基于室內CO2濃度的按需控制通風原理

蔡坤

（西安科技大學基建處 陜西西安 710054）

引言

根據發達國家經驗，隨著城市的發展，建筑會超過工業、交通等行業而居于社會能耗之首，將達總能耗的33%左右。我國民用建筑中，暖通空調系統能耗占建筑總能耗的65%左右，而新風能耗又占空調系統能耗的大部分。從改善室內空氣品質講，新風越多越有利。但除具有特殊用途的建筑必須全新風及過渡季節外，送入室內的新風都得通過熱、濕處理，帶來較大的熱濕負荷，因此新風量越少越利于節能。在系統設計時，新風量通常應滿足兩個要求：1）稀釋人體本身和活動產生的氣體，保證人體對空氣品質的要求；2）補充室內燃燒所消耗的空氣和局部排風量。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最小新風量。如果計算所得最小新風量不足總風量10%，則取系統送風量的10%。

美國采暖、制冷及空調工程師協會標準90.1-2007[1]規定：通風面積超過50m2和每100m2建筑面積設計人數超過40人的空調系統必須采用按需控制通風，并同時采用以下至少一種措施：1）風側經濟器；2）自控新風閥或設計新風量大于1.4m3/s。但以下3種情況除外：1）帶有排風能量回收裝置；2）多個空調區域沒有采用各區之間采用集中控制面板通信的直接數字式控制（direct digital control, DDC）；3）設計新風量小于0.6 m3/s的空調系統。

按需控制通風（DCV）是一種實時的、基于空間人員負荷密度的通風方式，它相對于傳統的定風量系統有著巨大節能潛力[2]。作為新興的一種通風控制策略，它通過控制室內外CO2濃度差，為工程設計和業主解決了一個難題：如何在節能的同時又優化空氣質量?本文在分析室內CO2濃度和空氣流通率關系的基礎上，討論了按需控制通風系統的基本工作原理、特點及應用。

1 室內CO2濃度和空氣流通率

遵照國家相關規范及標準，建筑物的通風設計可采用兩種途徑凈化室內空氣，一是通過送風來稀釋室內有害氣體的濃度，另一種是如果全部有害氣體可以事先確定，采用空氣過濾裝置和化學物質將其吸收掉。對于目前的建筑物來說，大部分都采用第一種方法。只有在送風系統無法滿足建筑物的送風需要時，才考慮使用第二種方法。

室外CO2的最低濃度通常在350～450ppm之間，CO2濃度處于較低狀態下的空氣通常被人們稱為“新風”。CO2主要來源是生物呼吸后排出的廢氣。在建筑物里，人們排放出來的CO2可以通過機械通風、降低氣密性或門窗開啟來稀釋。CO2濃度的增加為我們預測建筑物內的人員負荷提供了依據，而CO2濃度的降低則可預測室外有多少空氣通過流通進入建筑物（即新風量）[5]。特定環境下，室內外CO2的濃度差取決于新風量的大小。同時，根據室內外的CO2濃度差，可計算出所需新風量。

如果室外CO2的濃度是400ppm，室內是1100ppm，室內外的CO2濃度差為700ppm，對應著有25.5m3/h/人的空氣流通量，此時人們在生理反應上會感到滿意[6]。大多數建筑物中，如果CO2的濃度在500～3000ppm之間，通常不認為它對人們的健康構成威脅，一般情況下超過5000ppm才會對人產生直接的影響[7]。許多人在室內濃度超過1400ppm(或與室外的濃度差超過1000ppm)的時候，會出現悶熱、乏力、注意力不集中或感到其它不適。這些癥狀不一定是由CO2過量或缺氧引起的，有可能是由于空氣流通率較低，其它有害或刺激性氣體（來源于人體、室內家具或其它設備的有害氣體，包括丙酮、氨、甲醇、二氧化硫等等）積聚引起的。

CO2的濃度的高低意味著空氣流通率的高低。通常室內沒人時，門窗打開引入新風可降低室內CO2濃度，從而降低室內送風需求。不過，CO2濃度低不一定意味著空氣質量好，如果室外環境潮濕、多塵等，打開門窗將導致室內空氣質量的嚴重下降。

2 按需控制通風原理

一般空調系統設計按人均新風量取值。在人員密度頻繁變化的建筑中，空調系統的新風量設計中經常遇到以下3點問題：

1）設備選型不合理。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人數計算的，所以當人員密度不大或淡季時，新風量就會過大。這樣大大增大了電耗，空調運行成本也急劇增加。

2）新風可能會帶來較大的能耗。一般規定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的新風量。房間通風換氣次數大致規定在0.5次/h～3次/h。處理新風大約占空調總能耗的30%～40%。對于地下空間，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。

3）降低新風能耗與提高室內空氣品質之間的矛盾。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多余的新風量，那么將會使空調系統大大地節能。在保證一定的室內空氣品質前提下，將新風量控制在最小。在提高室內空氣品質和節能的雙重要求下，按需控制通風系統應運而生。

人們在室內進行不同活動時，CO2排放量不同。一般情況下，激烈運動時的CO2排放量是靜坐時的3～4倍。在相同的建筑物（如教室）內，如果人員的勞動強度基本接近，此時CO2的排放量就可以被近似計算或預測。根據建筑物內具體的人員負荷，可優化設計送風量和新風量，滿足節能和優化空氣質量的要求。

按需控制通風就是通過連續不斷地監測室內外CO2濃度，采用一種封閉式的信息反饋控制回路，對建筑物的通風需求進行控制，既減少了能源的消耗又保證了室內的空氣質量。按需控制通風的原理可以理解為：根據建筑物內污染物濃度(一般采用CO2濃度為指標)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，最大限度達到節能目的。這種控制方式對室內CO2含量的控制可以確保空氣流量實時地滿足建筑物實際人員負荷的要求，而不是維持設計情況下建筑物內假設的水平。

自1976年Kusuda提出用室內CO2平均濃度作為控制新風量的指標以來，按需控制通風在歐美等發達國家得到較大發展，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CO2傳感器，計算出室內外CO2濃度差，并將這些信息持續反饋給中央控制系統，用以控制新風量。其優點是能夠實時計算出建筑物內的人員負荷并調節新風閥、循環風閥和排風閥的開度，為室內空氣質量提供可靠保障，并且使能耗保持在需要的水平，避免了過度送風增加的電耗。

一份美國ASHARE標準62.1–2007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[4]指出，基于建筑物內的設計人數，通過控制CO2含量來實現通風控制，實現的關鍵是控制策略。因為控制策略會隨著具體環境，人員密度和對象的改變而改變，必須遵照ASHARE 62.1–2007的相關標準制定。

按需控制通風適用于人員負荷有間歇性變化的地方，如教室、會議室、戲院、接待室或其他辦公場所。對于人員負荷沒有間歇性變化的地方，送風量基本維持平衡，設置按需控制通風系統的作用不大。在夏季，調節閥大幅度打開時會造成過度送風，即房間正壓過大。相反，在冬天或換季的時候會出現送風不足，即房間正壓過小。傳統的變風量系統也會存在缺少新風量或新風量過大的情況，這就會造成室內人員感到不適或浪費能源。

3 結語

按需控制通風系統大大減少了建筑物的能源消耗，對于節能減排具有非常重要意義，這種控制方式已經在歐美等發達國家迅速普及。有關按需控制通風系統的設計要求也不斷升級，如美國ASHRAE 標準62.1中，從2004版升級到2007版，又升級到2010版。我國經濟的發展已經付出了沉重的環境惡化代價，節能減排任重道遠。這種節能系統是一種節能和優化空氣的有效途徑。

需要指出，該系統不足地方：1）需要一個大型中央控制系統對收集到的CO2濃度信號進行處理及反饋控制，這對于我國的許多建筑物難以實現。2）結合建筑物的實際情況制定適合的策略及控制程序也相當關鍵，只有適當的策略加上嚴密的管理，才能為節能提供可靠的保障。3）現階段許多CO2傳感器對于震動、壓力和溫度的變化都比較敏感，現在沒有現行標準對傳感器的性能及適用范圍作出評估，這就需要在選擇傳感器的時候注意使用性能穩定可靠的產品。

[1] ANSI/ASHRAE Standard 90.1-2007. Energy standard for buildings except low-rise residential buildings [S].

[2] Xinhua Xu, Shengwei Wang, Zhongwei Sun,et al. A model-based optimal ventilation control strategy of multi-zone VAV air-conditioning systems[J]. Applied Thermal Engineering, 2009, 29(1): 91-104.

[3] Shengwei Wang, Xinhua Xu. A robust control strategy for combining DCV control with economizer control [J]. Energy Conversion and Management,2002, 43 (18): 2569-2588.

[4] ANSI/ASHRAE Standard 62.1-2007. Ventilation for acceptable indoor air 1uality [S].

[5] Thomas M. Lawrence, James E. Braun.Calibrated Simulation for Retrofit Evaluation of Demand-Controlled Ventilation in Small Commercial Buildings [R]. 2007, ASHRAE, Inc.

[6] C.Y.H. Chao, J.S. Hu. Development of a dualmode demand control ventilation strategy for indoor air quality control and energy saving [J]. Building and Environment, 2004, 39 (4): 385-397.

[7] Mads Mysen, Sveinung Berntsen, Per Nafstad,et al. Occupancy density and benefits of demandcontrolled ventilation in Norwegian primary schools[J]. Energy and Buildings, 2005, 37 (12): 1234-1240.