示踪气体法测量宿舍空气变化率的方法研究

包丽锦　（安徽国华建设工程项目管理有限公司，安徽　合肥　230088）

示踪气体法测量宿舍空气变化率的方法研究

包丽锦（安徽国华建设工程项目管理有限公司，安徽合肥230088）

主要介绍了目前国内外研究自然通风的方法：示踪气体法，并详细阐述了如何用CO2方法中的衰减法和稳定法来计算房间的空气变化率，本文实验中通过对此方法的运用，发现了实验中存在的各种问题，并对以后的工作提出了建议。

自然通风；通风率；示踪气体；CO2

1　研究背景

我国高校学生宿舍空间狭小，人员密集，住宿期为2～4年，人员一般为4～6人，而且学生大部分时间都是在宿舍内度过的，因此宿舍环境对学生的健康起着很重要的影响作用。宿舍以自然通风为主，存在人均新风量不足、室内空气品质不佳等问题，而通风率是评价宿舍自然通风状况的重要指标之一，对降低宿舍内污染物、保证学生健康等具有重要意义，因此测量自然通风情况下学生宿舍的通风率对研究高校学生宿舍的室内空气品质具有重要意义。我们以某大学为研究对象展开调查，并进行了初步探讨［1，4］。

在这里主要介绍一种目前国内外研究自然通风的方法：示踪气体法。运用示踪气体测量建筑物的空气流动及渗透通风特性在国外已有大约40年的历史，并且发展了各种不同的测量方法，而国内对这一方法的研究基本还很薄弱。示踪气体的基本测量方法有三种：浓度衰减法、恒定挥发法、恒定浓度法。在实验中我们主要选取CO2气体作为示踪气体。

2　CO2气体

CO2作为示踪气体具有可测性，稳定性及无毒性，而且用人体作为CO2产生源就不需要向室内释放其他示踪气体，这给实验带来了很大方便，极大降低了实验费用。利用人体产生的CO2作为示踪气体，计算宿舍的通风率影响其测量精度的一些重要因素是：①室外CO2浓度；②室内人员的数目及人员的活动量；③测量期间室内人员的变动；④其它CO2产生源，如猫、狗等。CO2方法假定的是CO2仅仅是由人体产生的，其它的产生源还有空气中的燃烧产物和宠物，这两种可能性都可以被排出的，因为当人们睡觉或离开房间时不可能还让东西继续燃烧，在测量中我们发现宿舍内养宠物的现象很少［5-7］。

3　测量仪器

在实验中主要用的是丹麦仪器——室内空气品质测试仪（Indoor Air Quality Monitor）PS31型，它能纪录的CO2浓度范围是0～5000ppm，相对湿度（RH）范围是0～100%，温度范围是10～45℃。图1是PS31的图示。根据CO2测量精度及仪器的适用性，仪器需要摆放在室内距地面0.5m～1.5m的地方，一般摆放在桌子上尽量靠近过道，距人体至少1.5m，避免人体产生的CO2影响其精度。图中，P1～P5分别代表的意义是：P1－CO2的浓度（ppm）；P2－相对湿度（%）；P3－温度（℃）；P4－时间（h：min）；P5－内存使用（%）。

图1　室内空气品质测试仪

4　CO2方法

人们考虑用新陈代谢产生的CO2作为示踪气体已经有20多年了，其有效性主要是基于以下两个因素：一个是人体的挥发率可以通过人体的身高、体重及活动水平计算出来；另一个就是当室内CO2浓度高于室外时，CO2就可以作为示踪气体。

2004年7月，Petra Barankova介绍了一种用人体新陈代谢产生的CO2作为示踪气体的方法即：计算夜晚室内的通风率——增加法和分析浓度的衰减阶段——衰减法，这种方法被命名为“CO2方法”，而且在此方法的基础上又产生了一种稳定法，由于在论文中使用了衰减法和稳定法，所以在下面只介绍这两种方法［2-3］。图2附上一个房间的CO2浓度的变化曲线。

图2　某一个房间的CO2浓度变化曲线

4.1浓度衰减分析：衰减法

浓度的衰减主要产生在人员离开房间后，CO2就会产生一段衰减，如上图2所示，时间6：40～8：00就是一个浓度的衰减过程。我们需要计算衰减阶段的空气变化率，运算中采用拟合的方法来计算出每个房间的空气变化率，计算公式如下［2］。

c1——曲线最初的浓度（ppm）

Δc——浓度最大的衰减率c1-cout，cout为室外CO2浓度（ppm）

N——所要拟合的每个房间的空气变化率（ach）

τ——测量的时间（h）

指数1代表初始状态，指数2接下来就会别的3所替代，等等以此类推。

CO2方法中的衰减法，主要运用Origin6.1结合CO2浓度的测量数据来进行拟合，从而计算出空气变化率。它是在国内外工程技术人员和大学生中广泛使用的科技数据分析及作图软件。下图3是一个拟合过程精确度的对比曲线，第一个拟合得误差很大，第二个则拟合得很好，这只是给出一个拟合过程的感官描述，即什么是最佳拟合。实验中最大的可接受误差主要在于标准值的数量和曲线拟合的程度，关于怎样去评估误差或拟合程度是可以接受的，Origin6.1在计算中会自动达到最佳拟合状态。

图3　不同精确度的拟合对比曲线

空气变化率计算过程可总结如下：①输入衰减阶段的测量值，并绘出衰减曲线图；②输入公式（1）；③结合实际数据给c1和Δc赋予数值；④给空气变化率N随意赋一个初值，根据公式（1）就可以进行拟合，当图中测量值和计算值之间的曲线达到最佳拟合，即拟合误差最小时，空气变化率就成为一个定值，从而得出了N的最佳值［8-10］。

4.2浓度稳定分析：稳定法

如图2所示，时间2：40～4：40就是一个CO2浓度的稳定过程。稳定法是在CO2方法的基础上产生的一种可供选择的方法，只要夜晚房间的CO2浓度曲线比较稳定，都可以用此方法计算空气变化率，下面公式（2）就是计算在稳定阶段的空气变化率［2］。

FCO2——CO2的挥发率（m3/h）

V——房间的体积（m3）

Ci——所分析时间段内CO2的平均浓度（ppm）

C0——室外CO2的浓度（ppm）

人体产生CO2的挥发率可通过其氧气的消耗来建立关系式（ASHRAE Handbook Fundamentals）：

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

M——单位面积代谢率（met）

RQ——呼吸系数

Height——身高

Weight——体重

呼吸系数是一个恒定常数值0.83，是依照一个平均成年人在轻微活动下产生的量而制定的。从方程中可以明显看出一个人的尺寸和代谢率是非常重要的参数，他们会影响到CO2的挥发率。因此人的身高或活动水平很小的不确定性，就会在挥发率上引起很大的不同。为了避免出现影响CO2挥发率的现象，我们规定了最小和最大的变化范围，身高降低3cm，体重降低5kg，相对应的一个睡眠中人的代谢率是0.7met，身高增加3cm，体重增加5kg，相对应的代谢率是0.75met。0.05met的不同看起来可以忽略，但是CO2的挥发率就会变化20%～30%，所以在计算中取平均值0.725met［3］。

5　实验中的问题

5.1仪器测量精度

CO2方法中要求测量的主要是空气中CO2的浓度，所以人体呼出的CO2浓度会影响仪器的测量精度。学生宿舍空间狭小，一般为5.5m×3.2m×3.1m，除去床的宽度，室内过道只有1.2m，住宿人员又比较密集，一般是4～6人，所以室内走动的人员直接呼出的CO2浓度很容易影响到仪器的测量。仪器要求距离人体至少1.5m，但是在CO2浓度曲线上可以明显看出有人直接对着仪器呼吸的情景，因为浓度达到了2000～2900ppm，所以在做分析计算时这些高浓度的点是要去除的，不然会严重影响计算结果。

5.2季节因素

宿舍是一个特殊的地方，人员流动比较大，所以室内CO2的浓度是很不稳定的。虽然我们计算的是晚上和白天的通风率，晚上人员比较固定，大家都进入了熟睡状态，但是我们测量的时间是逐渐炎热的夏天，计算出来的通风率变化也很大，所以在做不适症状Logistic多因素回归分析时，晚上的通风率与不适症状的影响不是很明显，这与我们测量的季节有关系。

6　对以后工作的建议

由于时间的问题，我们是在夏季做的测量实验，效果不是很好，特别是晚上的通风率，由于天气太热，晚上睡觉时大家都把窗户开的太大，虽然我们付出了很多劳动做实验，花费了很多时间来计算通风率但是效果很不理想；而且测量中室外CO2的浓度很不理想。对以后工作的建议：①在冬季做此类实验；②室外CO2浓度的测量时间要长一些，要选择通风良好的地点。

［1］齐美薇，李晓锋，黄河.示踪气体法利用人体作为CO2释放源测量宿舍换气次数的方法探究［J］.建筑科学.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］朱奋飞，邵晓亮，李先庭.关于示踪气体法测量房间换气量的探讨［A］.全国暖通空调制冷2008年学术年会文集［C］.2008.

［5］郝俊红，等.住宅室内空气污染调查与防治［J］.建筑热能通风空调，2004（23）.

［6］耿世彬，杨家宝.室内空气品质及相关研究［J］.建筑热能通风与空调，2001（2）：29-33.

［7］沈士珍.环境质量分析的数理统计方法［J］.城市环境与城市生态，1996，8（4）：42-45.

［8］李晓峰，朱颖心.示踪气体浓度衰减法在民用建筑自然通风研究中的应用［J］.暖通空调，1997，27（4）：7-10.

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

［10］陈志强.人体体表面积计算方法的比较研究［J］.中国运动医学杂志，2003，22（6）：576-579.

TU834.1

A

1007-7359（2016）04-0291-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.117

包丽锦（1982-），女，河南漯河人，毕业于天津大学，硕士；工程师，国家注册设备工程师。