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示踪气体浓度衰减法在民用建筑自然通风研究中的应用
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内容提示：用示踪气体浓度衰减法对某会议室的自然通风作了实测研究，分析了影响换气次数的各种因素、示踪气体浓度衰减法的有效性及其正确应用。揭示出不同的房间布置及不同的门窗开启情况对换气次数有很大影响，而示踪气体浓度衰减法是对此进行实验研究的有效手段。
摘要：用示踪气体浓度衰减法对某会议室的自然通风作了实测研究，分析了影响换气次数的各种因素、示踪气体浓度衰减法的有效性及其正确应用。揭示出不同的房间布置及不同的门窗开启情况对换气次数有很大影响，而示踪气体浓度衰减法是对此进行实验研究的有效手段。
关键词：示踪气体 浓度衰减 自然通风 换气次数
Abstract Presents some equations describing tracer gas concentration decay as a base for the experiment, analyses various factors influencing air changes in the room, effectiveness of the technique and its proper implementation, and concludes that the room layout and open-and-shut state of windows and doors in the space measured have a major effect on air changes.Keywords tracer gas, concentration decay, natural ventilation, air change rate
1 引言
由于空调的能耗和室内外环境问题，利用自然通风改善室内环境越来越受到人们的重视。利用自然通风可以提高室内空气的新鲜度，而且经过合理组织，可以充分利用温度较低时的室外空气对房间进行自然冷却，减少建筑的冷负荷以达到节能的目的。特别是在某些昼夜温差较大的北方地区，充分利用自然通风的冷却效果就有可能满足人们对环境舒适性的基本要求。因而研究自然通风与建筑结构的关系对指导民用建筑设计使其符合可持续发展战略有重要意义。（参考《建筑中文网》）
早在50～60年代，我国已有学者对自然通风进行了初步的研究，但随着技术的发展，空调设备的普遍应用，自然通风由于其控制困难越来越受到人们的忽视，仅仅作为空调的一种补充。近年来随着空调应用中各种问题的出现，特别是21世纪社会与地球的可持续发展战略的提出，自然通风的研究又受到人们的重视。由于自然通风情况下风速较小、流向变化不定、通路多，很难用一般测量仪器准确测定。另一方面，研究自然通风的目的是了解室内外空气交换情况，这也不能仅仅通过测定风速得到解决。国外广泛应用的实验研究方法是示踪气体技术，而我国还没有人进行过这项技术的研究，因而对示踪气体实验方法的探索对于自然通风的研究是非常有意义的。
2 示踪气体浓度衰减法的基本原理
利用示踪气体研究建筑物空气渗透透与通风特性在国外已有大约40a的历史[1]，并且发展了各种不同的测量方法[2,3]，而我国在这一领域的研究成果还未见报道。示踪气体应具有的特性包括可测性、稳定性（一般情况下不与空气及其他物质发生物理或化学反应）、无毒性及在自然环境空气中含量较少[1]。对于不同的研究目的，示踪气体浓度衰减法是一种研究单一建筑物渗透通风特性的常用方法[4]。
示踪气体测量方法都基于示踪气体质量守恒方程。取定一个控制体，假设周围环境中示踪气体含量为零，并且在控制体内示踪气体与空气迅速而完全混合，控制体内示踪气体浓度可以用单一值代表，则控制体内示踪气体质量守恒方程来[1]：
（1）
式中：V--控制体体积；
C--示踪气体质量浓度；
t--时间；
F--示踪气体质量释放率；
q--空气流出控制体的体积流量。
示踪气体浓度衰减法是在被研究空间释放一定量的示踪气体，然后在整个实验过程中不再释放，即F（t）=0，则方程（1）可简化为
（2）
其解为
（3）
式中C0为初始时刻示踪气体浓度，当q(t)=const时，
（4）
上述表明在空气交换量恒定的条件下，示踪气体浓度应按指数曲线衰减，指数值与换气量成正比。示踪气体浓度衰减法基于以上方程式进行实验设计及数据整理。
3 实验方法
综合多方因素考虑，选择甲烷（CH4）为示踪气体。甲烷常温下比较稳定，无色无毒，并且相对分子质量①较小，易于扩散与空气混合均匀。当体积分数②在5%和15%之间时，甲烷具有爆炸性，因而控制体积分数在0和100×10-6之间，可以保证实验的安全性。
选择08-b型红外线气体分析仪为测量仪器。此气体分析仪可以连续测出甲烷的体积分数，测量范围0到100×10-6，精度为1%，输出为电压信号，经A/D板转换输入IBM-PC486微机进行数据存储及显示。数据采集软件用Turbo C2.0编写，有于完成I/0口地址设定、输入输出通道选定、输入口数据读取、数据存取显示以及采样间隔控制等功能。
选择一位于3层楼上的小型会议室为实验房间，房间尺寸：长7.9m、宽4.5m、高3.0m、单个窗面积0.7m2、内门面积1.7m2。内门外是直通楼梯间的短走廊。取出房间内物品，便于准确测定房间体积以及示踪气体与室内空气充分混合。把房间沿纵向等分成三部分，每一部分的几何中心设一测点。
4 自然通风研究中的应用
4.1 不同条件下的房间换气次数
4.1.1 研究目的
研究不同的门窗开启情况及门窗相对位置对自然通风换气次数的影响。
4.1.2实验结果
实验时在有窗外墙面测得室外风速为0m/s（测量仪器为热球风速仪，相对误差为5%），各次实验之间室内温差的差别不超过1℃。每个工况重复实验2次以上。
使门窗分别处于不同状况进行实验。起始时刻房间内示踪气体体积分数为90×10-6左右，在房间中心点（图1中P2点）进行测定。图2～4是P2示踪气体体积分数衰减曲线，表1是根据各点测量值整理的房间换气次数的结果。
图1 实验房间测点布置
图2 门窗全闭自然渗透时的体积分数衰减曲线
图3 不同窗户开闭情况时的体积分数衰减曲线
图4 不同门窗开闭情况时的体积分数衰减曲线
表1 不同工况下房间的换气次数
工况编号 | 门窗状况 | 换气次数/h-1 |
exp1 exp2 exp3 exp4 exp5 exp6 exp7 | 全部关闭 仅窗4开 仅窗3开 仅窗3，4开 窗全开 仅窗3，4与门开 仅窗1，2与门开 | 0.72 2.2 3.2 4.9 5.4 18 37 |
4.1.3 分析与结论
分析以上实验数据，可以认为窗的大小、位置以及门窗的相对位置都对房间的换气次数有很大影响。随着窗的面积的增大，换气次数提高。但由工况4和5的结果比较可以发现，当窗的面积增大到一定程度以后，对提高换气次数并没有很大作用。窗的位置对换气次数有显著影响，窗的位置越靠近房间的中间，换气次数越大，而且对房间内不同点的换气的均匀性有很大影响，这一问题将在下一节中详细讨论。门窗的相对位置对换气次数的影响非常显著，门窗的距离越远，换气次数越大。当内门打开时，换气次数大大提高，可以认为门窗的开启示录加强了室内外温差引起的对流换热，从而增大了室内外的空气交换。
4.2 室内不同点的换气均匀性
4.2.1 研究目的
示踪气体与室内空气迅速而彻底地混合是示踪气体浓度衰减法最主要的一个假设，实验条件能否基本满足这一假设是这种实验研究方法正确运用的重要条件。而且换气均匀性是评价自然通风提高室内空气品质效果重要方面。因此需要研究各种自然通风条件下室内不同点的换气均匀性。
4.2.2 实验结果
图5，6，7是在相同的气象条件下（室外风速为0m/s），测点P1、P2、P3在不同自然通风条件下同时测定的实验结果。
图5 门窗全闭自然渗透时的体积分数衰减曲线
图6 窗3开时的体积分数衰减曲线
图7 窗4开时的体积分数衰减曲线
4.2.3 分析与结论
从以上实验结果可以看出，当门窗全闭自然渗透时，房间内的各个点的示踪气体体积分数衰减曲线基本一致，可以认为房间内不同点的换气速率相同，示踪气体体积分数均匀一致，满足示踪气体浓度衰减法的基本假设。可以应用单点测量的示踪气体浓度衰减法测出房间的换气次数。
当有门窗开启时，从实验结果可以看出室内各点示踪气体浓度变化是否一致主要与门窗的位置有关。把图6和图7进行比较，两者都是只开一扇窗，当开靠房间中部的窗3，室内不同点的体积分数衰减基本一致，换气速率大致相同。由此可以得知，当门窗开启时，即使开启面积较小，只要位置适当，仍能保持室内空气新鲜度一致。此时示踪气体浓度基本相同，满足示踪气体浓度衰减法的基本假设，可以应用单点测量的实验方法研究自然通风条件下建筑物的换气情况。对图7的情况，开窗位置靠近房间的角落，在房间中部的P2点及靠近开窗位置的P3点体积分数衰减基本一致，而在远侧的P1点则体积分数衰减相对较为缓慢，这表明远离开窗位置的点换气较差，新风量少。这种情况下，单点浓度测量不再适用，而应采用以多点浓度测量为基础的示踪气体浓度衰减法。考虑提高实验的准确性，应尽量应用多点测量的示踪气体浓度衰减法。从以上两个工况的实验可以看出，开窗的位置对房间内不同点的换气均匀性有很大影响，当靠近房间的中部时，换气均匀而且换气次数较大。
原文网址：http://www.pipcn.com/research/200607/8653.htm
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