復雜環(huán)境下高層建筑空氣質量控制

王鐵毅

（山東鋼鐵集團有限公司，山東濟南 250101）

節(jié)能減排

復雜環(huán)境下高層建筑空氣質量控制

王鐵毅

（山東鋼鐵集團有限公司，山東濟南 250101）

通過物聯網采集環(huán)境相關數據，送入信息中心云計算平臺處理，應用模型及模糊控制技術優(yōu)化控制高層建筑空氣質量，調節(jié)室內溫濕度，減少有害氣體濃度，改善了工作環(huán)境。按新的通風換氣方式，每年節(jié)省電費2/3以上。

高層建筑；空氣質量；云平臺；模型控制；模糊控制

1 前言

隨著城市建設步伐的不斷加快，人類賴以生存的自然環(huán)境同時也在發(fā)生了很大的改變，一方面由于工業(yè)化進程，高層建筑林立，工廠和人口密度加大，交通擁堵，汽車尾氣劇增，產生的PM2.5細顆粒物、PM10可吸入顆粒物、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等排放嚴重，影響大氣質量，給城市高層建筑周圍帶來了較大的污染；另一方面各種建筑裝飾材料投放，以及設備、設施、生活用品的大量使用，致使甲醛、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、懸浮顆粒、浮游微生物等空氣危害因子大幅增加，室內空氣品質明顯惡化，影響人類健康。

因此，不考慮現實的大氣污染情況，單純采取以往常用的定時通風換氣方式，已難以解決復雜環(huán)境下高層建筑空氣質量問題。必須采用全新的方式，綜合思考多種因素進行系統(tǒng)治理，以滿足現代人對綠色節(jié)能和辦公舒適度的要求。基于智能控制技術，充分利用高層建筑周邊的自然條件，捕捉并采集最佳時段的最好空氣，合理“儲備”與“消費”，應是低成本解決此類問題的有效途徑之一。現以山鋼新建37層辦公樓為背景，探討大氣污染條件下高層建筑空氣質量的控制問題。

2 基本控制原理

2.1 空氣質量控制

按時接收國家環(huán)保部公布的大氣質量指數，并實時監(jiān)測高層建筑空氣質量指標。當接收到的本區(qū)域大氣質量指數處于良好值域時，自動開啟樓宇送、排風設施供應新風，直到規(guī)定時長。在大氣持續(xù)污染（即大氣質量指數AQI≥100）情況下，嚴格控制新風系統(tǒng)，按大氣質量描述模型調節(jié)樓內空氣質量。當大氣污染嚴重時（即大氣質量指數AQI≥200），關閉樓宇送、排風設施，保持其封閉狀態(tài)，減少大氣污染。

設預測的大氣質量指數理想時段（點）為T和最佳值為A，實測的大氣質量指數為a，其時段（點）為t，則：當a∈良好，開啟樓宇送、排風設施；當a∈大氣污染嚴重時，關閉樓宇送、排風設施。或按模型預測當t＝T時，或當a≥A時，開啟樓宇送、排風設施。

2.2 空氣濕度控制

基于上述合適的時段，分別獲取高層建筑樓內、外空氣濕度并予以判別。當樓內空氣濕度不理想，且樓外空氣濕度較好并有利用價值（即兩者的差值足夠大）時，開啟樓宇送、排風設施，直到兩者接近。

設樓外實時大氣濕度值為B，樓內實時監(jiān)測的空氣濕度值為b，設舒適濕度的標準值為b0，則：當B≥b0＞b時，表明樓內干燥，開啟樓宇送、排風設施加濕，直到b接近b0；當b＞b0≥B時，表明樓內潮濕，開啟樓宇送、排風設施排濕，直到b接近b0；當b0≥B＞b時，表明樓內外均比標準干燥，且樓內比樓外更干燥，開啟樓宇送、排風設施加濕，直到b接近B；當b＞B≥b0時，表明樓內外均比標準潮濕，且樓內比樓外更潮濕，開啟樓宇送、排風設施排濕，直到b接近B。

2.3 空氣溫度控制

在合適的時段（同上），分別獲取高層建筑樓內、外空氣溫度并予以判別，當樓內空氣溫度不理想，且樓外大氣溫度具有利用價值時，開啟樓宇送、排風設施，直到兩者接近。

設樓外實時大氣溫度值為C，樓內實時空氣溫度值為c，舒適溫度的標準值為c0，則：當C≥c0＞c時，表明樓內溫度較低，開啟樓宇送、排風設施升溫，直到c接近c0；當c＞c0≥C時，表明樓內溫度較高，而樓外溫度較低，開啟樓宇送、排風設施降溫，直到c接近c0；當c0≥C＞c時，表明樓內外均比標準溫度低，且樓內比樓外更低，開啟樓宇送、排風設施升溫，直到c接近C；當c＞C≥c0時，表明樓內外均比標準溫度高，且樓內比樓外更高，開啟樓宇送、排風設施降溫，直到c接近C。

3 控制系統(tǒng)構成

控制系統(tǒng)分為控制對象、檢測部分、控制部分、中央處理單元和網絡傳輸部分。控制系統(tǒng)結構見圖1。控制對象是新風換氣機，辦公樓內每層都有配備，主要是通過新風和回風的熱交換后，將新風送入各個房間，補充室內的新風量，以保證室內空氣品質；控制部分主要由送排風機運行啟停部件構成；中央處理單元為上位機與云計算平臺，負責處理檢測數據、分析環(huán)境參數、判別運行狀態(tài)、下達DDC操作指令，執(zhí)行相應的控制策略；網絡傳輸部分用于聯接系統(tǒng)各部，可滿足遠距離傳輸的需要，能夠靈活接入新設備，接收環(huán)境參數、傳輸指令數據。檢測部分主要包括室內空氣質量檢測、室內外溫濕度檢測、樓頂風力檢測、送排風機運行狀態(tài)檢測等，通過運用多種有無線傳感器由物聯網采集相關數據，并送入信息中心云計算平臺處理，作為辦公樓空氣質量調控的依據。需要說明的是：1）樓內空氣質量檢測儀分布設置在主要辦公區(qū)和排風口，以樓層為單位，取最差指標作為樓內空氣質量調節(jié)依據。2）溫濕度檢測涉及到樓內和樓外。樓外檢測點設置在避難層；樓內檢測點分布設置在主要辦公區(qū)域，以樓層為單位，取溫濕度平均值作為樓內空氣調節(jié)依據。3）風力檢測裝置，安裝在高層建筑頂部。

圖1 控制系統(tǒng)結構

4 控制過程實現

4.1 環(huán)境數據接收

按新頒布的《環(huán)境空氣質量標準》（GB 3095—2012），國家環(huán)保部整點時間發(fā)布各地區(qū)大氣質量指數AQI，其中包括PM2.5、PM10、CO、SO2、O3、NO2等大氣環(huán)境參數。可利用該系統(tǒng)提供的對外標準接口API，按時接收與本地區(qū)相關的大氣質量數據并集中存儲。

1）獲取一個城市所有監(jiān)測點的AQI數據。地址為http://www.pm25.in/api/querys/aqi_details.json；方法：GET；參數：city（必選），avg（可選），stations（可選）；返回：一個數組，包括aqi，area，co，co_24h，no2，no2_ 24h，o3，o3_24h o3_8h，o3_8h_24h，pm10，pm10_24h，pm2_5，pm2_5_24h，position_name，primary_pollutant，quality，so2 so2_24h，station_code，time_point等。

2）獲取一個監(jiān)測點的AQI數據。地址為http:// www.pm25.in/api/querys/aqis_by_station.json；方法為GET；參數：station_code（必選）；返回：一個數組，包括：aqi，area，co，co_24h，no2，no2_24h o3，o3_24h，o3_8h，o3_8h_24h，pm10，pm10_24h，pm2_5，pm2_5_ 24h，position_name，primary_pollutant，quality，so2，so2_24h，station_code，time_point等。

3）參數說明。aqi：空氣質量指數（AQI），即air quality index，是定量描述空氣質量狀況的無綱量指數；area：城市名稱；position_name：監(jiān)測點名稱；station_code：監(jiān)測點編碼；so2：二氧化硫1 h平均；so2_ 24h：二氧化硫24 h滑動平均；no2：二氧化氮1 h平均；no2_24h：二氧化氮24 h滑動平均；pm10：顆粒物（粒徑小于等于10 μm）1 h平均；pm10_24h：顆粒物（粒徑小于等于10 μm）24 h滑動平均；co：一氧化碳1 h平均；co_24h：一氧化碳24 h滑動平均；o3：臭氧1 h平均；o3_24h：臭氧24 h滑動平均；o3_8h：臭氧8 h滑動平均；o3_8h_24h：臭氧8 h滑動平均的24 h均值；pm2_5：顆粒物（粒徑小于等于2.5 μm）1 h平均；pm2_5_24h：顆粒物（粒徑小于等于2.5 μm）24 h滑動平均；primary_pollutant：首要污染物；quality：空氣質量指數類別，有優(yōu)、良、輕度污染、中度污染、重度污染、嚴重污染等6類；time_point：數據發(fā)布時間。

4.2 數學模型建立

大氣質量指數狀況，與當地區(qū)污染排放及特定的地理形勢和大氣變化特點密切關聯。以濟南為例，通過分析其大氣污染情況發(fā)現，本地區(qū)大氣質量指數變化基本符合污染物排放供給與天氣擾動擴散的平衡關系，即簡易模型為y=（P-kQ）x+y0。其中：y為某影響大氣質量單項參數；y0為其初始值，通過計算可轉換為大氣質量指數；P本地區(qū)某污染物排放平均含量，μg/m3（已知值）；Q本地區(qū)天氣擾動，主要是風速，實測值，m/s；k為量綱轉換系數；x為時間點變量，是距零點的小時數。

簡易模型可用于推算一定大氣擾動條件下大氣質量達到一定指標所用的時間，進而捕獲大氣質量指數理想時段（點）t和最佳值A。

4.3 模糊控制與波段運行模式

模糊控制模式是基于對以往本地區(qū)大氣質量數據分類統(tǒng)計，得出各類空氣質量所占比率及好于該類空氣質量天氣發(fā)生的概率，在綜合評估基礎上，選取其中合適的值L，作為認可的最低控制目標。實時讀取本地區(qū)大氣質量指數，當所處的大氣質量分類符合L時，開啟樓宇送、排風設施，進行通風換氣。

波段運行模式是基于綜合分析指定地區(qū)大氣質量指數曲線變化規(guī)律，以實時數據曲線的拐點作為調節(jié)室內空氣質量的重要依據，僅在波段最佳空氣質量時點，開啟新風換氣機進行通風換氣。

5 結語

山鋼新建37層辦公樓控制系統(tǒng)借助天然大氣條件，通過模型及模糊控制技術，實現了高層建筑空氣品質的優(yōu)化控制，調節(jié)溫濕度和空氣質量，有效排除室內混濁空氣，減少有害氣體濃度，進而能保證樓內空氣質量，改善工作環(huán)境，提高舒適度。

經實際數據測試，合理利用新風控制樓內空氣質量，調節(jié)室內溫濕度，可將空氣質量指數波動范圍控制在良好（75～99）以上，比過去（62.75～95.31）明顯改觀；室內空氣濕度波動保持在40%～70%，優(yōu)于樓內原有狀況（44.47%～84.80%）和自然天氣（24.79%～99.90%）。

如果按過去“定時啟動通風換氣，不問大氣質量”的慣例操作，每天風機要運行15 h以上，1座37層大樓，每層風機按2×1.5 kW配備，1 a的電能消耗達60余萬kW·h。采用新的通風換氣方式后，在保證辦公樓空氣質量和一定的溫濕度前提下，每天風機運行5 h左右，其能耗減少2/3。由于樓內溫濕度的同時改善，空調設備的運行時間也有所減少。

Air Quality Control of High-floor Building under Complex Environment

WANG Tieyi
（Shandong Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Environment-related information is collected by using internet of things,and is sent to cloud computing platform of information centre.Model and fuzzy control technique would improve air quality inside of high floor office building,adjust air moisture and temperature and reduce poisonous air.By using new ventilation system,the electricity bill would be reduce by two-thirds every year.

high-floor building;air quality;cloud computing platform;model control;fuzzy control

TU831

：B

：1004-4620（2014）01-0051-03

2013-09-04

王鐵毅，男，1961年生，1984年畢業(yè)于鞍山鋼鐵學院計算機科學專業(yè)。現為山東鋼鐵集團信息化中心副總經理，高級工程師，從事企業(yè)信息化應用研究工作。