建筑節(jié)能現(xiàn)場換氣率檢測技術(shù)研究

一、檢測原理

建筑現(xiàn)場換氣率檢測的核心原理是示蹤氣體法。該方法的科學(xué)依據(jù)是質(zhì)量守恒定律，即在密閉或半密閉的建筑空間內(nèi)，向空氣中釋放已知濃度的示蹤氣體，通過監(jiān)測該氣體濃度隨時間的變化規(guī)律，計算出該空間的通風(fēng)換氣次數(shù)。

1. 質(zhì)量守恒原理：其基本微分方程為：V(dc/dt) = Q(c0 - c) + S。其中，V為房間容積（m³），c為室內(nèi)示蹤氣體濃度（kg/m³或ppm），t為時間（s），Q為通風(fēng)量（m³/s），c0為送風(fēng)中示蹤氣體濃度（通常為0），S為示蹤氣體源釋放速率（kg/s或m³/s）。通過求解此方程，即可得到換氣率。

2. 濃度衰減法原理：在目標(biāo)空間內(nèi)快速釋放示蹤氣體并混合均勻后，停止釋放并開啟通風(fēng)系統(tǒng)。通過監(jiān)測示蹤氣體濃度隨時間的自然衰減曲線，利用公式 ACH = (1/Δt) * ln(C1/C2) 計算換氣率。其中，ACH為每小時換氣次數(shù)（h?¹），C1和C2分別為時間t1和t2時的示蹤氣體濃度，Δt為時間間隔（h）。此方法適用于穩(wěn)態(tài)或接近穩(wěn)態(tài)的通風(fēng)條件。

3. 恒定釋放法原理：在檢測期間，以恒定速率S向空間內(nèi)釋放示蹤氣體，直至室內(nèi)濃度達(dá)到動態(tài)平衡。此時，釋放速率等于排出速率，即 S = Q * c。通過測量平衡濃度c，即可計算出通風(fēng)量 Q = S / c，進(jìn)而求得換氣率。此方法適用于非穩(wěn)態(tài)或變風(fēng)量通風(fēng)條件。

4. 常數(shù)濃度法原理：通過反饋控制，調(diào)節(jié)示蹤氣體的釋放速率S，使室內(nèi)濃度c始終保持在一個恒定值。此時的釋放速率S即等于通風(fēng)量Q與恒定濃度c的乘積（Q = S / c）。此方法精度高，但設(shè)備復(fù)雜，多用于研究。

二、檢測項目

現(xiàn)場換氣率檢測項目可根據(jù)檢測目的和對象進(jìn)行系統(tǒng)分類：

1. 整體建筑氣密性檢測：

   • 項目描述：在建筑所有開口封閉狀態(tài)下，測量在特定壓差（如50Pa）下，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空氣滲透量，通常用換氣次數(shù)N50表示。

   • 目的：評估建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的整體密封性能，是建筑節(jié)能的基礎(chǔ)性檢測。

2. 房間自然滲透換氣率檢測：

   • 項目描述：在門窗關(guān)閉、無機械通風(fēng)的正常使用狀態(tài)下，測量房間在室內(nèi)外溫壓差驅(qū)動下的自然換氣次數(shù)。

   • 目的：評估房間在自然狀態(tài)下的通風(fēng)性能和空氣齡，關(guān)系到室內(nèi)空氣質(zhì)量和能源損耗。

3. 機械通風(fēng)系統(tǒng)有效換氣率檢測：

   • 項目描述：在機械通風(fēng)系統(tǒng)（如新風(fēng)系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)）正常運行狀態(tài)下，測量房間的實際換氣次數(shù)。

   • 目的：驗證通風(fēng)系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計換氣要求，評估其運行效果。

4. 局部區(qū)域氣流組織與換氣效率評價：

   • 項目描述：通過在不同位置布點監(jiān)測示蹤氣體衰減，分析空氣齡、換氣效率、通風(fēng)效率等指標(biāo)。

   • 目的：評價通風(fēng)系統(tǒng)氣流組織的合理性，識別通風(fēng)死區(qū)和短路現(xiàn)象。

三、檢測范圍

換氣率檢測廣泛應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域，具體要求各異：

1. 民用建筑：

   • 住宅建筑：要求滿足室內(nèi)健康通風(fēng)需求，自然滲透換氣率通常有低限值要求，同時N50值需滿足超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)。

   • 公共建筑（辦公樓、商場、醫(yī)院、學(xué)校）：需嚴(yán)格檢測機械通風(fēng)系統(tǒng)的有效換氣率，確保滿足人員密度下的新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)院手術(shù)室、病房等特殊區(qū)域有更高要求。

2. 工業(yè)建筑：

   • 潔凈廠房：換氣率是核心指標(biāo)，需達(dá)到極高的級別（如數(shù)十次至數(shù)百次每小時），以確保潔凈度。

   • 有害物車間：需保證足夠的換氣率，將污染物濃度控制在職業(yè)接觸限值以下，涉及局部排風(fēng)和全面通風(fēng)的檢測。

3. 特殊應(yīng)用領(lǐng)域：

   • 交通運輸工具（高鐵車廂、飛機艙、船舶艙室）：空間密閉，對換氣率的均勻性和有效性有嚴(yán)格標(biāo)準(zhǔn)。

   • 實驗室動物房：對溫濕度、潔凈度和換氣率有精密控制要求，以保障動物福利和實驗準(zhǔn)確性。

   • 數(shù)據(jù)中心：在保障設(shè)備冷卻的同時，需檢測氣密性以防止塵埃侵入和冷量損失。

四、檢測標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對換氣率檢測的方法、儀器和評判均有規(guī)定。

1. 及國外主要標(biāo)準(zhǔn)：

   • ISO 12569：《建筑熱性能-建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)換氣率的測定-示蹤氣體稀釋法》。該標(biāo)準(zhǔn)是基礎(chǔ)性方法標(biāo)準(zhǔn)，詳細(xì)規(guī)定了示蹤氣體法的各種方法、程序和數(shù)據(jù)處理。

   • ASTM E741：《使用示蹤氣體稀釋法測定空氣換氣率的標(biāo)準(zhǔn)試驗方法》。與ISO 12569原理相通，在具體操作細(xì)節(jié)上略有差異。

   • ASHRAE Standard 62.1/62.2：《可接受室內(nèi)空氣質(zhì)量的通風(fēng)》。雖非直接檢測標(biāo)準(zhǔn)，但規(guī)定了各類建筑的小通風(fēng)量要求，是換氣率檢測結(jié)果的評判依據(jù)。

   • EN 13829：《建筑熱性能-建筑透氣性的測定-風(fēng)扇壓力法》。主要針對建筑整體氣密性（N50）的檢測。

2. 中國主要標(biāo)準(zhǔn)：

   • GB/T 34012-2017：《潔凈室及相關(guān)受控環(huán)境 第3部分：檢測方法》。包含了潔凈環(huán)境換氣次數(shù)和換氣率的檢測方法。

   • GB 50736-2012：《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》。規(guī)定了各類房間的設(shè)計新風(fēng)量和換氣次數(shù)。

   • GB/T 21087-2020：《熱回收型新風(fēng)換氣機》。涉及相關(guān)設(shè)備的性能檢測。

   • JGJ/T 260-2011：《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)工程檢測技術(shù)規(guī)程》。包含了通風(fēng)與空調(diào)系統(tǒng)的工程現(xiàn)場檢測方法。

   • 各地超低能耗/近零能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)：均對建筑氣密性N50提出了明確的限值要求。

3. 標(biāo)準(zhǔn)對比分析：

   • 方法統(tǒng)一性：ISO、ASTM和我國標(biāo)準(zhǔn)在示蹤氣體法的基本原理上高度一致。

   • 側(cè)不同：ISO 12569和ASTM E741更側(cè)重于通用的檢測方法學(xué)；而我國標(biāo)準(zhǔn)如GB 50736等更側(cè)重于設(shè)計與驗收的具體指標(biāo)要求；EN 13829則專注于建筑氣密性這一特定項目。

   • 指標(biāo)嚴(yán)苛度：在建筑氣密性方面，歐洲和中國的超低能耗標(biāo)準(zhǔn)對N50的要求普遍嚴(yán)于北美常規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。

五、檢測方法

1. 主要方法：

   • 示蹤氣體濃度衰減法：常用、設(shè)備相對簡單的方法。操作要點：a) 選擇合適、安全、易檢測的示蹤氣體（如六氟化硫SF6、二氧化碳CO2、全氟碳化物PFT等）；b) 釋放氣體并利用循環(huán)風(fēng)扇確保室內(nèi)空氣充分混合均勻；c) 停止釋放后，在代表性位置（避免通風(fēng)口和死角）連續(xù)監(jiān)測濃度衰減；d) 對濃度取自然對數(shù)后與時間進(jìn)行線性回歸，斜率即為換氣率。

   • 示蹤氣體恒定釋放法：操作要點：a) 設(shè)定并校準(zhǔn)示蹤氣體的恒定釋放速率；b) 在室內(nèi)多點監(jiān)測濃度，直至達(dá)到穩(wěn)定；c) 取穩(wěn)定后的平均濃度計算換氣率。此法對釋放裝置的穩(wěn)定性要求高。

   • 風(fēng)機加壓法（Blower Door Test）：專用于建筑整體氣密性檢測。操作要點：a) 在建筑外門安裝帶風(fēng)扇的密封板；b) 風(fēng)扇從室內(nèi)向外抽風(fēng)或向室內(nèi)送風(fēng)，在建筑內(nèi)外建立穩(wěn)定壓差（通常為50Pa）；c) 測量在該壓差下的空氣流量，推算出N50值。

2. 操作要點與影響因素控制：

   • 混合均勻性：是衰減法成功的關(guān)鍵，必須使用風(fēng)扇強力攪拌。

   • 環(huán)境條件：檢測期間應(yīng)記錄室內(nèi)外溫濕度、風(fēng)速風(fēng)向，好在內(nèi)外溫差不大的穩(wěn)定天氣下進(jìn)行，以減少熱壓和風(fēng)壓的干擾。

   • 背景濃度：檢測前需測量示蹤氣體的背景濃度，并在計算中扣除。對于CO2，需考慮人員呼吸的影響。

   • 測點布置：應(yīng)避開送風(fēng)口、回風(fēng)口和角落，在呼吸區(qū)高度（通常為1.1m-1.7m）布點，對于大空間需布置多個測點。

六、檢測儀器

1. 示蹤氣體分析儀：

   • 技術(shù)特點：核心是傳感器。常用類型包括：

     • 紅外光譜吸收型：適用于SF6、CO2等氣體，精度高、響應(yīng)快，是主流選擇。

     • 光離子化檢測器型：對PFT等VOCs敏感，可實現(xiàn)多組分同時檢測。

     • 電化學(xué)傳感器型：常用于CO2，成本較低，但精度和穩(wěn)定性相對遜色。

   • 關(guān)鍵參數(shù)：量程、精度、分辨率、響應(yīng)時間、采樣流量、數(shù)據(jù)記錄功能。

2. 示蹤氣體釋放裝置：

   • 技術(shù)特點：用于恒定釋放法和常數(shù)濃度法。需具備高精度的質(zhì)量流量控制器，以確保釋放速率的恒定和準(zhǔn)確。對于衰減法，也可使用被動釋放源或一次性快速注射裝置。

3. 建筑氣密性測試系統(tǒng)（風(fēng)機加壓法設(shè)備）：

   • 技術(shù)特點：主要由變頻調(diào)速風(fēng)機、風(fēng)量測量裝置、壓差傳感器、密封罩和控制系統(tǒng)組成。風(fēng)機需能產(chǎn)生足夠的壓差和風(fēng)量，系統(tǒng)能自動記錄壓差-風(fēng)量曲線，并計算N50和等效滲漏面積等參數(shù)。

4. 輔助設(shè)備：

   • 循環(huán)風(fēng)扇：用于混合室內(nèi)空氣。

   • 環(huán)境參數(shù)測量儀：用于同步監(jiān)測溫濕度、大氣壓力、風(fēng)速。

   • 數(shù)據(jù)采集器：用于多通道數(shù)據(jù)的自動記錄。

七、結(jié)果分析

1. 數(shù)據(jù)分析方法：

   • 濃度衰減法：將采集到的濃度-時間數(shù)據(jù)在半對數(shù)坐標(biāo)紙上繪制，或?qū)舛热∽匀粚?shù)后與時間進(jìn)行線性擬合。擬合直線的斜率k即為衰減常數(shù)，換氣率 ACH = k (h?¹)。

   • 恒定釋放法：換氣率 ACH = (S / (V * c_avg)) * 3600 (h?¹)。其中S為釋放速率(m³/s)，V為房間容積(m³)，c_avg為平均平衡濃度（與背景濃度的差值，單位為m³/m³或ppm），3600為秒到小時的轉(zhuǎn)換系數(shù)。

   • 數(shù)據(jù)有效性檢驗：檢查擬合曲線的相關(guān)系數(shù)R²，通常要求大于0.98，以確保衰減過程的指數(shù)特性。觀察數(shù)據(jù)點是否偏離擬合直線，分析是否存在混合不均或通風(fēng)不穩(wěn)定的情況。

2. 評判標(biāo)準(zhǔn)：

   • 與設(shè)計值比較：將實測換氣率與暖通空調(diào)設(shè)計圖紙或規(guī)范要求的設(shè)計值進(jìn)行對比，判斷是否達(dá)標(biāo)。

   • 與標(biāo)準(zhǔn)限值比較：依據(jù)GB 50736、GB/T 18883《室內(nèi)空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)范中規(guī)定的小新風(fēng)量或換氣次數(shù)限值進(jìn)行評判。

   • 建筑氣密性評判：根據(jù)JGJ/T 260或超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)，對N50值進(jìn)行分級評價。例如，我國超低能耗建筑標(biāo)準(zhǔn)通常要求N50 ≤ 1.0 h?¹。

   • 綜合性評價：結(jié)合室內(nèi)污染物濃度檢測結(jié)果，評價當(dāng)前換氣率是否足以維持可接受的室內(nèi)空氣質(zhì)量。過低的換氣率可能導(dǎo)致健康風(fēng)險，而過高的換氣率則意味著能源浪費。終目標(biāo)是尋求健康、舒適與節(jié)能之間的佳平衡點。