示蹤氣體法測量新建住宅換氣次數(shù)的研究

劉淑波，梅愛華

（1.廣州建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心有限公司，廣東 廣州 510440；2.廣州市建筑科學(xué)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(huán)境質(zhì)量和改善室內(nèi)空氣品質(zhì)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(nèi)空氣的新鮮度，也是建筑降低能耗的方式之一［1，2］。但是，現(xiàn)如今隨著對建筑物的節(jié)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(dǎo)致室內(nèi)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(shù)＜0.5h-1時，房間內(nèi)甲醛濃度維持在較高的水平；而當換氣次數(shù)大于 1.0h-1時，室內(nèi)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(shù)的增加，室內(nèi)氡濃度不斷下降，且呈指數(shù)下降趨勢。樊越勝等［7］研究得出滲透通風不能將室內(nèi)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(nèi)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(nèi)污染物危害的前提下，達到建筑物的節(jié)能效果最優(yōu)至關(guān)重要。

針對住宅新風量和換氣次數(shù)，各個國家有著不同的規(guī)定，張文霞等［8］研究不同國家現(xiàn)行標準對居住建筑最小新風量和換氣次數(shù)的要求得出換氣次數(shù)為 0.5h-1時可以滿足大部分國家通風標準所規(guī)定的通風要求，中國對居住建筑換氣次數(shù)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(tài)下會滿足要求將是本文研究的內(nèi)容。

測量換氣次數(shù)的方法有濃度衰減法、恒量釋放法和室內(nèi)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(nèi)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(fā)現(xiàn)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(shù)得到了廣泛應(yīng)用。為了準確測量住宅的換氣次數(shù)，國內(nèi)外的專家學(xué)者進行了大量的研究工作［13，14］，歸納總結(jié)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(shù)，得出房間不同狀態(tài)下?lián)Q氣次數(shù)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(shù)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(zhì)量守恒定律，濃度與自然通風量的關(guān)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(shù)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(wěn)態(tài)法、非線性回歸法、差分法和國標法；文中提到穩(wěn)態(tài)法計算結(jié)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(shù)測量結(jié)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(shù)據(jù)進行非線性回歸計算換氣次數(shù)?？烧J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(jù)式（3）可測得各個時間段內(nèi)的換氣次數(shù)，測量時間間隔取 4 min。

2 實驗方法與設(shè)備

2.1 實驗現(xiàn)場選擇

選擇廣州市內(nèi) 3 棟新建住宅的部分房間進行換氣次數(shù)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(tài)下的換氣次數(shù)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(shè)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(jiān)測設(shè)備：CO2濃度的測量采用 TES1370 型CO2實時監(jiān)測儀，其基本原理是采用非分散紅外法來測量周圍環(huán)境的 CO2濃度。

3）其他輔助設(shè)備：小型風扇、板凳（高約 60 cm）、密封膠條等。

2.3 實驗內(nèi)容

當房間處于 3 種不同的狀態(tài)下，分別測量其換氣次數(shù)。3 種狀態(tài)分別為：狀態(tài) 1-房間全封閉；狀態(tài) 2-房間內(nèi)的空調(diào)孔洞打開；狀態(tài) 3-房間內(nèi)空調(diào)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(tài)時以狀態(tài) 1、狀態(tài) 2、狀態(tài) 3 表示。

2.4 實驗方法

首先，測量 CO2的環(huán)境本底濃度。然后，在被測房間分別處于 3 種不同的狀態(tài)下，向房間內(nèi)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(nèi)的空氣 3 min，使 CO2氣體充分混合均勻。最后，關(guān)閉風扇，實時監(jiān)測 CO2濃度，儀器設(shè)置為每 4 min記錄一個數(shù)據(jù)，當儀器顯示的數(shù)據(jù)明顯低于初始濃度或接近環(huán)境本底濃度時停止測量，導(dǎo)出 CO2的監(jiān)測數(shù)據(jù)，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(shù)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(guān)風扇時有人員的短暫停留，其余時段均為無人狀態(tài)。

2.5 質(zhì)量保障措施

保障所有測量儀器均在檢定周期內(nèi)；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(jié)果與討論

3.1 不同的計算方法對換氣次數(shù)測量結(jié)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(jù)公式（3）和公式（4）進行計算；3 種方法均取測量時間段內(nèi)的平均值作為最終的換氣次數(shù)結(jié)果。經(jīng)過計算，得出 3 種方法的測量結(jié)果如圖 2 所示。

圖2 3 種不同計算方法的換氣次數(shù)測量結(jié)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(shù)結(jié)果相差甚微，25 組數(shù)據(jù)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(shù)的結(jié)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(nèi)，但數(shù)據(jù)的波動較大。

3.2 測量時間長短對換氣次數(shù)結(jié)果的影響

國家標準 GB/T 18204.1－2013《公共場所衛(wèi)生檢驗方法 第一部分：物理因素》中規(guī)定：示蹤氣體的初始濃度應(yīng)達到至少經(jīng)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(jié)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(shù)隨測量時間的變化圖（一）

圖4 換氣次數(shù)隨測量時間的變化圖（二）

由圖 3 可知，當換氣次數(shù)為 0.5～1.3 h-1時，30 min內(nèi)的數(shù)據(jù)較為離散，隨著測量時間的延長，測量結(jié)果趨于穩(wěn)定，這一結(jié)果與國標中的測量要求吻合。當換氣次數(shù)小于 0.2 h 時，測量結(jié)果達到穩(wěn)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(jié)果可長時間內(nèi)趨于穩(wěn)定，具體變化如圖 4 所示。因此，在測量房間換氣次數(shù)前，可以預(yù)估換氣次數(shù)的大小，適當?shù)卣{(diào)整測量時間。

3.3 不同狀態(tài)下各個房間內(nèi)換氣次數(shù)的測量結(jié)果

測量 3 個新建住宅共計 11 個臥室，1 個客廳不同狀態(tài)下的換氣次數(shù)，得出如表 2 所示的測量結(jié)果。表中的換氣次數(shù)數(shù)據(jù)采用非線性回歸法計算得到的測量結(jié)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(shù)測量結(jié)果

由表 2 的測量數(shù)據(jù)可知，在臥室全封閉的狀態(tài)下，換氣次數(shù)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(jié)果小于 0.3 h-1。這一狀態(tài)下的臥室換氣次數(shù)遠未達到世界各國的平均水平。當讓被測房間處于狀態(tài) 2 時，換氣次數(shù)顯著提升，裝修房和毛坯房 2 的換氣次數(shù)均可達到 0.5 h-1以上。但是，毛坯房 1 的換氣次數(shù)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(guān)。當被測房間處于狀態(tài) 3 時，換氣次數(shù)均可達到 1.0 h-1，大大改善了房間內(nèi)的通風換氣效果。因此，可以得出在房間內(nèi)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(nèi)的換氣次數(shù)，達到世界各國的平均水平。

4 結(jié)論

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

2）測量時間的長短對換氣次數(shù)的測量結(jié)果是有影響的，當換氣次數(shù)為 0.5～1.3 h-1時，30 min 內(nèi)的數(shù)據(jù)較為離散，隨著測量時間的延長，測量結(jié)果趨于穩(wěn)定。當換氣次數(shù)小于 0.2 h-1時，測量結(jié)果達到穩(wěn)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(jié)果可長時間內(nèi)趨于穩(wěn)定。因此，在實際的測量過程中可以先預(yù)估換氣次數(shù)的大小，適當?shù)恼{(diào)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(tài)下，換氣次數(shù)均小于 0.5 h-1?？蛷d全封閉的狀態(tài)下，換氣次數(shù)可達到 0.5 h-1以上。當讓被測臥室處于狀態(tài) 2 時，換氣次數(shù)顯著提升，2 個臥室的換氣次數(shù)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(tài) 3 時，換氣次數(shù)均可達到 1.0 h-1，大大改善了房間內(nèi)的通風換氣效果。因此，可以得出在房間內(nèi)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(nèi)的換氣次數(shù)，達到世界各國的平均水平。Q