用示踪气体方法研究通风房间的空气龄

Investigation on air age in a ventilated room with tracer gas technique

0 引言

　　 室内空气品质问题在很多情况下是由通风不当引起的。90年代初，对加拿大、美国、西欧、南美85栋建筑IAQ问题起因的调查结果[1]表明：在引起IAQ问题的所有原因中，通风问题排第一位，占57%。
　　 通风问题一般包括两方面：新风量不足和室内空气分布不合理。对于空调房间来说，提高新风量往往伴随着空调初投资与运行费用的增加，因此，在一定的新风量下，如何合理地设计通风方式以达到良好的房间通风换气效果尤为重要。由于传统的通风设计参数，如换气次数等，很难衡量房间的通风换气效果，而空气龄，也就是空气进入室内来的时间，反映了室内空气的新鲜程度，它可以综合衡量房间的通风换气效果，是评价室内空气品质的重要指标。因此本文应用示踪气体实验技术对通风房间的空气龄进行研究。
　　
1 实验方法

　　1.1 示踪气体技术
　　 对于强制通风，室内空气流速变化较大，如果利用直接或间接测量风速分析流场的方法，则难以对室内空气流动情况进行全面描述，而示踪气体方法正适用于此种情况。虽然示踪气体的研究方法已引入通风行业十余年，但国内鲜有人利用示踪气体研究强制通风，笔者在此方面做了初步的尝试。
　　 本次试验选用甲烷作为示踪气体。甲烷性质稳定，密度较小，易于与空气充分混合，并且对人体无毒无害。虽然甲烷在体积分数为5%～15%时具有爆炸性，但其可测浓度较低。本次实验中控制甲烷最大体积分数约为100×10^-6，较为安全。
　　 利用示踪气体测量空气龄的释放方法有3种[2]：①脉冲法；②上升法；③下降法（或衰减法）。其中下降法最为简单，且实验精度较高，因此本文选用下降法测量空气龄。

　　1.2 实验基本原理[3]
　　 通风的主要目的是将新鲜空气送入工作区，并且将污染料物尽快从工作区排出去。空气龄τp的物理意义是空气进入房间以来的时间，它定量描述了送风空气代替房间原有空气的快慢。
　　 房间中某一点的空气由不同空气龄的空气微团组成，因此该点所有微团的空气龄存在一个频率分布函数f(τ)和累计分布函数F（τ）。累计分布函数F与频率分布函数f之间的关系如下：

　　 　　　　　　　　　（1）

　　 某一点的空气龄τp是指该点所有微团的空气龄的平均值：

　　　 　　　　 　　　（2）

　　 用示踪气体方法测量某一点示踪气体浓度随时间的变化过程，得到该点空气龄的频率分布函数f或累计分布函数F，从而可计算出该点的空气龄。以下降法为例，空气龄的累计分布函数F如下：

　　　 　　　　　 　　（3）

　　 其中，Cp(τ)为测点时刻示踪气体浓度。
　　 于是，采用下降法测量空气龄的计算公式如下：

　　　　 　　　　（4）

　　1.3　测量方法
　　 本文选用QGS-08B型红外线气体分析仪作为示踪气体测量设备。这种仪器可以在实验现场直接连续测定低浓度的甲烷，测量范围0～100×10^-6，精度1%，输出为0～5V的电压信号。此电压信号经PC-1216-K2型A/D板转换成数字信号传入计算机进行数据存储与显示。测点浓度的采样时间间隔可在数据采集软件中设定，本次实验取为8s。
　　 示踪气体测量方法如下：首先，将房间密闭，释放示踪气体；当房间中示踪气体的浓度达到平衡状态（约100×10^-6）后，停止释放示踪气体；此时，开始送风，并打开排风口，同时记录测量点处示踪气体浓度随时间的变化情况，从而计算出测点处的空气龄值。
　　实验房间
　　 实验房间尺寸为5.0m×3.5m×3.0m，有2个送风口（顶送A和侧送B）和5个排风口（1～5），如图1所示。送风口为圆形喷口，送风口A，B直径分别为15cm，21cm。排风口1～5分别为35cm×35cm，35cm×35cm，25cm×35cm，50cm×35cm，35cm×35cm的矩形风口。 　　 　　
　　　　　　
　　　　　　　　　　　　图1 实验房间及测点位置
　　
　　 本文对8种强制通风方式A1，A4，A5，B1，B2，B3，B4，B5进行研究，其中大写字母表示送风口编号，数字表示排风口编号。例如，A1即为送风口为A，排风口为1的工况。在每种通风方式下，对5个测点（1）～（5）的浓度衰减进行测量。房间中风口及测点位置见图1。其中，进风口A中心点的坐标为（2500，3000，2100），进风口B中心点的坐标为（0，2605，2945），单位为mm。测点分别们于房间中心四等分点处。
　　
2　实验结果

　　2.1　实验可靠性检验与数据处理方法
　　 为检验示踪气体在通风房间实验的可靠性，在A1工况下，在测点（1960，1730，1640）处对示踪气体浓度衰减进行了3次测量，3次测量的示踪气体浓度如图2所示。从图中可以看出该实验的重复性较好。
　　
　　　　　
　　　　　　　　　　　　图2 同一地点3次测得的浓度衰减曲线
　　
　　 计算空气龄时，考虑到红外线气体分析仪测量精度有限，当示踪气体浓度为10×10^-6以下时，利用指数形式的拟合公式进行积分计算[2]；而当示踪气体浓度为10×10^-6以上时，则利用梯形法对实验数据进行积分计算；两部分之和除以测点处示踪气体初始浓度即为该测点的空气龄值。
　　

工况

测点（1）

测点（2）

测点（3）

测点（4）

测点（5）

A1

221

286.2

229.3

330.4

256.9

A4

188.4

222.9

186.1

235.9

160

A5

219.1

212.4

172.9

241.9

165.8

B1

224.9

246.1

226.4

222.9

184

B2

242.5

224.5

285.8

246.9

195.1

B

197.6

185.3

218.3

169.7

141.5

B4

334

416.3

288.8

284.1

245.6

B5

299.1

261.7

288.7

237.6

226.3