需求控制通風(fēng)方式的特點簡介

張文武

（廣州地鐵設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，城市化進程以飛快的速度在發(fā)展。目前，城市化已經(jīng)是一個國家現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。最近幾年以來，工業(yè)化和城市化的高速發(fā)展，城市建筑的數(shù)量也相應(yīng)急劇增加。一個世紀(jì)以前，全世界人口僅14%居住在城市中，到1950年時已超過30%。而現(xiàn)今，平均有50%的人居住在城市及其周邊地區(qū)，在美國這個數(shù)字更是達到了90%。預(yù)計到2100年，全世界80%人口將居住在城市中。

根據(jù)發(fā)達國家的經(jīng)驗，隨著城市的發(fā)展，建筑將會超過工業(yè)、交通等其他行業(yè)而居于社會能耗之首，將達到總能耗的33%左右。如果不采取有效措施，到2020年我國的建筑能耗將會比2005年翻一翻以上[1]。在我國民用建筑中，暖通空調(diào)系統(tǒng)耗能占建筑總耗能的65%左右。而新風(fēng)能耗又占空調(diào)系統(tǒng)能耗的很大一部分。從改善室內(nèi)空氣品質(zhì)講，新風(fēng)量多些為好；但是除特殊用途的必須100%全新風(fēng)的建筑以外，送入室內(nèi)的新風(fēng)除過渡季節(jié)外都得通過熱、濕處理，消耗能量，因此新風(fēng)量宜少些為好。在系統(tǒng)設(shè)計中，新風(fēng)量通常應(yīng)滿足以下兩個要求:1)稀釋人群本身和活動產(chǎn)生的污染物，保證人群對空氣品質(zhì)的要求；2)補充室內(nèi)燃燒所消耗的空氣和局部排風(fēng)量。在全空氣系統(tǒng)中，通常取上述要求中計算出新風(fēng)量的最大值作為系統(tǒng)的最小新風(fēng)量。如果計算所得的最小新風(fēng)量不足總風(fēng)量的10%，則取系統(tǒng)送風(fēng)量的10%。

一般空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計按人均新風(fēng)量取值，這在人員密度波動頻繁的建筑空間中，空調(diào)系統(tǒng)常用的新風(fēng)量存在以下的問題:

能源浪費較為嚴(yán)重。目前，空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)能源浪費很嚴(yán)重，比如地下商場的空調(diào)系統(tǒng)，由于新風(fēng)管道的設(shè)計和新風(fēng)機組的選型均是按各區(qū)域的額定客人數(shù)計算的，所以當(dāng)客流量不高或淡旺季不平衡時，新風(fēng)量就會過大。這樣不但使寶貴的能源白白浪費，而且蒙受經(jīng)濟損失。

新風(fēng)能耗可觀。現(xiàn)在一般規(guī)定要求空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量不應(yīng)小于總送風(fēng)量的10%，同時必須滿足每人20m3/h～50m3/h的新鮮空氣量。按房間通風(fēng)換氣次數(shù)算，大約在0.5次/h～3次/h。處理這些新風(fēng)要付出一定的新風(fēng)能耗，大約占空調(diào)總能耗的30%～40%，數(shù)量相當(dāng)可觀[2]。在地下空間中，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。

由以上可以看出，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過大新風(fēng)量，那么將會使空調(diào)系統(tǒng)大大地節(jié)能。

需求控制通風(fēng)就是從這個基本思想出發(fā)而提出的通風(fēng)策略。需求控制通風(fēng)是一種實時的，基于空間人流密度的的通風(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。它的具體實現(xiàn)形式就是隨著空間人員密度變化，新風(fēng)量的大小能夠相應(yīng)的作出調(diào)節(jié)，使得新風(fēng)量時刻與人員密度相適應(yīng)，這樣就既保證了室內(nèi)空氣品質(zhì)，又預(yù)防了過量通風(fēng)，節(jié)約了能耗。

1 需求控制通風(fēng)方式的工作原理和特點

對需求控制通風(fēng)方式的一個簡單解釋就是:根據(jù)建筑物內(nèi)污染物的濃度（一般為CO2）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，盡最大可能的節(jié)能。自Kusuda 1976年提出用室內(nèi)二氧化碳平均濃度作為控制新風(fēng)量的指標(biāo)以來，需求控制通風(fēng)在80年代得到較大發(fā)展。對二氧化碳含量的控制可以確保空氣流量滿足建筑物實際人流的要求，而不是僅僅維持在設(shè)計該建筑物時假設(shè)的水平。

需求控制通風(fēng)的概念是應(yīng)節(jié)能的要求而提出的，它適用于人員密度較大，人流間歇性變化的場所。對于人流沒有間歇性變化的地方，送風(fēng)量基本維持平衡，設(shè)置“需求控制通風(fēng)”系統(tǒng)的作用不大，不能明顯起到節(jié)能的目的。目前我國大多數(shù)地下空間被用作商場、地下街、地鐵等公共場所，這些場所人員密集，人流間歇性變化，考慮到全球范圍內(nèi)節(jié)能上的要求，需求控制通風(fēng)策略是一個上佳選擇。

需求控制通風(fēng)系統(tǒng)是近年來暖通空調(diào)設(shè)計方面的一大突破。它通過在建筑物內(nèi)外安裝二氧化碳傳感器，計算出室內(nèi)外二氧化碳的濃度差，并將這些信息持續(xù)反饋給中央控制系統(tǒng)，用以進行送風(fēng)控制。這樣做的優(yōu)點是能夠?qū)崟r計算出建筑物內(nèi)的人流并進行相應(yīng)的送風(fēng)操作，為室內(nèi)的空氣質(zhì)量提供了可靠的保障。

與傳統(tǒng)的變風(fēng)量系統(tǒng)比較，由于需求控制通風(fēng)系統(tǒng)是室內(nèi)外實時的二氧化碳濃度差對送風(fēng)量作出調(diào)整的，因而不會出現(xiàn)所謂的“過度送風(fēng)”或“送風(fēng)不足”。另外，由于需求控制通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)崟r探測到建筑物內(nèi)部的人流，這些信息同樣可以被我們利用來進行溫度及濕度控制，為實現(xiàn)建筑物內(nèi)部有一個舒適的熱環(huán)境提供了保證。

一份美國暖氣、制冷及空調(diào)工程師協(xié)會（ASHARE STANDARD 62）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”的研究報告指出，基于建筑物內(nèi)的實際人流，通過控制二氧化碳含量來實現(xiàn)通風(fēng)控制，是一個非常好的方法。實現(xiàn)的關(guān)鍵是控制策略。文章指出，控制的策略會隨著具體環(huán)境，客流密度和對象的改變而改變，控制策略必須遵照ASHARE 62-1989的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定。

問題的關(guān)鍵在于建立起CO2濃度與人均新風(fēng)量之間的關(guān)系。ANSI/ASHRAE Standard 62-1999.3附錄中的給出了一個簡單的數(shù)學(xué)公式[3]

式中 Vp-人均新風(fēng)量，m3/(h·人)；

N-人均的 CO2產(chǎn)生速率，g/(h·人)，根據(jù)勞動強度不同而不同；

Cs-空間中CO2的濃度，ppm；

C0-室外CO2的濃度，一般固定在350～400ppm之間。

根據(jù)這個式子可以看出，人均新風(fēng)量和室內(nèi)外濃度差(Cs-C0)存在著一一對應(yīng)的線性關(guān)系。

將這個等式進行變化，這樣，在一固定新風(fēng)速率下，平衡濃度可以用式（2）計算

室內(nèi)外的濃度差(CS-C0)與人均新風(fēng)量的關(guān)系對于室內(nèi)人員密度是相對獨立的。但是，人員密度會影響室內(nèi)通風(fēng)到達平衡狀態(tài)的時間，上面的等式只適用于通風(fēng)已經(jīng)進入平衡狀態(tài)的情況。

ANSI/ASHRASE Standard 62指出:“如果通風(fēng)能保證室內(nèi)外CO2濃度差不超過700 ppm，人們在生理反應(yīng)上就會感到滿意[4]。”在1.2 MET的辦公工作強度下，平均每人CO2的產(chǎn)生率是0.30 l/min或0.0106 cfm。假設(shè)室外CO2濃度為400ppm，在保證700ppm濃度差的情況下，室內(nèi)CO2的濃度是1100ppm[5]。這相當(dāng)于保持在15cfm（25.5m3/h）的人均新風(fēng)速率下，平衡時室內(nèi)CO2的濃度，如下式所示

如果在上式中用20cfm（34m3/h）的人均新風(fēng)量來代入，那么室內(nèi)外濃度差就相當(dāng)于500ppm，室內(nèi)的濃度就會是900ppm（假設(shè)室外濃度是400ppm）。由此可以看出，在一定勞動強度（1.2MET）下，通風(fēng)達到平衡狀態(tài)時，人均新風(fēng)量的大小與室內(nèi)外CO2濃度差存在一一對應(yīng)關(guān)系。

實際上，一個空間內(nèi)的人員密度經(jīng)常是在不斷變化的，為了維持恒定的室內(nèi)外濃度差，就必須要維持一個穩(wěn)定的人均新風(fēng)量，這也就意味著新風(fēng)量的大小應(yīng)與室內(nèi)人員數(shù)保持正比關(guān)系。

但是實際運行中，不好直接對人員密度進行監(jiān)測，并且由于人員在空間分布的不平均性，以及人員勞動強度，年齡構(gòu)成不一等等，使得即使能檢測出室內(nèi)人員數(shù)來也不一定能夠代表某一空間室內(nèi)空品質(zhì)水平。而CO2易于檢測，與人員數(shù)量直接相關(guān)，并且在一定程度上能夠反映空間污染物濃度，所以目前包括地下建筑在內(nèi)的室內(nèi)空氣質(zhì)量大多以CO2濃度控制新風(fēng)量的方式來實現(xiàn)，這就是基于CO2的“需求控制通風(fēng)”的概念。

需求控制通風(fēng)雖然是一種很好的節(jié)能和優(yōu)化空氣質(zhì)量的策略，然而在某些情況下不一定需要使用，例如:

過渡季當(dāng)室外新風(fēng)焓值低于是室內(nèi)焓值，就沒有必要控制新風(fēng)量大小，而是盡量利用新風(fēng)冷源來冷卻室內(nèi)空氣，這個階段就是全新風(fēng)階段。

當(dāng)天氣過冷或過熱的時候，空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)未必有足夠的能力來處理（加熱或制冷）超負荷的送風(fēng)量，這時我們就應(yīng)該以考慮舒適度（溫度）為前提，不能以二氧化碳濃度差來控制通風(fēng)需求。

送風(fēng)系統(tǒng)存在一個最小送風(fēng)量的問題。在室內(nèi)有人流的時候，即使二氧化碳的濃度足夠低，不再需要通過送風(fēng)來降低二氧化碳濃度，我們?nèi)匀灰阉惋L(fēng)系統(tǒng)的送風(fēng)量設(shè)置在一個最低標(biāo)準(zhǔn)，確保有一定的送風(fēng)量來減少其他對人有害的氣體積聚的可能性。

2 需求控制通風(fēng)方式的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)方面:楊盛旭、韓旭[6]等對需求控制通風(fēng)方式進行了改進研究，設(shè)計制作了仿真試驗平臺，通過監(jiān)測CO2濃度，反映在室人員人數(shù)的動態(tài)變化，得出二氧化碳濃度模擬量與電動訊號閥門開度的函數(shù)關(guān)系，并與傳統(tǒng)的通風(fēng)方式進行了節(jié)能比較。耿世彬、楊家寶[7]研究的基于室內(nèi)空氣品質(zhì)的需求控制通風(fēng)，用CO2濃度作為室內(nèi)人員相關(guān)污染物的控制指標(biāo)，以TVOC作為室內(nèi)建筑相關(guān)污染物的控制指標(biāo)，從而容許在室內(nèi)人員改變或建筑相關(guān)污染物濃度改變時調(diào)節(jié)入室新風(fēng)量，實現(xiàn)了節(jié)能與提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的統(tǒng)一。西南交通大學(xué)戴朝華、朱云芳[8]等以衡量熱舒適性的PMV和反映室內(nèi)空氣質(zhì)量的CO2濃度為控制輸入?yún)?shù)，建立了相應(yīng)的控制策略，分別對變頻空調(diào)器壓縮機、蒸發(fā)器風(fēng)機、新風(fēng)閥(機)和臺式小風(fēng)扇進行控制以同時滿足0＜PMV＜0.5和CO2體積分數(shù)小于1000ppm。建立空調(diào)器系統(tǒng)模型對一典型辦公室進行了計算機仿真，表明熱舒適指標(biāo)(CI)控制與傳統(tǒng)溫(濕)度控制相比，不僅更能滿足舒適性，而且節(jié)能；需求控制通風(fēng)與人均新風(fēng)量標(biāo)準(zhǔn)通風(fēng)相比，節(jié)能效果明顯。

國外:Mike schell，Stephen Turner，Omar Shim[9]根據(jù)對ASHRAE Standard 62的理解，指出了應(yīng)用CO2需求控制通風(fēng)的一些規(guī)則。通過預(yù)測CO2濃度與實測濃度的對比，模擬出在一定的延遲時間內(nèi)，應(yīng)該如何有效的選擇人均新風(fēng)量。John J.Lauria等比較了傳統(tǒng)的定風(fēng)量系統(tǒng)與需求控制通風(fēng)的差異，從理論上說明需求控制通風(fēng)是如何保持室內(nèi)空氣品質(zhì)和降低費用的。并進一步指出辦公室、學(xué)校、會議室以及賓館等所能節(jié)省費用的比例。Mike Schell和Dan Int-Hout闡述了利用CO2來控制新風(fēng)量的原理以及優(yōu)點；介紹了非擴散紅外偵察CO2傳感器和光-聲學(xué)CO2傳感器的使用原理和安裝規(guī)則。Maitin[10]對地下車庫進行研究，認真比較了CO2和CO的濃度，認為CO需求控制通風(fēng)是可行的，并且比CO2需求控制通風(fēng)更合適；在氣流組織上，對置換式通風(fēng)和混合式通風(fēng)兩種通風(fēng)方式進行了比較，指出了各自的使用范圍，并給出了地下車庫傳感器的布置方案；對一典型地下車庫在利用需求控制通風(fēng)前后進行能量對比，發(fā)現(xiàn)使用需求控制通風(fēng)后節(jié)能15%。Kurt Roth等介紹了需求控制通風(fēng)的概念和節(jié)能潛力，并從市場因素考慮需求控制通風(fēng)利用的可行性和必要性。Aircuity公司針對目前CO2需求控制通風(fēng)不能得到廣泛應(yīng)用這種現(xiàn)狀，進行調(diào)查研究，認為主要有三個原因:1）不能反映非人體污染物所需的必要通風(fēng)量；2）控制上的不準(zhǔn)確會導(dǎo)致室外新風(fēng)量過大，造成能源浪費；3）CO2傳感器維護與標(biāo)定的費用相當(dāng)昂貴；為了解決這個問題，Aircuity公司提出了多參數(shù)需求控制通風(fēng)，即MpDCV，指出有必要對TVOC、微粒、甲醛和相對濕度進行控制，這樣就保證了在室內(nèi)CO2濃度相當(dāng)?shù)偷臅r候，仍然有一定的通風(fēng)量，滿足正常的舒適度要求，這種方法需要增加一個測量其他參數(shù)的傳感器，具體需要測量哪個參量需按實際情況而定；將最新科技MSS應(yīng)用于MpDCV能提供一種更好的經(jīng)濟高效的解決方式，它能夠使傳感器測量更精確，而又能降低維修費用，所以能大大的降低運行費用。ASHARE 62介紹了需求控制通風(fēng)的使用條件和應(yīng)用規(guī)則，并給出了不同建筑的室內(nèi)空氣品質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語

需求控制通風(fēng)是通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的運行控制方案，而不是一種新型的設(shè)計方法。所以在需求控制通風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計時只需要考慮相當(dāng)少的一些因素。需求控制通風(fēng)模式應(yīng)用設(shè)計有五個簡單步驟:

確定應(yīng)用需求控制通風(fēng)模式是否適合；根據(jù)建筑行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求估計建筑物內(nèi)滯留人數(shù)，計算各個空間所需的設(shè)計新風(fēng)量。確定由非人員污染物決定的基本通風(fēng)量，這是建筑物使用時期的最小通風(fēng)量。根據(jù)建筑的使用特點和所擁有的設(shè)備決定合適的需求控制通風(fēng)的控制策略。選擇傳感器的種類和安裝地點。

[1]江億.我國建筑能耗趨勢與節(jié)能重點.J.建設(shè)科技.2006，7:10-13.

[2]申林.空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)節(jié)能與室內(nèi)空氣品質(zhì)的改善.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2006:263～264.

[3]ANSI/ASHRAE Standard 62 -2001，Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.

[4]Section 6.1.3. ANSI/ASHRAE Standard 62-1999，Ventilation For Acceptable Indoor Air Quality，ASHRAE，1999.F.

[5]OSHA，Chemical Information Manual，OSHA Instruction CPL2-2.43A， July 1，1991.

[6]楊盛旭，韓旭.新型需求控制通風(fēng)方式研究.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，1999（4）:22～24.

[7]耿世彬，楊家寶.基于室內(nèi)空氣品質(zhì)的需求控制通風(fēng)研究.建筑熱能通風(fēng)空調(diào)，2003（3）:1～3

[8]戴朝華，朱云芳.基于變頻空調(diào)器的舒適性指標(biāo)與室內(nèi)空氣質(zhì)量智能控制研究.暖通空調(diào) 36（4），2006:57～60

[9]Mike B.Schell，Stephen C.Turner， P.E.，R.Omar Shim.Application of CO2-Based Demand Controlled Ventilation Using ASHRAE Standard 62:OptimizingEnergy Use and Ventilation.ASHARE Transactions Symposia，1998:1213～1225

[10]H.Martin.Demand-controlled ventilation in vehicle parks.SenseAir，2001(3)