蔡坤

（西安科技大學(xué)基建處 陜西西安 710054）

引言

根據(jù)發(fā)達(dá)國家經(jīng)驗(yàn)，隨著城市的發(fā)展，建筑會(huì)超過工業(yè)、交通等行業(yè)而居于社會(huì)能耗之首，將達(dá)總能耗的33%左右。我國民用建筑中，暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗占建筑總能耗的65%左右，而新風(fēng)能耗又占空調(diào)系統(tǒng)能耗的大部分。從改善室內(nèi)空氣品質(zhì)講，新風(fēng)越多越有利。但除具有特殊用途的建筑必須全新風(fēng)及過渡季節(jié)外，送入室內(nèi)的新風(fēng)都得通過熱、濕處理，帶來較大的熱濕負(fù)荷，因此新風(fēng)量越少越利于節(jié)能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，新風(fēng)量通常應(yīng)滿足兩個(gè)要求：1）稀釋人體本身和活動(dòng)產(chǎn)生的氣體，保證人體對空氣品質(zhì)的要求；2）補(bǔ)充室內(nèi)燃燒所消耗的空氣和局部排風(fēng)量。全空氣系統(tǒng)中，通常取上述要求中計(jì)算出新風(fēng)量的最大值作為系統(tǒng)最小新風(fēng)量。如果計(jì)算所得最小新風(fēng)量不足總風(fēng)量10%，則取系統(tǒng)送風(fēng)量的10%。

美國采暖、制冷及空調(diào)工程師協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)90.1-2007[1]規(guī)定：通風(fēng)面積超過50m2和每100m2建筑面積設(shè)計(jì)人數(shù)超過40人的空調(diào)系統(tǒng)必須采用按需控制通風(fēng)，并同時(shí)采用以下至少一種措施：1）風(fēng)側(cè)經(jīng)濟(jì)器；2）自控新風(fēng)閥或設(shè)計(jì)新風(fēng)量大于1.4m3/s。但以下3種情況除外：1）帶有排風(fēng)能量回收裝置；2）多個(gè)空調(diào)區(qū)域沒有采用各區(qū)之間采用集中控制面板通信的直接數(shù)字式控制（direct digital control, DDC）；3）設(shè)計(jì)新風(fēng)量小于0.6 m3/s的空調(diào)系統(tǒng)。

按需控制通風(fēng)（DCV）是一種實(shí)時(shí)的、基于空間人員負(fù)荷密度的通風(fēng)方式，它相對于傳統(tǒng)的定風(fēng)量系統(tǒng)有著巨大節(jié)能潛力[2]。作為新興的一種通風(fēng)控制策略，它通過控制室內(nèi)外CO2濃度差，為工程設(shè)計(jì)和業(yè)主解決了一個(gè)難題：如何在節(jié)能的同時(shí)又優(yōu)化空氣質(zhì)量?本文在分析室內(nèi)CO2濃度和空氣流通率關(guān)系的基礎(chǔ)上，討論了按需控制通風(fēng)系統(tǒng)的基本工作原理、特點(diǎn)及應(yīng)用。

1 室內(nèi)CO2濃度和空氣流通率

遵照國家相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，建筑物的通風(fēng)設(shè)計(jì)可采用兩種途徑凈化室內(nèi)空氣，一是通過送風(fēng)來稀釋室內(nèi)有害氣體的濃度，另一種是如果全部有害氣體可以事先確定，采用空氣過濾裝置和化學(xué)物質(zhì)將其吸收掉。對于目前的建筑物來說，大部分都采用第一種方法。只有在送風(fēng)系統(tǒng)無法滿足建筑物的送風(fēng)需要時(shí)，才考慮使用第二種方法。

室外CO2的最低濃度通常在350～450ppm之間，CO2濃度處于較低狀態(tài)下的空氣通常被人們稱為“新風(fēng)”。CO2主要來源是生物呼吸后排出的廢氣。在建筑物里，人們排放出來的CO2可以通過機(jī)械通風(fēng)、降低氣密性或門窗開啟來稀釋。CO2濃度的增加為我們預(yù)測建筑物內(nèi)的人員負(fù)荷提供了依據(jù)，而CO2濃度的降低則可預(yù)測室外有多少空氣通過流通進(jìn)入建筑物（即新風(fēng)量）[5]。特定環(huán)境下，室內(nèi)外CO2的濃度差取決于新風(fēng)量的大小。同時(shí)，根據(jù)室內(nèi)外的CO2濃度差，可計(jì)算出所需新風(fēng)量。

如果室外CO2的濃度是400ppm，室內(nèi)是1100ppm，室內(nèi)外的CO2濃度差為700ppm，對應(yīng)著有25.5m3/h/人的空氣流通量，此時(shí)人們在生理反應(yīng)上會(huì)感到滿意[6]。大多數(shù)建筑物中，如果CO2的濃度在500～3000ppm之間，通常不認(rèn)為它對人們的健康構(gòu)成威脅，一般情況下超過5000ppm才會(huì)對人產(chǎn)生直接的影響[7]。許多人在室內(nèi)濃度超過1400ppm(或與室外的濃度差超過1000ppm)的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)悶熱、乏力、注意力不集中或感到其它不適。這些癥狀不一定是由CO2過量或缺氧引起的，有可能是由于空氣流通率較低，其它有害或刺激性氣體（來源于人體、室內(nèi)家具或其它設(shè)備的有害氣體，包括丙酮、氨、甲醇、二氧化硫等等）積聚引起的。

CO2的濃度的高低意味著空氣流通率的高低。通常室內(nèi)沒人時(shí)，門窗打開引入新風(fēng)可降低室內(nèi)CO2濃度，從而降低室內(nèi)送風(fēng)需求。不過，CO2濃度低不一定意味著空氣質(zhì)量好，如果室外環(huán)境潮濕、多塵等，打開門窗將導(dǎo)致室內(nèi)空氣質(zhì)量的嚴(yán)重下降。

2 按需控制通風(fēng)原理

一般空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)按人均新風(fēng)量取值。在人員密度頻繁變化的建筑中，空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量設(shè)計(jì)中經(jīng)常遇到以下3點(diǎn)問題：

1）設(shè)備選型不合理。如地下商場的空調(diào)系統(tǒng)，由于新風(fēng)管道的設(shè)計(jì)和新風(fēng)機(jī)組的選型均是按各區(qū)域的額定人數(shù)計(jì)算的，所以當(dāng)人員密度不大或淡季時(shí)，新風(fēng)量就會(huì)過大。這樣大大增大了電耗，空調(diào)運(yùn)行成本也急劇增加。

2）新風(fēng)可能會(huì)帶來較大的能耗。一般規(guī)定空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量不應(yīng)小于總送風(fēng)量的10%，同時(shí)必須滿足每人20m3/h～50m3/h的新風(fēng)量。房間通風(fēng)換氣次數(shù)大致規(guī)定在0.5次/h～3次/h。處理新風(fēng)大約占空調(diào)總能耗的30%～40%。對于地下空間，由于很難利用自然通風(fēng)，建筑壁面的恒溫恒濕以及人員密度增大等原因使得新風(fēng)能耗相對更大，一般約占空調(diào)總能耗的一半以上。

3）降低新風(fēng)能耗與提高室內(nèi)空氣品質(zhì)之間的矛盾?？梢钥闯?，新風(fēng)能耗占建筑總能耗的很大一部分，如果可以采用一定手段消除多余的新風(fēng)量，那么將會(huì)使空調(diào)系統(tǒng)大大地節(jié)能。在保證一定的室內(nèi)空氣品質(zhì)前提下，將新風(fēng)量控制在最小。在提高室內(nèi)空氣品質(zhì)和節(jié)能的雙重要求下，按需控制通風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

人們在室內(nèi)進(jìn)行不同活動(dòng)時(shí)，CO2排放量不同。一般情況下，激烈運(yùn)動(dòng)時(shí)的CO2排放量是靜坐時(shí)的3～4倍。在相同的建筑物（如教室）內(nèi)，如果人員的勞動(dòng)強(qiáng)度基本接近，此時(shí)CO2的排放量就可以被近似計(jì)算或預(yù)測。根據(jù)建筑物內(nèi)具體的人員負(fù)荷，可優(yōu)化設(shè)計(jì)送風(fēng)量和新風(fēng)量，滿足節(jié)能和優(yōu)化空氣質(zhì)量的要求。

按需控制通風(fēng)就是通過連續(xù)不斷地監(jiān)測室內(nèi)外CO2濃度，采用一種封閉式的信息反饋控制回路，對建筑物的通風(fēng)需求進(jìn)行控制，既減少了能源的消耗又保證了室內(nèi)的空氣質(zhì)量。按需控制通風(fēng)的原理可以理解為：根據(jù)建筑物內(nèi)污染物濃度(一般采用CO2濃度為指標(biāo))來確定新風(fēng)量的大小，使通風(fēng)系統(tǒng)在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的同時(shí)，最大限度達(dá)到節(jié)能目的。這種控制方式對室內(nèi)CO2含量的控制可以確?？諝饬髁繉?shí)時(shí)地滿足建筑物實(shí)際人員負(fù)荷的要求，而不是維持設(shè)計(jì)情況下建筑物內(nèi)假設(shè)的水平。

自1976年Kusuda提出用室內(nèi)CO2平均濃度作為控制新風(fēng)量的指標(biāo)以來，按需控制通風(fēng)在歐美等發(fā)達(dá)國家得到較大發(fā)展，是近年來暖通空調(diào)設(shè)計(jì)方面的一大突破。它通過在建筑物內(nèi)外安裝CO2傳感器，計(jì)算出室內(nèi)外CO2濃度差，并將這些信息持續(xù)反饋給中央控制系統(tǒng)，用以控制新風(fēng)量。其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出建筑物內(nèi)的人員負(fù)荷并調(diào)節(jié)新風(fēng)閥、循環(huán)風(fēng)閥和排風(fēng)閥的開度，為室內(nèi)空氣質(zhì)量提供可靠保障，并且使能耗保持在需要的水平，避免了過度送風(fēng)增加的電耗。

一份美國ASHARE標(biāo)準(zhǔn)62.1–2007關(guān)于“提高室內(nèi)空氣質(zhì)量到可接受水平的通風(fēng)設(shè)計(jì)”的研究報(bào)告[4]指出，基于建筑物內(nèi)的設(shè)計(jì)人數(shù)，通過控制CO2含量來實(shí)現(xiàn)通風(fēng)控制，實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是控制策略。因?yàn)榭刂撇呗詴?huì)隨著具體環(huán)境，人員密度和對象的改變而改變，必須遵照ASHARE 62.1–2007的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。

按需控制通風(fēng)適用于人員負(fù)荷有間歇性變化的地方，如教室、會(huì)議室、戲院、接待室或其他辦公場所。對于人員負(fù)荷沒有間歇性變化的地方，送風(fēng)量基本維持平衡，設(shè)置按需控制通風(fēng)系統(tǒng)的作用不大。在夏季，調(diào)節(jié)閥大幅度打開時(shí)會(huì)造成過度送風(fēng)，即房間正壓過大。相反，在冬天或換季的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)送風(fēng)不足，即房間正壓過小。傳統(tǒng)的變風(fēng)量系統(tǒng)也會(huì)存在缺少新風(fēng)量或新風(fēng)量過大的情況，這就會(huì)造成室內(nèi)人員感到不適或浪費(fèi)能源。

3 結(jié)語

按需控制通風(fēng)系統(tǒng)大大減少了建筑物的能源消耗，對于節(jié)能減排具有非常重要意義，這種控制方式已經(jīng)在歐美等發(fā)達(dá)國家迅速普及。有關(guān)按需控制通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求也不斷升級，如美國ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)62.1中，從2004版升級到2007版，又升級到2010版。我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展已經(jīng)付出了沉重的環(huán)境惡化代價(jià)，節(jié)能減排任重道遠(yuǎn)。這種節(jié)能系統(tǒng)是一種節(jié)能和優(yōu)化空氣的有效途徑。

需要指出，該系統(tǒng)不足地方：1）需要一個(gè)大型中央控制系統(tǒng)對收集到的CO2濃度信號進(jìn)行處理及反饋控制，這對于我國的許多建筑物難以實(shí)現(xiàn)。2）結(jié)合建筑物的實(shí)際情況制定適合的策略及控制程序也相當(dāng)關(guān)鍵，只有適當(dāng)?shù)牟呗约由蠂?yán)密的管理，才能為節(jié)能提供可靠的保障。3）現(xiàn)階段許多CO2傳感器對于震動(dòng)、壓力和溫度的變化都比較敏感，現(xiàn)在沒有現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)對傳感器的性能及適用范圍作出評估，這就需要在選擇傳感器的時(shí)候注意使用性能穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。

[1] ANSI/ASHRAE Standard 90.1-2007. Energy standard for buildings except low-rise residential buildings [S].

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