CN104931102A - 一种基于人体呼出co2测量多区建筑通风量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于人体呼出CO₂测量多区建筑通风量的方法，包括放置CO₂浓度测试仪器，绘制空间平面图；记录居住人员个人信息，记录测试空间的各门窗开闭情况；CO₂浓度测试仪器持续工作24小时以上；把空间分为一个或多个区；计算各区体积；根据居住人员身高体重，活动类型，计算各区人体呼出的CO2量；假定各区通风量初始值；变换各区假设的通风量，拟合CO2浓度曲线，得到最终各区通风量结果。以往示踪气体测试建筑通风量的方法，在经济和实用性上具有一定局限性；以往以CO2为示踪气体的方法只局限于单区建筑。本发明采取有效的假设，进行的建筑通风量计算可应用于多区的空间，解决的多区空间通风量的计算问题，能够简单方便又快速有效的测量计算多区空间的实时通风量大小。

Description

一种基于人体呼出CO2测量多区建筑通风量的方法

技术领域

本发明属建筑测量技术领域，具体涉及一种测量多区建筑通风量的方法。

背景技术

目前对于建筑通风量的测量和计算多采用示踪气体技术。示踪气体技术是根据示踪气体质量守恒方程来计算建筑通风量。根据示踪气体的释放和监测形式该技术可分为三类：(1)示踪气体恒定释放法；(2)示踪气体衰减法；(3)示踪气体恒定浓度法。示踪气体恒定释放法是将示踪气体以恒定的速度不断释放到测试空间中，监测和记录气体浓度，用以计算通风量。示踪气体衰减法是将一定量的示踪气体释放到测试空间中，气体在该空间中浓度混合均匀后，记录初始浓度及浓度的衰减，用以计算通风量。示踪气体恒定浓度法是将示踪气体不断注入到测试空间中，监测并控制空间中该气体浓度保持恒定，记录气体浓度及释放量，用以计算通风量。

常用的示踪气体主要有SF₆，CF₄，CO₂等。使用SF₆，CF₄作为示踪气体的方法花费高，监测仪器不便携，不能进行实地的长时间监测。使用人体呼出的CO₂作为示踪气体的方法，花费低，且气体在空间长期存在，测量仪器便携，可测量实时通风量，测量方便灵活。丹麦技术大学的Petra Stavova博士利用人体呼出的CO₂作为示踪气体发展了单区模型用以测量和计算住宅建筑的通风量(Stavova P.2004.A method for air change rate measurements indwellings based on carbon dioxide produced by people.Master Thesis,TechnicalUniversity of Denmark,Denmark)。但该方法有其局限性，不能用于测量CO₂浓度分布不均匀的多区建筑。因此有待开发新的测量技术和方法。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于人体呼出CO2测量多区建筑通风量的方法，克服现有技术中测量CO2浓度分布不均匀的多区建筑具有局限性的问题。

本发明的技术方案是：一种基于人体呼出CO₂测量多区建筑通风量的方法，该方法包括如下步骤：

(1)放置CO₂浓度测试仪器，绘制空间平面图，标注房间尺寸；

(2)记录居住人员个人信息(如身高、体重)、活动情况及时间、睡觉时间，记录测试空间的各门窗开闭情况；

(3)待CO₂浓度测试仪器工作24小时以上(或更长时间，取决于仪器的存储空间)，取回仪器，录入CO₂浓度数据；

(4)把空间分为一个或多个区；

(5)根据测试所得的房间尺寸，计算各区体积；根据居住人员身高体重，活动类型，利用公式，计算各区人体呼出的CO₂量；

(6)假定各区通风量初始值；

(7)变换各区假设的通风量，拟合CO₂浓度曲线，得到最终各区通风量结果。

所述步骤(1)中，放置CO₂浓度测试仪器的方法为，在人员经常活动的房间放置CO₂浓度测试仪器，例如卧室，客厅，书房等，测试之前，应先对测试仪器进行校正；设定测量间隔时间(一般为1分钟)。仪器的放置位置应在垂直地面以上1-1.5m内,避免放在人员头部正上方。放置位置避免窗户、门等进风区，避免空间内通风不畅的死角区(如屋角)。在此同时，测量室外CO₂浓度20-30分钟，作为CO₂背景浓度参考值。

所述步骤(4)中，把空气分为一个或多个区的方法为，根据空间类型及测试所得的CO₂浓度曲线，把空间分为一个或多个区。当空间内门全开，且各房间CO₂浓度值与整个空间CO₂浓度平均值的逐点差值最大不超过10％时，整个测试空间可视为单区；否则，根据房间功能和CO₂浓度值将整个空间分为多区。

所述步骤(5)中，计算各区人体呼出的CO₂量计算方法为，根据居住人员身高体重，活动类型，计算各区内人员产生的CO₂量。计算每一个人的CO₂产生量时，把人员身高量减去3cm和体重减去5kg之后计算得到的CO₂作为最小CO₂产生量，把人员身高量加上3cm和体重加上5kg之后计算得到的CO₂作为最大CO₂产生量，在最终拟合时，CO₂产生量在最大值和最小值之间变化，最终得到一个最为合适的CO₂产生量，如此用以避免身高体重的错误报告。人体呼出的CO₂量计算公式为：

$F=R\frac{0.00056028\·H^{0.725}\·W^{0.425}\·M}{0.23\·R+0.77}---\left(1\right)$

式中，R表示人员呼吸比，通常取0.83；H表示人员身高；W表示人员体重；M表示人员代谢率。

所述步骤(7)中，通风量计算方法为，把从窗和门通过的气体视为单向流动，根据示踪气体质量守恒公式，计算各区每个间隔时间的CO₂浓度变化量：

$\mathrm{\Δ}c=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{V_{zone}}\·\[F+N\·V_{zone}\·c_{out}+N_1\·V_1\·c_1+N_2\·V_2\·c_2+...+N_n\·V_n\·c_n-(N_1\·V_1+N_2\·V_2+...+N_n\·V_n+N\·V_{zone})\·c\]---\left(2\right)$

式中，Δc是每个间隔时间内所计算空间的CO₂浓度变化量；Δτ是间隔时间；V_zone是所计算空间的体积；F是CO₂释放量；N是所计算空间的通风量；c_out表示室外CO₂浓度值；N₁·V₁是以门相通的隔壁空间的空气流向所计算空间的量，下标从1到n表示相邻的1到n个空间；c₁是Δτ时间段开始时以门相通的隔壁空间的CO₂浓度值，下标从1到n表示相邻的1到n个空间；c是Δτ时间段开始时所计算空间的CO₂浓度值。其中，F可由公式(1)计算而得。

根据最小二乘法，变换各区假设的通风量，使得CO₂浓度测量值和CO₂浓度计算值达到最优拟合，此时的计算过程中所假定的通风量即为最终各区的通风量结果。

本发明的有益效果为：以往利用SF6、CF4示踪气体测试建筑通风量的方法，在经济和实用性上具有一定局限性；以往以CO2为示踪气体的方法只局限于单区建筑。本发明在考虑了空间的风压及热压后，采取有效的假设，在此基础上进行的建筑通风量计算可应用于多区的空间，解决的多区空间通风量的计算问题，能够简单方便又快速有效的测量计算多区空间的实时通风量大小。

附图说明

图1本发明多区建筑通风量测试及计算方法的流程图；

图2本发明气体在二区建筑空间流动的二区模型示意图；

图3本发明气体在三区建筑空间流动的三区模型示意图。

具体实施方式

本发明的最佳实施方式在于计算晚上睡眠期间多区建筑通风量。在此期间人员CO₂产生率、门窗开闭情况处于恒定状态，在室外气候条件没有突变的情况下，认为建筑通风量是一个定值。

为使本发明的技术方案更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。具体测试和计算流程图见图1。

首先要描述的是本发明中获取CO₂浓度实地测试数据的测试方法，具体测试方法包括如下步骤，流程参见图1：

1)在人员经常活动的房间放置CO₂浓度测试仪器，例如卧室，客厅，书房等，测试之前，应先对测试仪器进行校正，设定测量间隔时间(一般为1分钟)，仪器的放置位置应在垂直地面以上1-1.5m内,避免放在人员头部正上方。放置位置避免窗户、门等进风区，避免房间角落等死角区。在此同时，测量室外CO₂浓度20-30分钟，作为CO₂背景浓度参考值。

2)绘制待测空间平面图，标注空间尺寸。

3)记录建筑室内人员个人信息(如身高、体重)、活动安排及对应的时间，记录测试空间的各门窗开闭情况。

4)待CO₂浓度监测完毕后，取回仪器，下载和保存CO₂浓度数据。

其次要描述的是利用CO₂数据计算通风量的方法。图1中给出了本发明的多区建筑通风量计算方法的流程图，包括：

1)根据空间类型及测试所得的CO₂浓度曲线，把空间分为一个或多个区。当空间内门全开，且各房间CO₂浓度值与整个空间CO₂浓度平均值的逐点差值最大不超过10％时，整个测试空间可视为单区，否则，根据房间功能和CO₂浓度值将整个空间分为多区。

2)根据测试所得的房间尺寸，计算各区体积，根据居住人员身高体重，活动类型，计算各区内人员产生的CO₂量，计算每一个人的CO₂产生量时，把人员身高量减去3cm和体重减去5kg之后计算得到的CO₂作为最小CO₂产生量，把人员身高量加上3cm和体重加上5kg之后计算得到的CO₂作为最大CO₂产生量，在最终拟合时，CO₂产生量在最大值和最小值之间变化，最终得到一个最为合适的CO₂产生量，如此用以避免身高体重的错误报告。

3)设定各区通风量初始值，把从窗和门通过的气体视为单向流动，根据示踪气体质量守恒公式，计算各区每个间隔时间的CO₂浓度变化量：

$\mathrm{\Δ}c=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{V_{zone}}\·\[F+N\·V_{zone}\·c_{out}+N_1\·V_1\·c_1+N_2\·V_2\·c_2+...+N_n\·V_n\·c_n-(N_1\·V_1+N_2\·V_2+...+N_n\·V_n+N\·V_{zone})\·c\]---\left(1\right)$

式中，Δc是每个间隔时间内所计算空间的CO₂浓度变化量；Δτ是间隔时间；V_zone是所计算空间的体积；F是CO₂释放量；N是所计算空间的通风量；c_out表示室外CO₂浓度值；N₁·V₁是以门相通的隔壁空间的空气流向所计算空间的量，下标从1到n表示相邻的1到n个空间；c₁是Δτ时间段开始时以门相通的隔壁空间的CO₂浓度值，下标从1到n表示相邻的1到n个空间；c是Δτ时间段开始时所计算空间的CO₂浓度值。其中，F由以下公式计算而得，

$F=R\frac{0.00056028\·H^{0.725}\·W^{0.425}\·M}{0.23\·R+0.77}---\left(2\right)$

式中，R表示人员呼吸比，通常取0.83；H表示人员身高；W表示人员体重；M表示人员代谢率。

4)根据最小二乘法，变换各区假设的通风量，使得CO₂浓度测量值和CO₂浓度计算值达到最优拟合，此时的计算过程中所假定的通风量即为最终各区的通风量结果。

以下是以二区建筑空间为例，具体计算建筑通风量的方法。图2是本发明在二区居住建筑空间的应用示意图。

根据气体体积守恒，进入卧室的气体体积流量应与从卧室出去的气体体积流量相等，即Q₁＝Q₂，客厅的气体体积流量也应满足这一条件，即Q₂+Q₃＝Q₄。

根据示踪气体质量守恒，进入卧室的CO₂质量流量与人员释放的CO₂质量流量之和应与卧室内CO₂质量积累量和从卧室出去的CO₂质量流量之和一致，即

$F+Q_1\·c_{out}=V_1\·\frac{dc}{d\mathrm{\τ}}+Q_2\·c_1---\left(3\right)$

式中，F为人员产生的CO₂质量流量；Q₁、Q₂为进入和从卧室出去的气体体积流量；c_out为室外CO₂浓度；V₁为房间体积；dc/dτ为房间CO₂浓度增量；c₁为卧室CO₂浓度。其中，F可由下列公式(2)计算而得。

卧室的CO₂浓度变化量为：

$\mathrm{\Δ}c=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{V_{zone}}\·\[F+N\·V_{zone}\·c_{out}-N\·V_{zone}\·c\]---\left(4\right)$

式中，Δc是每个间隔时间内卧室的CO₂浓度变化量；Δτ是间隔时间；V_zone是卧室的体积；F是CO₂释放量；N是卧室的通风量；c_out表示室外CO₂浓度值；c是Δτ时间段开始时卧室的CO₂浓度值。其中，F可由公式(2)计算而得。

客厅中的CO₂质量流量也应满足示踪气体守恒公式，即

$Q_3\·c_{out}+Q_2\·c_1=V_2.\frac{dc}{d\mathrm{\τ}}+Q_4\·c_2---\left(5\right)$

式中，Q₃为从室外进入客厅区域的气体体积流量；c_out为室外CO₂浓度；Q₂从卧室进入到客厅区域的气体体积流量；c₁为卧室CO₂浓度；V₂为房间体积；dc/dτ为房间CO₂浓度增量；c₂为客厅区域CO₂浓度。

客厅中的CO₂质量流量也应满足示踪气体守恒公式，即

$\mathrm{\Δ}c=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\τ}}{V_{zone}}\·\[F+N\·V_{zone}\·c_{out}+N_1\·V_1\·c_1-(N_1\·V_1+N\·V_{zone})\·c\]---\left(6\right)$

式中，Δc是每个间隔时间内客厅的CO₂浓度变化量；Δτ是间隔时间；V_zone是客厅的体积；F是CO₂释放量；N是客厅的通风量；c_out表示室外CO₂浓度值；N₁·V₁是卧室的空气流向客厅区域的量，由卧室通风量计算得出；c₁是Δτ时间段开始时卧室的CO₂浓度值；c是Δτ时间段开始时客厅的CO₂浓度值。其中，F可由公式(2)计算而得。

本发明的测试和计算方法可以在更多区空间中的应用。图3是本发明在三区建筑空间应用的示意图。

根据气体体积守恒，进入卧室1的气体体积流量应与从卧室1出去的气体体积流量相等，即Q₁＝Q₃，进入卧室2的气体体积流量应与从卧室2出去的气体体积流量相等，即Q₂＝Q₄，客厅的气体体积流量也应满足这一条件，即Q₃+Q₄+Q₅＝Q₆。

根据示踪气体质量守恒，进入卧室1的CO₂质量流量与人员产生的CO₂质量流量之和应与卧室1内CO₂质量积累量和从卧室1出去的CO₂质量流量之和一致。进入卧室2的CO₂质量流量与人员产生的CO₂质量流量之和应与卧室2内CO₂质量积累量和从卧室2出去的CO₂质量流量之和一致。从卧室1、卧室2和室外进入客厅的CO₂质量流量应与客厅内CO₂质量积累量和从客厅出去的CO₂质量流量之和一致。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于人体呼出CO₂测量多区建筑通风量的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)放置CO₂浓度测试仪器，绘制空间平面图，标注房间尺寸；

(2)记录居住人员个人信息、活动情况及时间、睡觉时间，记录测试空间的各门窗开闭情况；

(3)待CO₂浓度测试仪器工作24小时以上，取回仪器，录入CO₂浓度数据；

(4)把空间分为一个或多个区；

(5)根据测试所得的房间尺寸，计算各区体积；根据居住人员身高体重，活动类型，利用公式，计算各区人体呼出的CO₂量；

(6)假定各区通风量初始值；

(7)变换各区假设的通风量，拟合CO₂浓度曲线，得到最终各区通风量结果。

2.根据权利要求1所述所述基于人体呼出CO₂测量多区建筑通风量的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，放置CO₂浓度测试仪器的方法为，在人员经常活动的房间放置CO₂浓度测试仪器，测试之前，应先对测试仪器进行校正；设定测量间隔时间；仪器的放置位置应在垂直地面以上1-1.5m内,避免放在人员头部正上方；放置位置避免窗户、门等进风区，避免空间内通风不畅的死角区；在此同时，测量室外CO₂浓度20-30分钟，作为CO₂背景浓度参考值。

3.根据权利要求2所述所述基于人体呼出CO₂测量多区建筑通风量的方法，其特征在于，所述测量间隔时间为1分钟。

4.根据权利要求1所述所述基于人体呼出CO₂测量多区建筑通风量的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，把空气分为一个或多个区的方法为，根据空间类型及测试所得的CO₂浓度曲线，把空间分为一个或多个区；当空间内门全开，且各房间CO₂浓度值与整个空间CO₂浓度平均值的逐点差值最大不超过10％时，整个测试空间可视为单区；否则，根据房间功能和CO₂浓度值将整个空间分为多区。

5.根据权利要求1所述所述基于人体呼出CO₂测量多区建筑通风量的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，计算各区人体呼出的CO₂量计算方法为，根据居住人员身高体重，活动类型，计算各区内人员产生的CO₂量；计算每一个人的CO₂产生量时，把人员身高量减去3cm和体重减去5kg之后计算得到的CO₂作为最小CO₂产生量，把人员身高量加上3cm和体重加上5kg之后计算得到的CO₂作为最大CO₂产生量，在最终拟合时，CO₂产生量在最大值和最小值之间变化，最终得到一个最为合适的CO₂产生量，如此用以避免身高体重的错误报告；人体呼出的CO₂量计算公式为：

式中，R表示人员呼吸比，通常取0.83；H表示人员身高；W表示人员体重；M表示人员代谢率。

6.根据权利要求1所述所述基于人体呼出CO₂测量多区建筑通风量的方法，其特征在于，所述步骤(7)中，通风量计算方法为，把从窗和门通过的气体视为单向流动，根据示踪气体质量守恒公式，计算各区每个间隔时间的CO₂浓度变化量：

式中，Δc是每个间隔时间内所计算空间的CO₂浓度变化量；Δτ是间隔时间；V_zone是所计算空间的体积；F是CO₂释放量；N是所计算空间的通风量；c_out表示室外CO₂浓度值；N₁·V₁是以门相通的隔壁空间的空气流向所计算空间的量，下标从1到n表示相邻的1到n个空间；c₁是Δτ时间段开始时以门相通的隔壁空间的CO₂浓度值，下标从1到n表示相邻的1到n个空间；c是Δτ时间段开始时所计算空间的CO₂浓度值；其中，F可由权利要求5中公式(1)计算而得。