基于空調新風的CO2濃度控制

袁 紅

（1.長春建筑學院，長春 130011；2.吉林省恒翊機電工程有限公司，長春 130012）

近年來，隨著綠色建筑的興起，人們越來越重視病態建筑綜合癥（SBS）引起的室內健康問題。你在關注室內環境的時候，是否注意到自己呼吸產生的二氧化碳究竟對室內環境產生怎樣的影響？人們每分每秒的呼吸都在產生二氧化碳，如果長時間呆在密閉的環境中，二氧化碳會超標使人產生不適嗎？

美國在二氧化碳濃度對人的影響方面也有相關研究，并在期刊《環境與健康展望》上發表了研究成果：在密閉環境下，周圍人呼出的二氧化碳集合起來會使人的思考速度變得更慢。

二氧化碳在室外是全球氣候變暖的元兇之一[1-2]。在室內，為了隔絕噪音，享受生活空間或辦公空調系統的舒適和便利，人們長時間保持室內窗戶關閉，使室內二氧化碳濃度遠高于室外平均值。

二氧化碳濃度和人體生理反應的關系為：350～450 mg/L，室外環境相同；350～1 000 mg/L，新鮮空氣，呼吸順暢；1 000～2 000 mg/L，感覺空氣渾濁，開始感覺困倦；2 000～5 000 mg/L，頭痛、嗜睡、嗜睡，注意力不集中，心跳加快，輕度惡心；超過5 000 mg/L，可能導致嚴重缺氧、永久性腦損傷、昏迷甚至死亡。如何改善室內的二氧化碳濃度，成為室內空氣調節系統的一項重要課題。

1 CO2 濃度監測標準

CO2并不是污染物，也不能完全反映空氣質量的狀況，CO2濃度達到要求并不能完全代表室內空氣品質就合格，因為室內可能還存在其他揮發性污染物，但CO2可作為測量空氣質量的主要指示性物質[3-4]。

2 CO2 濃度控制工作原理

新風是冷熱源的主要負荷之一，所以對新風機的控制目的，是在保證被控空調區域舒適性的基礎上，盡可能地節能。新風機所提供的新風量，是確保房間空氣品質的必要條件，應隨時滿足空調末端的使用要求，可以根據空調末端區域的CO2濃度來定所提供的新風量，這樣，以保證室內空氣質量為前提的需求量即是所需的最小新風量，同時達到節能的目的[5-7]。因此，只要根據空調末端區域的空氣質量要求，設定一個CO2濃度值，在要控制的空調區域內適當位置設置CO2濃度傳感器，將CO2濃度傳感器檢測到的CO2濃度值與設定的CO2濃度值進行比較，根據偏差值的大小，控制新風支管上電動調節閥以調節新風量，由此構成末端空調區域CO2濃度的閉環控制。

設定端空調區域CO2濃度檢測值為K，設定的CO2濃度值為K0。當檢測CO2濃度K＞K0時，新風支管上電動調節閥增大新風量，使CO2濃度下降，直至K=K0；當檢測CO2濃度K＜K0時，新風支管上電動調節閥減小新風量，使CO2濃度上升，直至K=K0。這樣通過動態調節控制，就可以實現在保證室內空氣質量品質前提下的最小新風量供給，同時，在總送風管上設置靜壓檢測傳感器，通過比較系統內靜壓值，給送風機配置帶有變頻調速功能的自動控制裝置，控制風機轉速，以實現最小風量的動態控制，也大大降低新風的處理能耗和輸送能耗。

2.1 CO2 濃度控制中新風量的PLC 控制

工作原理：具有比例積分功能的控制器將傳感器檢測到的二氧化碳濃度值與控制器上的二氧化碳濃度設定值進行比較，根據比較結果輸出相應的電壓信號，控制電動調節閥，使新風量保持在要求的范圍內。

同時，在總送風管上設置靜壓檢測傳感器，具有比例積分功能的控制器將傳感器檢測到的靜壓值與設定值進行比較，根據比較結果輸出相應的電壓信號，通過變頻器控制風機的轉速。

聯鎖及保護：風機停機，風閥、電動調節閥同時關閉；風機啟動，風閥、電動調節閥同時打開。當過濾器兩側之壓差過高,超過其設定值時，裝設在儀表控制盤上的警報燈會發亮。盤管出口防凍開關報警，當溫度低于設定值時，打開大熱水閥。

2.2 CO2 濃度控制中新風量的DDC 控制

DDC 系統采用先進的數字控制技術，采用分散直接控制與中央集中監控相結合的分層形式，先處理本地數據，然后將有限的數據傳輸到中央計算機進行數據交換。這種控制方法可以大大提高各子系統的獨立性和可靠性，減少中央計算機的工作量，從而帶來計算機性能的提高和成本的降低等一系列優點。

控制對象包括電動調節閥、風機啟停、新風風閥。檢測內容包括二氧化碳濃度、主供風管道靜壓、過濾器堵塞信號、防凍信號以及風機啟停、工作、故障、手動/自動狀態。上述內容應顯示在DDC 上。

控制方法：CO2濃度是通過新風支管上調節電動閥的開度來保證其設定值的。主送風管道的靜壓通過變頻器控制風機的轉速來保證其設定值。根據計劃的工作進度，DDC 按時啟動和停止機組。

聯鎖保護：風機啟停、風閥、電控閥聯動啟閉。當風機啟動后兩側壓差低于設定值時，故障報警停止。當過濾器兩側壓差過大，超過設定值時，自動報警。盤管出口設置防凍開關，當溫度低于設定值時，報警并打開大熱水閥。

3 環保與節能

3.1 環保

對建筑物內的二氧化碳濃度進行數據采集、分析，并與通風系統聯動，在建筑物綠色建筑評價時會有加分?！毒G色建筑評價標準》（GB/T 50378-2014）中室內空氣質量章節8.2.12 中要求在主要功能室人流密度大、時間變化大的區域設置室內空氣質量監測系統，總評價值為8 分。標準要求按下列規則分別評分并累計：室內二氧化碳濃度數據采集分析，并與通風系統聯動，得5 分；實現室內污染物濃度超標實時報警，并與通風系統聯動，得3 分。第8.2.13 章要求地下車庫設置一氧化碳濃度監測裝置，與通風設備相連接，評價得分為5 分。

3.2 節能

基于CO2濃度的新風按需控制近些年來大量應用在辦公樓的新風控制中，為建筑物內人員提供高品質的室內空氣質量環境。另外，一項調查顯示，辦公樓采用CO2濃度控制的新風系統后，相對于定風量新風系統，節能超過40%，如圖2所示。

圖2 兩種新風系統的節能效果對比

4 結論

單純的二氧化碳濃度新風控制簡單可靠，但是其只能反映室內人員狀態，由于建筑內除人體產生的CO2外，還有許多由裝修材料產生的污染物如揮發性有機物VOC、氡氣、臭氧等。如果濃度過高，這些化合物會刺激人的眼、鼻、喉，并引起頭疼、困倦、惡心和疲勞，人們稱之為病態建筑綜合癥，特別是剛裝修沒多久的辦公室，其總揮發性有機化合物（TVOC）的濃度更是需要不斷通風來稀釋。所以，對室內空氣品質要求非常高的辦公樓，也有采用TVOC 和CO2濃度傳感器進行新風控制。其原理為傳感器給出的CO2和TVOC 濃度電信號，與設定值進行比較，給出偏差值，控制器再根據此偏差信號來調節風門的開度，控制新風量?？刂谱兞吭黾恿薈O2和TVOC，導致算法更復雜，從而影響控制系統的準確度和可靠度，也增加了工程成本。關于室內總揮發性有機化合物中各成分含量對人體健康的具體影響，目前研究還不能非常精確地定義，市場上可供使用的TVOC 傳感器也無法顯示其中各種成分的濃度，包括對室內氧氣含量的監測，這些都有待后續的研究來解決。

綜上所述，筆者認為，基于空調新風的CO2濃度控制，不僅為建筑物內人員提供高品質的室內空氣質量環境，而且無論從能耗角度，還是從經濟角度，都較大幅度地節省資源，可謂前景廣闊。愿我們不僅能趕走室外的霧霾，也能驅散室內的渾濁！