利用人體呼出的CO2濃度測定新風(fēng)量

1、自然通風(fēng)教室內(nèi)空氣滲透和通風(fēng)換氣次數(shù)的測定摘要:測量自然通風(fēng)高校教室的空氣滲透和通風(fēng)換氣次數(shù)對了解并改善教室室內(nèi)空氣品質(zhì)有重要意義。本文以人體釋放的CO2作為示蹤氣體，對高校教室內(nèi)人體釋放的CO2濃度進(jìn)行了大量長期的監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)過程中同時(shí)記錄師生對門窗開關(guān)情況。利用最小二乘法對門窗全關(guān)以及不同門窗開啟方式下的CO2濃度變化進(jìn)行線性擬合，計(jì)算得到新風(fēng)量和換氣次數(shù)。結(jié)果表明：門窗全關(guān)時(shí)大多數(shù)教室室內(nèi)換氣次數(shù)遠(yuǎn)低于0.5ach；只開啟門或者廊窗并不能明顯改善室內(nèi)的通風(fēng)狀況；同時(shí)開啟外窗和門，有利于改善室內(nèi)通風(fēng)狀況，但是仍然不能完全滿足人均新風(fēng)量的要求。關(guān)鍵字：空氣滲透，通風(fēng)換氣，自然通風(fēng)，教室0引言現(xiàn)

2、代人約有90%的時(shí)間是在室內(nèi)度過，室內(nèi)空氣質(zhì)量與人們的身心健康有非常緊密的關(guān)系。室內(nèi)的通風(fēng)狀況對室內(nèi)的空氣品質(zhì)有重要影響。許多研究表明13室內(nèi)通風(fēng)狀況會影響室內(nèi)熱舒適，空氣品質(zhì)和人體健康，還以間接的方式影響人們的工作效率。如果室內(nèi)新風(fēng)供應(yīng)不足將會增加患病態(tài)建筑綜合癥的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)還會引起人們的抱怨。在國內(nèi)，許多配備了吊扇和壁掛式空調(diào)的教室，通常沒有安裝新風(fēng)系統(tǒng)。與家庭室內(nèi)建筑環(huán)境相比，教室人員密度大，空間更加擁擠，往往通風(fēng)狀況不佳導(dǎo)致室內(nèi)空氣品質(zhì)較差。不像許多的北方城市的教室內(nèi)安裝了采暖系統(tǒng)，在許多夏熱冬冷的地區(qū)，為了保持在寒冷季節(jié)教室內(nèi)的熱舒適性師生更加傾向于關(guān)閉門窗。由于門窗的關(guān)閉，在許多高

3、校教室里普遍存在人員密度大，通風(fēng)狀況不良，教室內(nèi)高濃度的CO2聚積的現(xiàn)象。在一定程度上，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生可能要?dú)w咎于不合理的建筑設(shè)計(jì)。為了提高教室室內(nèi)空氣品質(zhì)，有必要對該區(qū)域的教學(xué)樓進(jìn)行空氣滲透和通風(fēng)性能調(diào)查。研究成果可以為今后的教學(xué)樓的設(shè)計(jì)和合理地改善自然通風(fēng)狀況提供有價(jià)值的信息。換氣次數(shù)是了解室內(nèi)通風(fēng)狀況的一個(gè)重要參數(shù)。目前測量室內(nèi)換氣次數(shù)最常用的方法是示蹤氣體上升法、下降法、恒量釋放法以及室內(nèi)恒定濃度法4。而上升法和下降法是依據(jù)質(zhì)量守恒定律，在被測空間內(nèi)釋放一定劑量的示蹤氣體，通過分析示蹤氣體濃度隨時(shí)間的變化計(jì)算出新風(fēng)量。這2種方法現(xiàn)已被廣泛的用來測量室內(nèi)換氣次數(shù)。國內(nèi)外測量室內(nèi)自然通風(fēng)量

4、的示蹤氣體主要有sf6和co2。sf6安全穩(wěn)定，在一定使用范圍內(nèi)對人體無害，但sf6是溫室氣體，價(jià)格相對較貴，使用受到一定的限制。CO2容易獲得，價(jià)格低廉，監(jiān)測儀器操作方便，并且可以利用人體釋放的CO2作為示蹤氣體測量房間的新風(fēng)量和換氣次數(shù)。國內(nèi)外對利用人體釋放的CO2作為示蹤氣體測量房間的新風(fēng)量和換氣次數(shù)已有一定的研究。P.Stavova5等對人體在睡眠狀態(tài)下產(chǎn)生的CO2濃度進(jìn)行了監(jiān)測，并利用最小二乘法對計(jì)算出室內(nèi)的換氣次數(shù)。齊美薇利用人體作為CO2釋放源，對大學(xué)學(xué)生宿舍換氣次數(shù)進(jìn)行了測量，并對CO2分布的均勻性及測試方法的可靠性進(jìn)行了驗(yàn)證。M.W.Qi等對44個(gè)年輕中國人分別在安靜和活動狀

5、態(tài)下CO2釋放量進(jìn)行了測量，指出經(jīng)驗(yàn)的CO2釋放量公式高估了中國人CO2的釋放量，并提出了適合中國人的CO2的釋放量公式的修正因子。雖然國內(nèi)對利用人體作為CO2釋放源測量換氣次數(shù)的可行性進(jìn)行了研究，但是大都集中在某個(gè)小的空間或者實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，缺少大范圍的自然通風(fēng)狀況的實(shí)測數(shù)據(jù)支撐。本文對南京市某教學(xué)樓22個(gè)典型教室內(nèi)外CO2濃度進(jìn)行了長期監(jiān)測，利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，對教室的通風(fēng)狀況進(jìn)行了調(diào)查。1測試原理11人體CO2釋放量人體釋放CO2速率主要和人體身高、體重、活動強(qiáng)度以及呼吸系數(shù)等有關(guān)。利用人體釋放的CO2作為示蹤氣體測量房間的新風(fēng)量和換氣次數(shù)，需要知道人體的表面積大小，從而合理地計(jì)算

6、出人體釋放CO2速率。雖然國外對這方面已有一定的研究，但是國內(nèi)已有研究表明國內(nèi)人體表面積計(jì)算公式、CO2釋放量等并不完全適用。依據(jù)文獻(xiàn)89對中國人體表面積公式的驗(yàn)證以及文獻(xiàn)67對人體CO2釋放公式推算的研究成果，適合于中國人體CO2釋放量公式為：（1）F為人體CO2的釋放量，L/s；RQ為呼吸商，主要和人體的飲食結(jié)構(gòu)、健康情況、活動強(qiáng)度等有關(guān)，一般活動強(qiáng)度下取值為0.83；H為人體的身咼，m；M為人體的體重，kg；文獻(xiàn)8調(diào)查顯示：2010年江蘇省1822周歲年齡段男女大學(xué)生平均身咼分別為173.0和160.9厘米，體重分別為64.8kg和52.5kg為了在學(xué)生體重和身高上得到一個(gè)合理的取值范圍

7、,參考文獻(xiàn)7，最小值在女性平均升高和體重的基礎(chǔ)上減去3cm和5kg,最大值在男性平均升高和體重的基礎(chǔ)上加上3cm和5kg依據(jù)公式（1）從而計(jì)算得到人體CO2釋放量的取值范圍。1.2換氣次數(shù)計(jì)算方法當(dāng)教室內(nèi)門窗全關(guān)閉后，室內(nèi)人體不斷呼出CO2，室內(nèi)CO2濃度不斷積聚上升。打開門窗后，新風(fēng)進(jìn)入教室，室內(nèi)CO2濃度得到稀釋，CO2濃度在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)不斷下降。因此數(shù)據(jù)處理時(shí)可以得到一條CO2濃度隨時(shí)間上升和一條下降的曲線。利用示蹤氣體法測量房間通風(fēng)量的原理是示蹤氣體滿足質(zhì)量守恒方程，因此可以得到反映CO2濃度關(guān)系的差分公式：（2）式中，t為時(shí)間，S;V0為監(jiān)測室內(nèi)空氣體積，m3；F為人體釋放CO2速率

8、；N為換氣次數(shù)，ach；C是時(shí)間間隔的起始濃度，ppm；Cout為室外CO2濃度，ppm；可以利用公式（2）和最小二乘法線性擬合CO2上升階段和下降階段從而得到室內(nèi)的換氣次數(shù)。在實(shí)驗(yàn)過程中最大精度地測量室內(nèi)外CO2濃度和房間體積，減小誤差，從而得到室內(nèi)空氣體積。在擬合的過程中CO2濃度限制在一個(gè)最大值和一個(gè)最下小值的取值范圍內(nèi)，但是并不限制換氣次數(shù)的范圍。通過最小二乘法迭代計(jì)算，從而計(jì)算得到換氣次數(shù)N和新風(fēng)量。圖1是207教室開啟2扇門通風(fēng)后的新風(fēng)量和換氣次數(shù)的擬合結(jié)果。實(shí)驗(yàn)方法本文選擇了南京市某教學(xué)樓內(nèi)22個(gè)不同樓層的典型教室進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測。教室外墻側(cè)有4扇外窗，走廊一側(cè)的內(nèi)墻有2扇門，4扇廊

9、窗，教室內(nèi)有11排座椅等物體。實(shí)驗(yàn)前打開教室門窗通風(fēng)，將室內(nèi)積存一個(gè)晚上的CO2濃度稀釋，人員進(jìn)入室內(nèi)后關(guān)閉門窗，開始實(shí)驗(yàn)。監(jiān)測的過程中同時(shí)記錄室內(nèi)人數(shù)、門窗開閉狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)過程中沒有使用風(fēng)扇進(jìn)行加強(qiáng)空氣混合。測試方法參考GB/T18204.24公共場所空氣中二氧化碳測定方法叨的規(guī)定進(jìn)行操作，測試所用儀器主要是EA80型空氣質(zhì)量分析儀（測量精度1ppm）。實(shí)驗(yàn)步驟1）查閱建筑圖紙，根據(jù)教室分布情況、教室面積、朝向、使用頻率等選擇具有代表性的教室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并對教室面積、高度以及其他物體尺寸進(jìn)行測量，得到室內(nèi)空氣體積；2）在學(xué)生進(jìn)入教室前，打開門窗進(jìn)行通風(fēng)20min左右，稀釋室內(nèi)積存的CO2，使監(jiān)測

10、數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。避開風(fēng)口，沿對角線均勻布置23臺監(jiān)測儀器，測點(diǎn)布置高度為1米。在教室外同時(shí)布置一臺儀器監(jiān)測室外CO2濃度；3）等到學(xué)生和教師全部進(jìn)教室入后，關(guān)閉門窗，儀器開始監(jiān)測，每間隔1min記錄1次CO2濃度，實(shí)驗(yàn)人員同時(shí)記錄室內(nèi)人員數(shù)量以及門窗開啟狀態(tài)；4）對記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，采用最小二乘法進(jìn)行擬合得到室內(nèi)的新風(fēng)量及換氣次數(shù)。教室內(nèi)CO2分布均勻性驗(yàn)證新風(fēng)量的測定是基于室內(nèi)CO2濃度均勻混合的假設(shè)進(jìn)行計(jì)算得到的，因此本實(shí)驗(yàn)選取具有代表性的房間207進(jìn)行CO2濃度分布均勻性驗(yàn)證。207教室外墻共有4扇推拉外窗，與外墻對立內(nèi)墻有2扇門，4扇廊窗。教室內(nèi)共有師生78人，房間體積299.88m3

11、。實(shí)驗(yàn)過程中，沿教室對角線均勻布置3個(gè)測點(diǎn)，教室外布置一個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)高度為1米，僅開啟2扇門進(jìn)行監(jiān)測。數(shù)據(jù)處理過程中，先分別對3個(gè)測點(diǎn)CO2濃度進(jìn)行擬合求解得出換氣次數(shù)nn2、n3，再將各個(gè)測點(diǎn)的CO2濃度求和后，算出3個(gè)測點(diǎn)CO2濃度的平均值。最后對平均濃度進(jìn)行線性擬合求解得出平均換氣次數(shù)n0,并算成各點(diǎn)換氣次數(shù)的相對誤差。通過比較圖2,3個(gè)測點(diǎn)CO2濃度值，可以看出3個(gè)測點(diǎn)CO2濃度曲線變化趨勢相似。其中測點(diǎn)3的濃度變化和平均濃度變化最為接近。同時(shí)從表1可以看出計(jì)算的3個(gè)測點(diǎn)換氣次數(shù)相對誤差都在10%以內(nèi)，其中測得3的換氣次數(shù)相對誤差最小?？梢娛覂?nèi)3個(gè)測點(diǎn)的CO2濃度分布較為均勻，計(jì)算得到

12、的結(jié)果能較好的反應(yīng)室內(nèi)的通風(fēng)狀況。0fclscsiocjtime（min）圖2207教室CO2均勻性驗(yàn)證表1207教室換氣次數(shù)測點(diǎn)位置換氣次數(shù)（ach）相對誤差（）測點(diǎn)11.199.2測點(diǎn)20.9810測點(diǎn)31.122.8平均值1.09實(shí)驗(yàn)結(jié)果3.1門窗調(diào)查結(jié)果從圖3中可以看出，在天氣寒冷的季節(jié)如11、12、3月份，教室門窗全關(guān)閉的情況占到當(dāng)月統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的70%以上?？梢姙榱颂岣呤覂?nèi)的熱舒適性，師生更加傾向于關(guān)閉所有門窗來抵御寒冷。在人員密集的教室，門窗全關(guān)閉后，室內(nèi)主要依靠門窗的滲透補(bǔ)充新風(fēng)，這將導(dǎo)致室內(nèi)CO2濃度不斷上升，室內(nèi)空氣品質(zhì)惡化。10、4、5月份的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，隨著氣溫的升高，

13、門窗開啟率明顯提高。但是門窗全開的情況在各個(gè)月份所占比率依然很低，而且實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)即使是在氣溫較高月份如5、10月份，上午第一節(jié)課門窗關(guān)閉的情況比率依然很高。在選擇開門開窗的方式上，從圖中可以發(fā)現(xiàn)10、11、12、3、4、5月份，師生選擇只開門通風(fēng)的比率明顯高于門窗全開的方式。不同的門窗開啟習(xí)慣將對室內(nèi)通風(fēng)狀況產(chǎn)生影響。10080%604020allclosedopendoormonthopendoorsandwindows圖3門窗開啟狀態(tài)調(diào)3.2上升階段測試結(jié)果門窗關(guān)閉后，這時(shí)新風(fēng)主要靠滲透進(jìn)入室內(nèi)。從測試的17間教室滲透風(fēng)量換氣次數(shù)的結(jié)果顯示，只有107教室和215教室換氣次數(shù)超過0.

14、5ach，分別為1.080ach和0.620ach,占到總測試教室數(shù)量的11.76%。但是2間教室人均獲得新風(fēng)量只有3.5ms/h左右遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18883-2002規(guī)定的人均30m3/h。而其他教室換氣次數(shù)都要小于0.5ach，人均新風(fēng)量相比于107和215教室更小。因此寒冷季節(jié)，門窗關(guān)閉是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人體需求的。對于同一教室，在人數(shù)不同，其他實(shí)驗(yàn)條件相同的情況下，計(jì)算出來的通風(fēng)量有所差異。如207教室，三次實(shí)驗(yàn)教室內(nèi)人數(shù)分別為33人、45人、65人，換氣次數(shù)分別為0.163ach、.086ach、.072ach,人數(shù)的增加室內(nèi)換氣次數(shù)在降低。因此人員密度對于教室的換氣次數(shù)可能存在

15、一定的影響。在人數(shù)等因素相同的條件下，測試月份的不同，室外條件的差異，測試出來的換氣次數(shù)也有所差異。如207教室和326教室，3月份同一時(shí)段進(jìn)行的B組實(shí)驗(yàn)計(jì)算得到的換氣次數(shù)為0.368ach,而12月份同一時(shí)間段進(jìn)行的A組實(shí)驗(yàn)換氣次數(shù)是0.163ach，3月份測試的換氣次數(shù)是12月份的2.7倍；326教室3月份測試的換氣次數(shù)是12月份的測試的2.1倍。不同的室內(nèi)外條件測試出來的新風(fēng)滲透換氣次數(shù)有所差異，但17間教室整體測試結(jié)果顯示，門窗的關(guān)閉，室內(nèi)通風(fēng)狀況較差，室外新風(fēng)供應(yīng)不足，難以滿足人體需求。表2門窗全關(guān)換氣次數(shù)教室（門窗全關(guān)）換氣次數(shù)（ach）人均新風(fēng)量（m3/h）1071.0803.8

16、001110.1361.0701130.4753.9302030.1360.920207(A)0.163/0.086/0.0721.480/0.570/0.333207(B)0.3682.2082150.6203.2002180.2682.0003090.1790.9213110.2556.3903130.2342.1603220.4766.790326(A)0.1590.826326(B)0.3331.9403280.3982.0003350.2071.6804180.3502.8603.3下降階段3.3.1廊窗對室內(nèi)新風(fēng)的影響在選擇開窗的習(xí)慣上，師生更傾向于開啟廊窗來通風(fēng)，因此選擇113、

17、311、322三個(gè)面積不同的教室分別進(jìn)行開啟廊窗和不開廊窗通風(fēng)對比實(shí)驗(yàn)。從表中可以看出3間教室，相比與門窗全關(guān)，開啟廊窗后室內(nèi)通風(fēng)狀況都有所提高，其中大教室113和小教室322換氣次數(shù)增幅明顯。雖然3個(gè)教室打開啟廊窗后通風(fēng)性狀況有所提高，但是室內(nèi)換氣次數(shù)整體小于2.0ach，計(jì)算出來的室內(nèi)人均新風(fēng)量也要低于30m3/h。因此僅開啟廊窗，并不能明顯改善室內(nèi)的通風(fēng)狀況。21.510.501.73allclosedopencorridorwindowsClassroom113311322圖4換氣次數(shù)（開啟廊窗）3.3.2開啟外窗通風(fēng)效果圖2結(jié)果顯示開門通風(fēng)的概率要明顯高于開門開窗的概率。然而從調(diào)查的

18、5間只開門和同時(shí)開門開門開窗對不實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖5顯示，教室只開門通風(fēng)的換氣次數(shù)要明顯低于開門開窗的換氣次數(shù)，室內(nèi)通風(fēng)效果并不好。只開門通風(fēng)的教室，換氣次數(shù)大小范圍為0.980-2.340ach其中最小換氣次數(shù)出現(xiàn)在207為0.98ach,人均新風(fēng)量6.077m3/h。最大的換氣次數(shù)出現(xiàn)在309教室，換氣次數(shù)2.34ach,人均新風(fēng)量19.467m3/h。但是開門的基礎(chǔ)上開啟外窗通風(fēng)的教室，室內(nèi)通風(fēng)狀況明顯提高。開門開外窗通風(fēng)的5間教室換氣次數(shù)范圍為1.631-3.400ach，但是即使是同時(shí)開啟門窗進(jìn)行通風(fēng)，大多數(shù)教室室內(nèi)人均新風(fēng)量依然達(dá)不到30m3/h。knca(6Lar6gnancrAopen

19、ABdoorsopenABdoorsandwindowsClassroom43220072520309311322圖5換氣次數(shù)（開門開外窗）4.結(jié)論寒冷季節(jié)室內(nèi)門窗全關(guān)的概率很高，室內(nèi)通風(fēng)狀況不佳，空氣品質(zhì)較差。在氣溫較高的季節(jié)，師生更加傾向于開啟門或者廊窗來通風(fēng)，然而這種通風(fēng)方式并不能明顯提高室內(nèi)的通風(fēng)狀況。開門開窗有利于室內(nèi)形成空氣對流，能夠明顯提高室內(nèi)的通風(fēng)狀況，但是仍然不能滿足室內(nèi)人均衛(wèi)生要求。在寒冷的季節(jié)，選擇一種既能保證人體熱舒適性，又能同時(shí)保證室內(nèi)有一個(gè)良好的自然通風(fēng)狀況有方式還有待研究。參考文獻(xiàn)sepp3/4nenOA，F(xiàn)iskWJ.summaryofhumanresponsetoventilationJ.IndoorAir,2004,14（7）:102118。鄧大躍，蔡金巖，周酉酉等,教室內(nèi)二氧化碳污染和新風(fēng)量測定J環(huán)境科協(xié)與技術(shù)2007，30（9）：45-49.王立鑫，白郁華，劉兆榮等，