需求控制通風技術在地下商場的節能研究

劉 京，鄧小池

(1.哈爾濱工業大學市政環境工程學院，哈爾濱150090，liujinghit0@163.com; 2華為技術有限公司中央研發部，廣東深圳518129)

需求控制通風(DCV)系統是根據建筑物內污染物的體積分數(一般為CO2)來確定新風量的大小，使通風系統在保證室內空氣品質的同時，實現節能目的的一種通風系統.該系統能夠實時地保證新風量滿足人員密度變化，因此，非常適合于新風能耗所占比重較大同時人員密度波動較大的建筑［1］.國內外在DCV系統的性能分析［2-3］、控制模式［4］、實際應用［5］以及計算方法［6］等方面已經開展了一些有成效的工作.

近年來隨著我國城市化的高速發展，地下商業建筑獲得了越來越普遍的利用.相比地上建筑，地下商場圍護結構負荷和滲風負荷均較小，高峰期人員密集，設計新風量和人員負荷所占比重均很大.同時，地下商場一天內人流變化明顯，具有典型的早中晚三峰人流曲線，CO2體積分數基本上能反映人流密度［7］.根據以上分析，地下商場應可以采用DCV系統，但到目前為止相關的可行性研究尚未開展.本文擬提出地下商場的DCV模式，并利用數值仿真手段對該模式的節能潛力進行分析評價.

1 適用于地下商場的DCV模式

1.1 地下商場基本新風量的確定方法

需要指出，室內污染物眾多，特別是存在大量與人體活動無關的污染物，僅以CO2體積分數來反映室內空氣品質具有局限性.和顆粒物、甲醛、VOC等其他地上建筑亦常見的污染物相比，氡在地下建筑污染物中具有更大的代表性.其水平比地上建筑高出一個數量級以上［8］.故本研究選取氡作為基本新風量的控制參數，以保證足夠的新風量來稀釋那些非人員造成的污染物.室內氡濃度與通風量的關系如下式:

式中:zb為基本新風量，m3/h;Mc為地下房間的析氡率，Bq/(m3·h).該值可分為墻體、地板等建材析氡率和底層土壤析氡率兩部分，具體計算方法見文獻［9］;V為房間體積，m3;C∞為室內氡濃度的上限值，本文取200 Bq/m3;C0為室外氡濃度，本文取5 Bq/m3.

1.2 夏季空調DCV系統模式

1.2.1 新風量與CO2控制系統

在本DCV系統中，首先建立地下商場CO2體積分數控制系統.如圖1所示，此控制系統是CO2體積分數相對于參考輸入值(商場內CO2體積分數設定值，本研究取1.25×10-3)的偏差進行控制的閉環控制系統.圖中干擾信號為室內人員數所引起的室內CO2體積分數變化量［10］.

圖1 DCV系統關于CO2體積分數控制原理圖

地下商場內新風量和CO2體積分數之間關系可利用如下質量平衡方程:

式中:mCO2(t)、mCO2(t0)為t時刻和初始時刻t0地下商場內空氣中CO2質量，kg;X(τ)、Y(τ)和Z(τ)分別為t時刻地下商場內人員數、CO2體積分數和新風量，m3/h;M0為人體CO2呼出量，取0.045 kg/h;ρCO2為CO2密度，kg/m3;Y0為室外空氣CO2體積分數，本文中取體積分數4.0×10-4.

根據前述內容，利用Simulink建立圖2所示的CO2與新風量控制系統框圖模型.控制系統采用PID控制策略，保持了PI控制穩定性和精度高的特點，更有利于改善控制超調.發信器為CO2傳感器，安置在回風風道內.另外，由于送風帶入CO2以及室內人體釋放CO2量對室內CO2體積分數的影響均有滯后過程，本研究中考慮純滯后時間τz.對于面送風和散流器送風，該值可按9/N(min)估算，其中 N為空調房間的換氣次數［11］.

圖2 地下商場內CO2與新風量控制系統框圖模型

1.2.2 總風量與溫度控制系統

除了CO2體積分數控制之外，提出的DCV模式還考慮了總風量對室溫進行控制.其控制原理與圖1類似，發信器為溫度傳感器.通過調節總風量大小對室溫進行控制，室溫控制指標為25.5℃.對于地下商場，可以忽略壁面傳熱量，引起室內溫度變化的主要是室內人員顯熱熱量、燈光散熱量、設備散熱量和送排風引起的溫升.可以建立如下能量平衡方程:

式中:TN(t)為t時刻商場溫度，℃;qs為人體散熱量，W/人;q1(τ)為照明散熱冷負荷系數，可以在Simulink下的Sources庫中以波形形式給出;qe為商場內熱設備散熱量，W;m(τ)為送風質量流量，kg/h;Ts(τ)為送風溫度，本文中取18℃;M為商場內空氣質量，kg.

根據上述方程，利用Simulink建立圖3所示地下商場總風量與溫度控制系統框圖模型.

圖3 地下商場內總風量與溫度控制系統框圖模型

1.2.3 DCV系統控制總模型

綜上，本文提出的DCV模式中，溫度控制和CO2體積分數控制并列運行但又彼此互為條件:新風量大于總風量的10%，總風量大于新風量.圖4為利用Simulink建立的DCV系統控制總框圖模型，整個仿真系統的模擬流程是:利用室內總風量溫度控制系統、新風量和CO2體積分數控制系統模擬室溫和CO2體積分數的控制過程，然后利用計算所得的室內溫濕度、總風量和新風量進一步計算出空調機組進行空氣處理的耗能和風機能耗，然后輸出結果.仿真過程中選用的時間變量單位為小時，計算步長為自動變步長，但不大于0.001 h.

圖4 DCV系統控制總系統框圖模型

2 地下商場DCV控制效果和能耗分析

2.1 計算條件

選取實際上海地下商場對上述建立的DCV模式的節能潛力進行評價.該工程屬于上海市某地下人防工程中一個防火分區，作商場用，其建筑面積1 166 m2，埋于地下3～8 m.上海市全年氣象條件如圖5所示.每日營業時間為08:00～22:00.工作日和雙休日的客流量如圖6所示. DCV系統基本新風量根據前文方法計算后取5 000 m3/h.當按CO2體積分數計算的新風量低于基本新風量時，則按基本新風量值提供新風量.經整定，CO2體積分數PID控制器的控制參數Kp、Ki和Kd分別取為220，540和2;溫度控制器的控制參數Kp、Ki和Kd分別取30 000，120 000和180.

圖5 上海市全年氣象參數

圖6 工作日和雙休日客流量

考慮到地下商場本身的恒溫恒濕和氣密性，同時商場內人員負荷較大，故上海地區地下商場全年為冷負荷.根據前文所述，本研究提出的DCV模式中新風量和總送風量分別依靠空調機組的排風機和送風機的變頻調節來實現.送風機額定風量50 000 m3/h，全壓1 200 Pa，軸功率22 kW;雙速排風機額定流量25 000/50 000 m3/h，功率10/22 kW，全壓800/1 100 Pa.風機進行變頻控制.冬夏季空氣溫濕度、CO2體積分數均按照相關規范要求設定.空調季節采用最小新風，排風機低速運行;過渡季節排風機盡可能高速運行，以便最大限度利用室外冷源，即air-side economizer技術.但對于上海地區地下商場來說，排風量還需考慮允許的室外最低溫度與最高濕度，以防出現地下建筑墻面結露問題.

2.2 典型工作日仿真結果分析

由圖6可見工作日的營業高峰出現在下班后6:00～8:00，而圖7顯示商場內CO2體積分數在高峰期也保持在體積分數(12.5±0.5)×10-4，溫度在(25.5±0.5)℃波動，能很好地滿足室內熱舒適度和空氣品質要求.夏季空調工作日的風量變化見圖8.無論是新風量還是總風量，其變化規律都追隨人員變化，且大多數情況下要低于設計值.需要指出的是，如前文所述，本研究目前的計算模型雖然考慮了新風量和CO2體積分數變化之間的滯后性問題，但與實際系統運行結果相比尚有差異，需要在今后的工作中進一步研究.

圖7 商場內CO2體積分數和溫度日變化

圖8 商場內風量日變化

2.3 全年能耗分析

將全年的能耗匯總得出如表1所示的結果.作為比較還模擬了傳統CAV和VAV系統.CAV系統的新風量和總風量固定為設計值，VAV系統則只考慮利用總風量控制室溫.由表1可以看出，相比傳統的CAV系統和VAV系統，DCV系統無論是風機能耗(即降低新風量和總風量)還是空調能耗(即降低夏季新風處理能耗)，節能效果均十分明顯，總節能率分別達到22.8%和19.10%.

表1 不同空調通風系統地下商場全年能耗比較 109kJ

3 結語

建立的DCV模式可以很好地控制商場溫度、CO2體積分數在合適的范圍之內，同時節能效果顯著，比CAV系統全年節能22.8%，比VAV系統全年節能19.1%.

［1］ALALAWI M，KRARTI M.Experimental evaluation of CO2-based demand-controlled ventilation strategies［J］. ASHRAE Transactions，2002，108(2):307-317.

［2］NASSIF N，KAJL S，SABOURIN R S.Ventilation control strategy using the supply CO2concentration setpoint［J］.HVAC＆R Research，2005，11(2):239-262.

［3］耿世彬，楊家寶.基于室內空氣品質的需求控制通風研究［J］.建筑熱能通風空調，2003，22(5):1-3.

［4］XU X H，WANG S W.An adaptive demand-controlled ventilation strategy with zone temperature reset for multizone air-conditioning systems［J］.Indoor and Built Environment，2007，16(5):426-437.

［5］WACHENFELDT B J，MYSEN M，SCHILD P G.Air flow rates and energy saving potential in schools with demand-controlled displacement ventilation［J］.Energy and Buildings，2007，39(10):1073-1079.

［6］JEONG J W，CHOI A，NO S T.Improvement in demand-controlled ventilation simulation on multi-purposed facilities under an occupant based ventilation standard［J］.Simulation Modelling Practice and Theory，2010，18(1):51-62.

［7］祁曉霞，潘京.對大型專業商場疏散人數的調查研究［J］.消防科學與技術，2007，24(1):60-63.

［8］付正惠.地下空間熱環境與空氣質量評價［J］.地下空間，1997，17(1):37-42.

［9］黃強.城市地下空間開發利用關鍵技術指南［M］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［10］NASSIF N，ZAHEER-UDDIN M.Simulated performance analysis of a multizone VAV system under different ventilation control strategies［J］.ASHRAE Transactions，2007，113(1):617-629.

［11］王翠華，戴玉龍，蔡培力.基于Matlab/Simulink環境下空調房間仿真模型的建立［J］.大連水產學院學報，2005，25(2):128-131.