示蹤氣體濃度衰減法在民用建筑自然通風(fēng)研究中的應(yīng)用

1、示蹤氣體濃度衰減法在民用建筑自然通風(fēng)研究中的應(yīng)用 06-07-10 10:51:00 作者：李曉鋒 朱穎心編輯：凌月仙仙摘要：用示蹤氣體濃度衰減法對(duì)某會(huì)議室的自然通風(fēng)作了實(shí)測(cè)研究，分析了影響換氣次數(shù)的各種因素、示蹤氣體濃度衰減法的有效性及其正確應(yīng)用。揭示出不同的房間布置及不同的門(mén)窗開(kāi)啟情況對(duì)換氣次數(shù)有很大影響，而示蹤氣體濃度衰減法是對(duì)此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的有效手段。 關(guān)鍵詞：示蹤氣體 濃度衰減 自然通風(fēng) 換氣次數(shù) AbstractPresents some equations describing tracer gas concentration decay as a base for the ex

2、periment, 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. Keywordstracer gas, concentr

3、ation decay, natural ventilation, air change rate1 引言 由于空調(diào)的能耗和室內(nèi)外環(huán)境問(wèn)題，利用自然通風(fēng)改善室內(nèi)環(huán)境越來(lái)越受到人們的重視。利用自然通風(fēng)可以提高室內(nèi)空氣的新鮮度，而且經(jīng)過(guò)合理組織，可以充分利用溫度較低時(shí)的室外空氣對(duì)房間進(jìn)行自然冷卻，減少建筑的冷負(fù)荷以達(dá)到節(jié)能的目的。特別是在某些晝夜溫差較大的北方地區(qū)，充分利用自然通風(fēng)的冷卻效果就有可能滿足人們對(duì)環(huán)境舒適性的基本要求。因而研究自然通風(fēng)與建筑結(jié)構(gòu)的關(guān)系對(duì)指導(dǎo)民用建筑設(shè)計(jì)使其符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略有重要意義。 早在5060年代，我國(guó)已有學(xué)者對(duì)自然通風(fēng)進(jìn)行了初步的研究，但隨著技術(shù)的發(fā)展，空調(diào)設(shè)備

4、的普遍應(yīng)用，自然通風(fēng)由于其控制困難越來(lái)越受到人們的忽視，僅僅作為空調(diào)的一種補(bǔ)充。近年來(lái)隨著空調(diào)應(yīng)用中各種問(wèn)題的出現(xiàn)，特別是21世紀(jì)社會(huì)與地球的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的提出，自然通風(fēng)的研究又受到人們的重視。由于自然通風(fēng)情況下風(fēng)速較小、流向變化不定、通路多，很難用一般測(cè)量?jī)x器準(zhǔn)確測(cè)定。另一方面，研究自然通風(fēng)的目的是了解室內(nèi)外空氣交換情況，這也不能僅僅通過(guò)測(cè)定風(fēng)速得到解決。國(guó)外廣泛應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)研究方法是示蹤氣體技術(shù)，而我國(guó)還沒(méi)有人進(jìn)行過(guò)這項(xiàng)技術(shù)的研究，因而對(duì)示蹤氣體實(shí)驗(yàn)方法的探索對(duì)于自然通風(fēng)的研究是非常有意義的。2 示蹤氣體濃度衰減法的基本原理 利用示蹤氣體研究建筑物空氣滲透透與通風(fēng)特性在國(guó)外已有大約40a的

5、歷史1，并且發(fā)展了各種不同的測(cè)量方法2,3，而我國(guó)在這一領(lǐng)域的研究成果還未見(jiàn)報(bào)道。示蹤氣體應(yīng)具有的特性包括可測(cè)性、穩(wěn)定性（一般情況下不與空氣及其他物質(zhì)發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)）、無(wú)毒性及在自然環(huán)境空氣中含量較少1。對(duì)于不同的研究目的，示蹤氣體濃度衰減法是一種研究單一建筑物滲透通風(fēng)特性的常用方法4。 示蹤氣體測(cè)量方法都基于示蹤氣體質(zhì)量守恒方程。取定一個(gè)控制體，假設(shè)周?chē)h(huán)境中示蹤氣體含量為零，并且在控制體內(nèi)示蹤氣體與空氣迅速而完全混合，控制體內(nèi)示蹤氣體濃度可以用單一值代表，則控制體內(nèi)示蹤氣體質(zhì)量守恒方程來(lái)1： （1） 式中：V-控制體體積； C-示蹤氣體質(zhì)量濃度； t-時(shí)間； F-示蹤氣體質(zhì)量釋放率；

6、q-空氣流出控制體的體積流量。 示蹤氣體濃度衰減法是在被研究空間釋放一定量的示蹤氣體，然后在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不再釋放，即F（t）=0，則方程（1）可簡(jiǎn)化為 （2）其解為 （3）式中C0為初始時(shí)刻示蹤氣體濃度，當(dāng)q(t)=const時(shí)， （4） 上述表明在空氣交換量恒定的條件下，示蹤氣體濃度應(yīng)按指數(shù)曲線衰減，指數(shù)值與換氣量成正比。示蹤氣體濃度衰減法基于以上方程式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及數(shù)據(jù)整理。3 實(shí)驗(yàn)方法 綜合多方因素考慮，選擇甲烷（CH4）為示蹤氣體。甲烷常溫下比較穩(wěn)定，無(wú)色無(wú)毒，并且相對(duì)分子質(zhì)量較小，易于擴(kuò)散與空氣混合均勻。當(dāng)體積分?jǐn)?shù)在5%和15%之間時(shí)，甲烷具有爆炸性，因而控制體積分?jǐn)?shù)在0和1001

7、0-6之間，可以保證實(shí)驗(yàn)的安全性。 選擇08-b型紅外線氣體分析儀為測(cè)量?jī)x器。此氣體分析儀可以連續(xù)測(cè)出甲烷的體積分?jǐn)?shù)，測(cè)量范圍0到10010-6，精度為1%，輸出為電壓信號(hào)，經(jīng)A/D板轉(zhuǎn)換輸入IBM-PC486微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示。數(shù)據(jù)采集軟件用Turbo C2.0編寫(xiě)，有于完成I/0口地址設(shè)定、輸入輸出通道選定、輸入口數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)存取顯示以及采樣間隔控制等功能。 選擇一位于3層樓上的小型會(huì)議室為實(shí)驗(yàn)房間，房間尺寸：長(zhǎng)7.9m、寬4.5m、高3.0m、單個(gè)窗面積0.7m2、內(nèi)門(mén)面積1.7m2。內(nèi)門(mén)外是直通樓梯間的短走廊。取出房間內(nèi)物品，便于準(zhǔn)確測(cè)定房間體積以及示蹤氣體與室內(nèi)空氣充分混合。把房間沿縱向等分成三部分，每一部分的幾何中心設(shè)一測(cè)點(diǎn)。4 自然通風(fēng)研究中的應(yīng)用4.1 不同條件下的房間換氣次數(shù) 研究不同的門(mén)窗開(kāi)啟情況及門(mén)窗相對(duì)位置對(duì)自然通風(fēng)換氣次數(shù)的影響。 實(shí)驗(yàn)時(shí)在有窗外墻面測(cè)得室外風(fēng)速為0m/s（測(cè)量?jī)x器為熱球風(fēng)速儀，相對(duì)誤差為5%），各次實(shí)驗(yàn)之間室內(nèi)溫差的差別不超過(guò)1。每個(gè)工況重復(fù)實(shí)驗(yàn)2次以上。 使門(mén)窗分別處于不同狀況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。起始時(shí)刻房間內(nèi)示蹤氣體體積分?jǐn)?shù)為9010-6左右，在房間中心點(diǎn)（圖1中P2點(diǎn)）進(jìn)行