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?，F(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?？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(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]?！痹?.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(fù)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?jǐn)?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(rèn)真比較了CO2和CO的濃度，認(rèn)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(rèn)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)