示踪气体法测量新建住宅换气次数的研究

刘淑波，梅爱华

（1.广州建设工程质量安全检测中心有限公司，广东 广州 510440；2.广州市建筑科学研究院有限公司，广东 广州 510440）

0 引言

住宅有效的通风换气对于提升人们所居住的环境质量和改善室内空气品质都有着重要的意义，而达到这一目的最好的方式就是自然通风，自然通风是大自然予以人类的馈赠，不仅可以降温除湿，还可以提高室内空气的新鲜度，也是建筑降低能耗的方式之一［1，2］。但是，现如今随着对建筑物的节能要求越来越高，居室的气密性也越来越好，过于严密的房间会导致室内各种污染物的积聚，对人体生命健康造成危害，文献［3，4］的研究均表明当换气次数＜0.5h-1时，房间内甲醛浓度维持在较高的水平；而当换气次数大于 1.0h-1时，室内甲醛浓度会明显降低。孙浩等［5］、武云云等［6］研究证明随着换气次数的增加，室内氡浓度不断下降，且呈指数下降趋势。樊越胜等［7］研究得出渗透通风不能将室内污染物有效排出室外，大量低排放材料的累积释放浓度仍然可能致使室内污染物浓度超标。因此，如何找到一个平衡点，保障人们免受室内污染物危害的前提下，达到建筑物的节能效果最优至关重要。

针对住宅新风量和换气次数，各个国家有着不同的规定，张文霞等［8］研究不同国家现行标准对居住建筑最小新风量和换气次数的要求得出换气次数为 0.5h-1时可以满足大部分国家通风标准所规定的通风要求，中国对居住建筑换气次数的要求接近平均水平，为 0.45 h-1。实际的新建住宅能否满足这一要求，在什么状态下会满足要求将是本文研究的内容。

测量换气次数的方法有浓度衰减法、恒量释放法和室内恒定浓度法 3 种［9］。浓度衰减法由于可以很方便地测出房间与外界的换气量，且最为简便易行，因此在室内外换气量的测量中得到广泛使用［10］。此外，在示踪气体的选择上，研究发现相比于测试条件，不同种类的示踪气体对于测试精度差距并不是很大［11，12］。因此，以 CO2作为示踪气体来测量各类房间的换气次数得到了广泛应用。为了准确测量住宅的换气次数，国内外的专家学者进行了大量的研究工作［13，14］，归纳总结主要有以下几点问题：①不同计算方法的影响；②测量时间长短的影响；③示踪气体释放浓度大小的影响；④测点位置的影响。本文通过测量广州市几处新建住宅的换气次数，得出房间不同状态下换气次数的同时，探讨不同计算方法和测量时间长短对示踪气体法测量换气次数的影响。

1 测量原理及计算方法

1.1 示踪气体法的测量原理

示踪气体法遵循质量守恒定律，浓度与自然通风量的关系如式（1）所示。

1.2 不同的计算方法

由公式（2）可以得出，计算换气次数的方法有很多种，文献中也研究了 4 种不同的计算方法，分别为：稳态法、非线性回归法、差分法和国标法；文中提到稳态法计算结果的误差较大。因此，本文仅对比研究非线性回归法、差分法和国标法对换气次数测量结果的影响。

1）非线性回归法。非线性回归法利用公式（2）对 CO2浓度数据进行非线性回归计算换气次数。可认为此法计算的新风量最接近真实值。

2）差分法。将式（2）进行差分并整理可得公式（3），根据式（3）可测得各个时间段内的换气次数，测量时间间隔取 4 min。

2 实验方法与设备

2.1 实验现场选择

选择广州市内 3 栋新建住宅的部分房间进行换气次数的测量，其中一栋为装修房，另外 2 栋为毛坯房。装修房选择了 17 层的 9 个卧室和 1 个客厅，毛坯房分别选择了 6 层和 12 层的一间卧室进行不同封闭状态下的换气次数测量，各个被测试房间的测点位置如图 1 所示，具体信息如表 1 所示。

图1 被测房间点位示意图

表1 被测房间信息表

2.2 实验仪器及设备

1）示踪气体：CO2的气源来自于手提式二氧化碳灭火器。

2）监测设备：CO2浓度的测量采用 TES1370 型CO2实时监测仪，其基本原理是采用非分散红外法来测量周围环境的 CO2浓度。

3）其他辅助设备：小型风扇、板凳（高约 60 cm）、密封胶条等。

2.3 实验内容

当房间处于 3 种不同的状态下，分别测量其换气次数。3 种状态分别为：状态 1-房间全封闭；状态 2-房间内的空调孔洞打开；状态 3-房间内空调孔洞打开的同时，窗户打开一定的宽度。下文描述各房间实验状态时以状态 1、状态 2、状态 3 表示。

2.4 实验方法

首先，测量 CO2的环境本底浓度。然后，在被测房间分别处于 3 种不同的状态下，向房间内喷入足量的 CO2气体（达到或超过仪器的最大量程），打开风扇搅拌室内的空气 3 min，使 CO2气体充分混合均匀。最后，关闭风扇，实时监测 CO2浓度，仪器设置为每 4 min记录一个数据，当仪器显示的数据明显低于初始浓度或接近环境本底浓度时停止测量，导出 CO2的监测数据，进行处理、计算。由于所有实验被测住宅的房间面积均较小，故认为 CO2的浓度分布均匀，测点数量均为 1 个，且布置在被测房间的中心位置。整个测量的过程中，喷入 CO2气体、开关风扇时有人员的短暂停留，其余时段均为无人状态。

2.5 质量保障措施

保障所有测量仪器均在检定周期内；每一个房间测量时保障所有的操作流程一致，减少操作误差。

3 实验结果与讨论

3.1 不同的计算方法对换气次数测量结果的影响

在本研究中，非线性回归法采用 Excel 软件对 CO2浓度进行非线性回归；差分法和国标法直接根据公式（3）和公式（4）进行计算；3 种方法均取测量时间段内的平均值作为最终的换气次数结果。经过计算，得出 3 种方法的测量结果如图 2 所示。

图2 3 种不同计算方法的换气次数测量结果及相对偏差图

由图 2 可知，差分法与非线性回归法计算得到的换气次数结果相差甚微，25 组数据中只有一组的相对偏差大于 5 %，为 6.6 %。其余均小于 5 %，且最小相对偏差为 0.05 %。国标法与非线性回归法相比，计算得到换气次数的结果相差较大，最小相对偏差为 0.08 %，最大为19.38 %。虽然均在 20 %以内，但数据的波动较大。

3.2 测量时间长短对换气次数结果的影响

国家标准 GB/T 18204.1－2013《公共场所卫生检验方法 第一部分：物理因素》中规定：示踪气体的初始浓度应达到至少经过 30 m i n，测量从开始至 30～60 min 时间段示踪气体浓度。本文选用部分房间用国标计算方法的实时结果与平均值进行对比分析，具体情况如图 3、图 4 所示。

图3 换气次数随测量时间的变化图（一）

图4 换气次数随测量时间的变化图（二）

由图 3 可知，当换气次数为 0.5～1.3 h-1时，30 min内的数据较为离散，随着测量时间的延长，测量结果趋于稳定，这一结果与国标中的测量要求吻合。当换气次数小于 0.2 h 时，测量结果达到稳定的时间较长，基本在 2 h 左右，随着测量时间的延长，测量结果可长时间内趋于稳定，具体变化如图 4 所示。因此，在测量房间换气次数前，可以预估换气次数的大小，适当地调整测量时间。

3.3 不同状态下各个房间内换气次数的测量结果

测量 3 个新建住宅共计 11 个卧室，1 个客厅不同状态下的换气次数，得出如表 2 所示的测量结果。表中的换气次数数据采用非线性回归法计算得到的测量结果。表中各个房间的基本信息如表 1 所示。

表2 各个房间的换气次数测量结果

由表 2 的测量数据可知，在卧室全封闭的状态下，换气次数均小于 0.5 h-1，最小为 0.12 h-1，最大为 0.42 h-1，且 70 % 以上的测量结果小于 0.3 h-1。这一状态下的卧室换气次数远未达到世界各国的平均水平。当让被测房间处于状态 2 时，换气次数显著提升，装修房和毛坯房 2 的换气次数均可达到 0.5 h-1以上。但是，毛坯房 1 的换气次数虽有提升，但仅维持在 0.3 h-1左右，这可能跟当时的室外温度较高，风速较低等气象条件有关。当被测房间处于状态 3 时，换气次数均可达到 1.0 h-1，大大改善了房间内的通风换气效果。因此，可以得出在房间内有一个直径大小约为 6 cm 的孔洞或同时让窗户打开一条小缝时，就可以大大提升房间内的换气次数，达到世界各国的平均水平。

4 结论

1）针对不同的计算方法对换气次数测量结果的影响，得出使用自动实时监测仪器对住宅的房间进行无人监测时，差分法与非线性回归法计算得到的换气次数结果相差甚微，相对偏差基本保持在 5 % 以内。国标法与非线性回归法相比，计算得到换气次数的结果相差较大，最大为 19.38 %，虽然均在 20 % 以内，但数据的波动较大。

2）测量时间的长短对换气次数的测量结果是有影响的，当换气次数为 0.5～1.3 h-1时，30 min 内的数据较为离散，随着测量时间的延长，测量结果趋于稳定。当换气次数小于 0.2 h-1时，测量结果达到稳定的时间较长，基本在 2 h 左右，随着测量时间的延长，测量结果可长时间内趋于稳定。因此，在实际的测量过程中可以先预估换气次数的大小，适当的调整测量时间。

3）在被测的 11 个卧室和 1 个客厅中，在卧室全封闭的状态下，换气次数均小于 0.5 h-1。客厅全封闭的状态下，换气次数可达到 0.5 h-1以上。当让被测卧室处于状态 2 时，换气次数显著提升，2 个卧室的换气次数可达到 0.5 h-1以上，1 个为 0.3 h-1左右。当被测卧室处于状态 3 时，换气次数均可达到 1.0 h-1，大大改善了房间内的通风换气效果。因此，可以得出在房间内有一个直径大小约为 6 cm 的孔洞或同时让窗户打开一条小缝时，就可以大大提升房间内的换气次数，达到世界各国的平均水平。Q