需求控制通風方式的特點簡介

張文武

（廣州地鐵設計研究院有限公司，廣東 廣州 510010）

隨著經濟的不斷發展，城市化進程以飛快的速度在發展。目前，城市化已經是一個國家現代化水平的重要標志。最近幾年以來，工業化和城市化的高速發展，城市建筑的數量也相應急劇增加。一個世紀以前，全世界人口僅14%居住在城市中，到1950年時已超過30%。而現今，平均有50%的人居住在城市及其周邊地區，在美國這個數字更是達到了90%。預計到2100年，全世界80%人口將居住在城市中。

根據發達國家的經驗，隨著城市的發展，建筑將會超過工業、交通等其他行業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，暖通空調系統耗能占建筑總耗能的65%左右。而新風能耗又占空調系統能耗的很大一部分。從改善室內空氣品質講，新風量多些為好；但是除特殊用途的必須100%全新風的建筑以外，送入室內的新風除過渡季節外都得通過熱、濕處理，消耗能量，因此新風量宜少些為好。在系統設計中，新風量通常應滿足以下兩個要求:1)稀釋人群本身和活動產生的污染物，保證人群對空氣品質的要求；2)補充室內燃燒所消耗的空氣和局部排風量。在全空氣系統中，通常取上述要求中計算出新風量的最大值作為系統的最小新風量。如果計算所得的最小新風量不足總風量的10%，則取系統送風量的10%。

一般空調系統設計按人均新風量取值，這在人員密度波動頻繁的建筑空間中，空調系統常用的新風量存在以下的問題:

能源浪費較為嚴重。目前，空調系統的新風能源浪費很嚴重，比如地下商場的空調系統，由于新風管道的設計和新風機組的選型均是按各區域的額定客人數計算的，所以當客流量不高或淡旺季不平衡時，新風量就會過大。這樣不但使寶貴的能源白白浪費，而且蒙受經濟損失。

新風能耗可觀?，F在一般規定要求空調系統的新風量不應小于總送風量的10%，同時必須滿足每人20m3/h～50m3/h的新鮮空氣量。按房間通風換氣次數算，大約在0.5次/h～3次/h。處理這些新風要付出一定的新風能耗，大約占空調總能耗的30%～40%，數量相當可觀[2]。在地下空間中，由于很難利用自然通風，建筑壁面的恒溫恒濕以及人員密度增大等原因使得新風能耗相對更大，一般約占空調總能耗的一半以上。

由以上可以看出，新風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量，那么將會使空調系統大大地節能。

需求控制通風就是從這個基本思想出發而提出的通風策略。需求控制通風是一種實時的，基于空間人流密度的的通風方式，它相對于傳統的定風量系統有著巨大節能潛力。它的具體實現形式就是隨著空間人員密度變化，新風量的大小能夠相應的作出調節，使得新風量時刻與人員密度相適應，這樣就既保證了室內空氣品質，又預防了過量通風，節約了能耗。

1 需求控制通風方式的工作原理和特點

對需求控制通風方式的一個簡單解釋就是:根據建筑物內污染物的濃度（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，盡最大可能的節能。自Kusuda 1976年提出用室內二氧化碳平均濃度作為控制新風量的指標以來，需求控制通風在80年代得到較大發展。對二氧化碳含量的控制可以確?？諝饬髁繚M足建筑物實際人流的要求，而不是僅僅維持在設計該建筑物時假設的水平。

需求控制通風的概念是應節能的要求而提出的，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，送風量基本維持平衡，設置“需求控制通風”系統的作用不大，不能明顯起到節能的目的。目前我國大多數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，考慮到全球范圍內節能上的要求，需求控制通風策略是一個上佳選擇。

需求控制通風系統是近年來暖通空調設計方面的一大突破。它通過在建筑物內外安裝二氧化碳傳感器，計算出室內外二氧化碳的濃度差，并將這些信息持續反饋給中央控制系統，用以進行送風控制。這樣做的優點是能夠實時計算出建筑物內的人流并進行相應的送風操作，為室內的空氣質量提供了可靠的保障。

與傳統的變風量系統比較，由于需求控制通風系統是室內外實時的二氧化碳濃度差對送風量作出調整的，因而不會出現所謂的“過度送風”或“送風不足”。另外，由于需求控制通風系統能夠實時探測到建筑物內部的人流，這些信息同樣可以被我們利用來進行溫度及濕度控制，為實現建筑物內部有一個舒適的熱環境提供了保證。

一份美國暖氣、制冷及空調工程師協會（ASHARE STANDARD 62）關于“提高室內空氣質量到可接受水平的通風設計”的研究報告指出，基于建筑物內的實際人流，通過控制二氧化碳含量來實現通風控制，是一個非常好的方法。實現的關鍵是控制策略。文章指出，控制的策略會隨著具體環境，客流密度和對象的改變而改變，控制策略必須遵照ASHARE 62-1989的相關標準制定。

問題的關鍵在于建立起CO2濃度與人均新風量之間的關系。ANSI/ASHRAE Standard 62-1999.3附錄中的給出了一個簡單的數學公式[3]

式中 Vp-人均新風量，m3/(h·人)；

N-人均的 CO2產生速率，g/(h·人)，根據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。

根據這個式子可以看出，人均新風量和室內外濃度差(Cs-C0)存在著一一對應的線性關系。

將這個等式進行變化，這樣，在一固定新風速率下，平衡濃度可以用式（2）計算

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

ANSI/ASHRASE Standard 62指出:“如果通風能保證室內外CO2濃度差不超過700 ppm，人們在生理反應上就會感到滿意[4]?！痹?.2 MET的辦公工作強度下，平均每人CO2的產生率是0.30 l/min或0.0106 cfm。假設室外CO2濃度為400ppm，在保證700ppm濃度差的情況下，室內CO2的濃度是1100ppm[5]。這相當于保持在15cfm（25.5m3/h）的人均新風速率下，平衡時室內CO2的濃度，如下式所示

如果在上式中用20cfm（34m3/h）的人均新風量來代入，那么室內外濃度差就相當于500ppm，室內的濃度就會是900ppm（假設室外濃度是400ppm）。由此可以看出，在一定勞動強度（1.2MET）下，通風達到平衡狀態時，人均新風量的大小與室內外CO2濃度差存在一一對應關系。

實際上，一個空間內的人員密度經常是在不斷變化的，為了維持恒定的室內外濃度差，就必須要維持一個穩定的人均新風量，這也就意味著新風量的大小應與室內人員數保持正比關系。

但是實際運行中，不好直接對人員密度進行監測，并且由于人員在空間分布的不平均性，以及人員勞動強度，年齡構成不一等等，使得即使能檢測出室內人員數來也不一定能夠代表某一空間室內空品質水平。而CO2易于檢測，與人員數量直接相關，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的室內空氣質量大多以CO2濃度控制新風量的方式來實現，這就是基于CO2的“需求控制通風”的概念。

需求控制通風雖然是一種很好的節能和優化空氣質量的策略，然而在某些情況下不一定需要使用，例如:

過渡季當室外新風焓值低于是室內焓值，就沒有必要控制新風量大小，而是盡量利用新風冷源來冷卻室內空氣，這個階段就是全新風階段。

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

送風系統存在一個最小送風量的問題。在室內有人流的時候，即使二氧化碳的濃度足夠低，不再需要通過送風來降低二氧化碳濃度，我們仍然要把送風系統的送風量設置在一個最低標準，確保有一定的送風量來減少其他對人有害的氣體積聚的可能性。

2 需求控制通風方式的研究現狀

國內方面:楊盛旭、韓旭[6]等對需求控制通風方式進行了改進研究，設計制作了仿真試驗平臺，通過監測CO2濃度，反映在室人員人數的動態變化，得出二氧化碳濃度模擬量與電動訊號閥門開度的函數關系，并與傳統的通風方式進行了節能比較。耿世彬、楊家寶[7]研究的基于室內空氣品質的需求控制通風，用CO2濃度作為室內人員相關污染物的控制指標，以TVOC作為室內建筑相關污染物的控制指標，從而容許在室內人員改變或建筑相關污染物濃度改變時調節入室新風量，實現了節能與提高室內空氣品質的統一。西南交通大學戴朝華、朱云芳[8]等以衡量熱舒適性的PMV和反映室內空氣質量的CO2濃度為控制輸入參數，建立了相應的控制策略，分別對變頻空調器壓縮機、蒸發器風機、新風閥(機)和臺式小風扇進行控制以同時滿足0＜PMV＜0.5和CO2體積分數小于1000ppm。建立空調器系統模型對一典型辦公室進行了計算機仿真，表明熱舒適指標(CI)控制與傳統溫(濕)度控制相比，不僅更能滿足舒適性，而且節能；需求控制通風與人均新風量標準通風相比，節能效果明顯。

國外:Mike schell，Stephen Turner，Omar Shim[9]根據對ASHRAE Standard 62的理解，指出了應用CO2需求控制通風的一些規則。通過預測CO2濃度與實測濃度的對比，模擬出在一定的延遲時間內，應該如何有效的選擇人均新風量。John J.Lauria等比較了傳統的定風量系統與需求控制通風的差異，從理論上說明需求控制通風是如何保持室內空氣品質和降低費用的。并進一步指出辦公室、學校、會議室以及賓館等所能節省費用的比例。Mike Schell和Dan Int-Hout闡述了利用CO2來控制新風量的原理以及優點；介紹了非擴散紅外偵察CO2傳感器和光-聲學CO2傳感器的使用原理和安裝規則。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需求控制通風是可行的，并且比CO2需求控制通風更合適；在氣流組織上，對置換式通風和混合式通風兩種通風方式進行了比較，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前后進行能量對比，發現使用需求控制通風后節能15%。Kurt Roth等介紹了需求控制通風的概念和節能潛力，并從市場因素考慮需求控制通風利用的可行性和必要性。Aircuity公司針對目前CO2需求控制通風不能得到廣泛應用這種現狀，進行調查研究，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量；2）控制上的不準確會導致室外新風量過大，造成能源浪費；3）CO2傳感器維護與標定的費用相當昂貴；為了解決這個問題，Aircuity公司提出了多參數需求控制通風，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CO2濃度相當低的時候，仍然有一定的通風量，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應用于MpDCV能提供一種更好的經濟高效的解決方式，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的使用條件和應用規則，并給出了不同建筑的室內空氣品質的標準。

3 結語

需求控制通風是通風空調系統的運行控制方案，而不是一種新型的設計方法。所以在需求控制通風系統設計時只需要考慮相當少的一些因素。需求控制通風模式應用設計有五個簡單步驟:

確定應用需求控制通風模式是否適合；根據建筑行業相關標準的要求估計建筑物內滯留人數，計算各個空間所需的設計新風量。確定由非人員污染物決定的基本通風量，這是建筑物使用時期的最小通風量。根據建筑的使用特點和所擁有的設備決定合適的需求控制通風的控制策略。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能重點.J.建設科技.2006，7:10-13.

[2]申林.空調系統新風節能與室內空氣品質的改善.科技情報開發與經濟，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.新型需求控制通風方式研究.建筑熱能通風空調，1999（4）:22～24.

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

[8]戴朝華，朱云芳.基于變頻空調器的舒適性指標與室內空氣質量智能控制研究.暖通空調 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)