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。

　　2.2 实验结果
　　 本文对8种通风方式进行了研究，8种工况分别为：顶送A1，A4，A5；侧送B1，B2，B3，B4，B5。每种通风方式下对5个测点的浓度衰减进行了测量。实验中，在送风前后分别测量室内温度，室温变化均在0.5℃之内，可认为是等温送风。实验过程中同时监测送风量，风量稳定于400m³/h。
　　 8种送风方式下测点处的浓度衰减曲线从略，各测点的空气龄值如表1所示。

　　表1 各工况下（1）～（5）测点的空气龄值 S

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

　　 2.3 分析与讨论
　　 在A1工况中，测点（3）的空气龄较小，表明顶部送入的空气直接到达点（3），同时，部分空气贴附地面至侧壁，导致测点（1）和（5）的空气龄也较小，而测点（2）和（4）处于回流区，因此空气龄较大；在A4和A5工况中，从顶部送入的空气直接向下到达测点（3），同时部分空气侧向流动，很快从排风口排出，导致测点（5）处的空气龄轻小，而测点（2）和（4）处于回流区，空气龄较大。
　　 在B1至B5工况中，由于房间较小，空气从侧壁送入后，贴附吊顶一段距离首先到达对面墙壁，导致测点（5）处的空气龄小。在B1工况中，测点（2）处于回流区，空气龄较大；在B2的工况下，测点（3）和（4）处于回流区，空气龄较大；在B3工况中，测点（3）处于回流区，空气龄较大；在B4和B5工况中，测点（1），（2）和（3）处于加流区，空气龄较大。
　　 从测量结果可以看出，不论顶送还是侧送，凡是送风空气容易到达的地方，空气龄就小；凡是处于回流区中的位置，其空气龄就大，这一结果从一个侧面说明了示踪气体方法的正确性。
　　 空气龄的测量结果一方面反映了各点空气的新鲜程度，另一方面指示了室内空气流动形态，为更好地提高通风换气效果提供了指导。
　　
3　结论

　　 本文采用示踪气体方法，对一通风小室内的5个测点在8种气流组织下的空气龄进行了测量，并对测量结果的可重复性进行了检验，从测量结果可以得出如下结论：
　　对强制通风而言，尽管存在风机等不确定因素的扰动，用示踪气体方法测得的各点的浓度衰减曲线重复性较好，说明示踪气体方法可用于强制通风气流组织的研究；
　　示踪气体的测量结果表明，不论顶送还是侧送，凡是送风空气容易到达的地方，空气龄就小，凡是处于回流区中的位置，其空气龄就大，这一结果证明了示踪气体方法的正确性；
　　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，而空气龄的测量结果一方面反映了各点空气的新鲜程度，另一方面提示了室内空气流动形态，为更好地提高通风换气效果提供了指导，可广泛用于通风空调行业。
　　
参考文献

　　1 Christopher W Collett, James A Ross, Elia M Sterling. Quality assurance strategies for investigating IAQ Problems. ASHRAE J ,1994,(6):42-51.
　　2 李晓锋. 应用示踪气体实验技术研究建筑物内空气流动：[硕士学位论文]. 北京：清华大学热能系,1997.
　　3 Xianting Li, Xiaofeng Li, Yingxin Zhu. Mathematical modeling of air age. Proceedings of the International Symposium on Air Conditioning in High Rise Buildings, Shanghai, 1997.241-246.

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