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利用人体呼出的CO2浓度测定新风量

自然通风教室内空气渗透和通风换气次数的测定

摘要:测量自然通风高校教室的空气渗透和通风换气次数对了解并改善教室室内空气品质有重要意义。本文以人体释放的CO2作为示踪气体,对高校教室内人体释放的CO2浓度进行了大量长期的监测,实验过程中同时记录师生对门窗开关情况。利用最小二乘法对门窗全关以及不同门窗开启方式下的CO2浓度变化进行线性拟合,计算得到新风量和换气次数。结果表明:门窗全关时大多数教室室内换气次数远低于0.5ach;只开启门或者廊窗并不能明显改善室内的通风状况;同时开启外窗和门,有利于改善室内通风状况,但是仍然不能完全满足人均新风量的要求。

关键字:空气渗透,通风换气,自然通风,教室

0引言

现代人约有90%的时间是在室内度过,室内空气质量与人们的身心健康有非常紧密的关系。室内的通风状况对室内的空气品质有重要影响。许多研究表明[1~3]室内通风状况会影响室内热舒适,空气品质和人体健康,还以间接的方式影响人们的工作效率。如果室内新风供应不足将会增加患病态建筑综合症的风险,同时还会引起人们的抱怨。在国内,许多配备了吊扇和壁挂式空调的教室,通常没有安装新风系统。与家庭室内建筑环境相比,教室人员密度大,空间更加拥挤,往往通风状况不佳导致室内空气品质较差。不像许多的北方城市的教室内安装了采暖系统,在许多夏热冬冷的地区,为了保持在寒冷季节教室内的热舒适性,师生更加倾向于关闭门窗。由于门窗的关闭,在许多高校教室里普遍存在人员密度大,通风状况不良,教室内高浓度的CO2聚积的现象。在一定程度上,这些现象的产生可能要归咎于不合理的建筑设计。为了提高教室室内空气品质,有必要对该区域的教学楼进行空气渗透和通风性能调查。研究成果可以为今后的教学楼的设计和合理地改善自然通风状况提供有价值的信息。

换气次数是了解室内通风状况的一个重要参数。目前测量室内换气次数最常用的方法是示踪气体上升法、下降法、恒量释放法以及室内恒定浓度法[4]。而上升法和下降法是依据质量守恒定律,在被测空间内释放一定剂量的示踪气体,通过分析示踪气体浓度随时间的变化计算出新风量。这2种方法现已被广泛的用来测量室内换气次数。国内外测量室内自然通风量的示踪气体主要有SF6和CO2。SF6安全稳定,在一定使用范围内对人体无害,但SF6是温室气体,价格相对较贵,使用受到一定的限制。CO2容易获得,价格低廉,监测仪器操作方便,并且可以利用人体释放的CO2作为示踪气体测量房间的新风量和换气次数。国内外对利用人体释放的CO2作为示踪气体测量房间的新风量和换气次数已有一定的研究。P.Stavova[5]等对人体在睡眠状态下产生的CO2浓度进行了监测,并利用最小二乘法对计算出室内的换气次数。齐美薇[6]利用人体作为CO2释放源,对大学学生宿舍换气次数进行了测量,并对CO2分布的均匀性及测试方法的可靠性进行了验证。M.W.Qi等[7]对44个年轻中国人分别在安静和活动状态下CO2释放量进行了测量,指出经验的CO2释放量公式高估了中国人CO2的释放量,并提出了适合中国人的CO2的释放量公式的修正因子。虽然国内对利用人体作为CO2释放源测量换气次数的可行性进行了研究,但是大都集中在某个小的空间或者实验室内进行,缺少大范围的自然通风状况的实测数据支撑。本文对南京市某教学楼22个典型教室内外CO2浓度进行了长期监测,利用最小二乘法进行数据拟合,对教室的通风状况进行了调查。

1.测试原理

1.1人体CO2释放量

人体释放CO2速率主要和人体身高、体重、活动强度以及呼吸系数等有关。利用人体释放的CO2作为示踪气体测量房间的新风量和换气次数,需要知道人体的表面积大小,从而合

理地计算出人体释放CO2速率。虽然国外对这方面已有一定的研究,但是国内已有研究表明国内人体表面积计算公式、CO2释放量等并不完全适用。依据文献[8~9]对中国人体表面积公式的验证以及文献[6~7]对人体CO2释放公式推算的研究成果,适合于中国人体CO2释放量公式为:

(1)

F 为人体CO2的释放量,L /s;

RQ 为呼吸商,主要和人体的饮食结构、健康情况、活动强度等有关,一般活动强度下取值为0. 83;

H为人体的身高,m;

M为人体的体重,kg;

文献[8]调查显示:2010年江苏省18—22周岁年龄段男女大学生平均身高分别为173. 0和160. 9厘米,体重分别为64.8kg和52.5kg.为了在学生体重和身高上得到一个合理的取值范围,参考文献[7],最小值在女性平均升高和体重的基础上减去3cm和5kg,最大值在男性平均升高和体重的基础上加上3cm和5kg.依据公式(1)从而计算得到人体CO2释放量的取值范围。

1.2换气次数计算方法

当教室内门窗全关闭后,室内人体不断呼出CO2,室内CO2浓度不断积聚上升。打开门窗后,新风进入教室,室内CO2浓度得到稀释,CO2浓度在一个时间段内不断下降。因此数据处理时可以得到一条CO2浓度随时间上升和一条下降的曲线。利用示踪气体法测量房间通风量的原理是示踪气体满足质量守恒方程,因此可以得到反映CO2浓度关系的差分公式:(2)

式中,τ为时间,S;

V0为监测室内空气体积,m3;

F为人体释放CO2速率;

N为换气次数,ach;

C1是时间间隔的起始浓度,ppm;

C out为室外CO2浓度,ppm;

可以利用公式(2)和最小二乘法线性拟合CO2上升阶段和下降阶段从而得到室内的换气次数。在实验过程中最大精度地测量室内外CO2浓度和房间体积,减小误差,从而得到室内空气体积。在拟合的过程中CO2浓度限制在一个最大值和一个最下小值的取值范围内,但是并不限制换气次数的范围。通过最小二乘法迭代计算,从而计算得到换气次数N和新风量。图1是207教室开启2扇门通风后的新风量和换气次数的拟合结果。

利用人体呼出的CO2浓度测定新风量

图1 207教室新风量及换气次数

2.实验方法

本文选择了南京市某教学楼内22个不同楼层的典型教室进行连续监测。教室外墙侧有4扇外窗,走廊一侧的内墙有2扇门,4扇廊窗,教室内有11排座椅等物体。实验前打开教室门窗通风,将室内积存一个晚上的CO2浓度稀释,人员进入室内后关闭门窗,开始实验。监测的过程中同时记录室内人数、门窗开闭状态。实验过程中没有使用风扇进行加强空气混合。测试方法参考GB/T18204.24《公共场所空气中二氧化碳测定方法》[9]的规定进行操作,测试所用仪器主要是EA80型空气质量分析仪(测量精度1ppm)。

2.1实验步骤

1)查阅建筑图纸,根据教室分布情况、教室面积、朝向、使用频率等选择具有代表性的教室进行实验,并对教室面积、高度以及其他物体尺寸进行测量,得到室内空气体积;

2)在学生进入教室前,打开门窗进行通风20min左右,稀释室内积存的CO2,使监测数据更加准确。避开风口,沿对角线均匀布置2~3台监测仪器,测点布置高度为1米。在教室外同时布置一台仪器监测室外CO2浓度;

3)等到学生和教师全部进教室入后,关闭门窗,仪器开始监测,每间隔1min记录1次CO2浓度,实验人员同时记录室内人员数量以及门窗开启状态;

4)对记录的数据进行处理,采用最小二乘法进行拟合得到室内的新风量及换气次数。

2.2教室内CO2分布均匀性验证

新风量的测定是基于室内CO2浓度均匀混合的假设进行计算得到的,因此本实验选取具有代表性的房间207进行CO2浓度分布均匀性验证。207教室外墙共有4扇推拉外窗,与外墙对立内墙有2扇门,4扇廊窗。教室内共有师生78人,房间体积299.88m3。实验过程中,沿教室对角线均匀布置3个测点,教室外布置一个测点,测点高度为1米,仅开启2扇门进行监测。数据处理过程中,先分别对3个测点CO2浓度进行拟合求解得出换气次数n1、n2、n3,再将各个测点的CO2浓度求和后,算出3个测点CO2浓度的平均值。最后对平均浓度进行线性拟合求解得出平均换气次数n0,并算成各点换气次数的相对误差。通过比较图2,3个测点CO2浓度值,可以看出3个测点CO2浓度曲线变化趋势相似。其中测点3的浓度变化和平均浓度变化最为接近。同时从表1可以看出计算的3个测点换气次数相对误差都在10%以内,其中测得3的换气次数相对误差最小。可见室内3个测点的CO2浓度分布较为均匀,计算得到的结果能较好的反应室内的通风状况。