氣體的選擇上，研究發現相比于測試條件，不同種類的示蹤氣體對于測試精度差距并不是很大［11，12］。因此，以 CO2作為示蹤氣體來測量各類房間的換氣次數得到了廣泛應用。為了準確測量住宅的換氣次數，國內外的專家學者進行了大量的研究工作［13，14］，歸納總結主要有以下幾點問題：①不同計算方法的影響；②測量時間長短的影響；③示蹤氣體釋放濃度大小的影響；④測點位置的影響。本文通過測量廣州市幾處新建住宅的換氣次數，得出房間不同狀態下換氣次數的同時，探討不同計算方法和測量時間長短對示蹤氣體法測量換氣次數的影響。

1 測量原理及計算方法

1.1 示蹤氣體法的測量原理

示蹤氣體法遵循質量守恒定律，濃度與自然通風量的關系如式（1）所示。

1.2 不同的計算方法

由公式（2）可以得出，計算換氣次數的方法有很多種，文獻中也研究了 4 種不同的計算方法，分別為：穩態法、非線性回歸法、差分法和國標法；文中提到穩態法計算結果的誤差較大。因此，本文僅對比研究非線性回歸法、差分法和國標法對換氣次數測量結果的影響。

1）非線性回歸法。非線性回歸法利用公式（2）對 CO2濃度數據進行非線性回歸計算換氣次數。可認為此法計算的新風量最接近真實值。

2）差分法。將式（2）進行差分并整理可得公式（3），根據式（3）可測得各個時間段內的換氣次數，測量時間間隔取 4 min。

2 實驗方法與設備

2.1 實驗現場選擇

選擇廣州市內 3 棟新建住宅的部分房間進行換氣次數的測量，其中一棟為裝修房，另外 2 棟為毛坯房。裝修房選擇了 17 層的 9 個臥室和 1 個客廳，毛坯房分別選擇了 6 層和 12 層的一間臥室進行不同封閉狀態下的換氣次數測量，各個被測試房間的測點位置如圖 1 所示，具體信息如表 1 所示。

圖1 被測房間點位示意圖

表1 被測房間信息表

2.2 實驗儀器及設備

1）示蹤氣體：CO2的氣源來自于手提式二氧化碳滅火器。

2）監測設備：CO2濃度的測量采用 TES1370 型CO2實時監測儀，其基本原理是采用非分散紅外法來測量周圍環境的 CO2濃度。

3）其他輔助設備：小型風扇、板凳（高約 60 cm）、密封膠條等。

2.3 實驗內容

當房間處于 3 種不同的狀態下，分別測量其換氣次數。3 種狀態分別為：狀態 1-房間全封閉；狀態 2-房間內的空調孔洞打開；狀態 3-房間內空調孔洞打開的同時，窗戶打開一定的寬度。下文描述各房間實驗狀態時以狀態 1、狀態 2、狀態 3 表示。

2.4 實驗方法

首先，測量 CO2的環境本底濃度。然后，在被測房間分別處于 3 種不同的狀態下，向房間內噴入足量的 CO2氣體（達到或超過儀器的最大量程），打開風扇攪拌室內的空氣 3 min，使 CO2氣體充分混合均勻。最后，關閉風扇，實時監測 CO2濃度，儀器設置為每 4 min記錄一個數據，當儀器顯示的數據明顯低于初始濃度或接近環境本底濃度時停止測量，導出 CO2的監測數據，進行處理、計算。由于所有實驗被測住宅的房間面積均較小，故認為 CO2的濃度分布均勻，測點數量均為 1 個，且布置在被測房間的中心位置。整個測量的過程中，噴入 CO2氣體、開關風扇時有人員的短暫停留，其余時段均為無人狀態。

2.5 質量保障措施

保障所有測量儀器均在檢定周期內；每一個房間測量時保障所有的操作流程一致，減少操作誤差。

3 實驗結果與討論

3.1 不同的計算方法對換氣次數測量結果的影響

在本研究中，非線性回歸法采用 Excel 軟件對 CO2濃度進行非線性回歸；差分法和國標法直接根據公式（3）和公式（4）進行計算；3 種方法均取測量時間段內的平均值作為最終的換氣次數結果。經過計算，得出 3 種方法的測量結果如圖 2 所示。

圖2 3 種不同計算方法的換氣次數測量結果及相對偏差圖

由圖 2 可知，差分法與非線性回歸法計算得到的換氣次數結果相差甚微，25 組數據中只有一組的相對偏差大于 5 %，為 6.6 %。其余均小于 5 %，且最小相對偏差為 0.05 %。國標法與非線性回歸法相比，計算得到換氣次數的結果相差較大，最小相對偏差為 0.08 %，最大為19.38 %。雖然均在 20 %以內，但數據的波動較大。

3.2 測量時間長短對換氣次數結果的影響

國家標準 GB/T 18204.1－2013《公共場所衛生檢驗方法 第一部分：物理因素》中規定：示蹤氣體的初始濃度應達到至少經過 30 m i n，測量從開始至 30～60 min 時間段示蹤氣體濃度。本文選用部分房間用國標計算方法的實時結果與平均值進行對比分析，具體情況如圖 3、圖 4 所示。

圖3 換氣次數隨測量時間的變化圖（一）

圖4 換氣次數隨測量時間的變化圖（二）

由圖 3 可知，當換氣次數為 0.5～1.3 h-1時，30 min內的數據較為離散，隨著測量時間的延長，測量結果趨于穩定，這一結果與國標中的測量要求吻合。當換氣次數小于 0.2 h 時，測量結果達到穩定的時間較長，基本在 2 h 左右，隨著測量時間的延長，測量結果可長時間內趨于穩定，具體變化如圖 4 所示。因此，在測量房間換氣次數前，可以預估換氣次數的大小，適當地調整測量時間。

3.3 不同狀態下各個房間內換氣次數的測量結果

測量 3 個新建住宅共計 11 個臥室，1 個客廳不同狀態下的換氣次數，得出如表 2 所示的測量結果。表中的換氣次數數據采用非線性回歸法計算得到的測量結果。表中各個房間的基本信息如表 1 所示。

表2 各個房間的換氣次數測量結果

由表 2 的測量數據可知，在臥室全封閉的狀態下，換氣次數均小于 0.5 h-1，最小為 0.12 h-1，最大為 0.42 h-1，且 70 % 以上的測量結果小于 0.3 h-1。這一狀態下的臥室換氣次數遠未達到世界各國的平均水平。當讓被測房間處于狀態 2 時，換氣次數顯著提升，裝修房和毛坯房 2 的換氣次數均可達到 0.5 h-1以上。但是，毛坯房 1 的換氣次數雖有提升，但僅維持在 0.3 h-1左右，這可能跟當時的室外溫度較高，風速較低等氣象條件有關。當被測房間處于狀態 3 時，換氣次數均可達到 1.0 h-1，大大改善了房間內的通風換氣效果。因此，可以得出在房間內有一個直徑大小約為 6 cm 的孔洞或同時讓窗戶打開一條小縫時，就可以大大提升房間內的換氣次數，達到世界各國的平均水平。

4 結論

1）針對不同的計算方法對換氣次數測量結果的影響，得出使用自動實時監測儀器對住宅的房間進行無人監測時，差分法與非線性回歸法計算得到的換氣次數結果相差甚微，相對偏差基本保持在 5 % 以內。國標法與非線性回歸法相比，計算得到換氣次數的結果相差較大，最大為 19.38 %，雖然均在 20 % 以內，但數據的波動較大。

2）測量時間的長短對換氣次數的測量結果是有影響的，當換氣次數為 0.5～1.3 h-1時，30 min 內的數據較為離散，隨著測量時間的延長，測量結果趨于穩定。當換氣次數小于 0.2 h-1時，測量結果達到穩定的時間較長，基本在 2 h 左右，隨著測量時間的延長，測量結果可長時間內趨于穩定。因此，在實際的測量過程中可以先預估換氣次數的大小，適當的調整測量時間。

3）在被測的 11 個臥室和 1 個客廳中，在臥室全封閉的狀態下，換氣次數均小于 0.5 h-1。客廳全封閉的狀態下，換氣次數可達到 0.5 h-1以上。當讓被測臥室處于狀態 2 時，換氣次數顯著提升，2 個臥室的換氣次數可達到 0.5 h-1以上，1 個為 0.3 h-1左右。當被測臥室處于狀態 3 時，換氣次數均可達到 1.0 h-1，大大改善了房間內的通風換氣效果。因此，可以得出在房間內有一個直徑大小約為 6 cm 的孔洞或同時讓窗戶打開一條小縫時，就可以大大提升房間內的換氣次數，達到世界各國的平均水平。Q