基于室內(nèi)空氣品質(zhì)的住宅中央新風(fēng)系統(tǒng)的控制研究

鄺文君，畢浩桐

（西華大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610039）

基于室內(nèi)空氣品質(zhì)的住宅中央新風(fēng)系統(tǒng)的控制研究

鄺文君，畢浩桐

（西華大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610039）

以CO2和TVOC濃度分別作為室內(nèi)人員、建筑相關(guān)污染物的控制指標(biāo)，采用模糊PID控制系統(tǒng)對新風(fēng)風(fēng)機(jī)的新風(fēng)量進(jìn)行控制研究。運(yùn)用Maltab對模糊PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真模擬，得出了控制仿真曲線。模糊PID控制新風(fēng)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)節(jié)能與提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的統(tǒng)一。

二氧化碳；揮發(fā)性有機(jī)化合物；空氣品質(zhì)；模糊PID；節(jié)能

1 引言

通風(fēng)是對改善室內(nèi)空氣品質(zhì)最有效的手段，對于北方地區(qū)的住宅建筑通常采用自然通風(fēng)方式，存在無法控制通風(fēng)量、室外污染物等容易進(jìn)入房間、局部排風(fēng)不能實(shí)現(xiàn)室內(nèi)連續(xù)不斷地通風(fēng)換氣、室內(nèi)氣流組織效果不好等一系列問題。

中央新風(fēng)系統(tǒng)是利用新風(fēng)主機(jī)將室內(nèi)污濁的空氣排至室外，同時將室外的新鮮空氣送入室內(nèi)，從而保證在不開窗的情況下連續(xù)24小時不間斷地微量通風(fēng)，能持續(xù)、高效地為室內(nèi)提供人體所必需的新鮮空氣，改善房屋內(nèi)的空氣質(zhì)量，徹底解決整套房屋內(nèi)的通風(fēng)和換氣問題[1]。

2 基于室內(nèi)空氣品質(zhì)需求控制通風(fēng)理論

2.1 新風(fēng)量與室內(nèi)空氣品質(zhì)的聯(lián)系

室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)劣與人體健康息息相關(guān)，向室內(nèi)送新風(fēng)能很好地改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。病態(tài)建筑綜合癥（SBS）、建筑相關(guān)疾?。˙RI）、及化學(xué)物質(zhì)過敏癥（MCS）等問題的出現(xiàn)使得人們認(rèn)識到保證房間新風(fēng)量是構(gòu)建健康建筑的基本要求之一[2]。國際上對于新風(fēng)量指標(biāo)的認(rèn)識一直處于變化狀態(tài)。最初的Yaglou傳統(tǒng)新風(fēng)理論認(rèn)為人是民用建筑的主要污染源，即最小新風(fēng)量的確定主要是針對CO2濃度控制[3]。后來Fanger提出用olf（污染源強(qiáng)度）作為定量污染源的單位、用decipol（空氣品質(zhì)感知值）來定量空氣品質(zhì)并進(jìn)一步給出新風(fēng)量指標(biāo)與人員不滿意率之間的關(guān)系以及可感受的空氣品質(zhì)與人員不滿意率之間的關(guān)系，即基于空氣品質(zhì)舒適方程確定新風(fēng)量[4,5]。最后是Jokl提出的污染物指標(biāo)新風(fēng)理論是以結(jié)合氣味強(qiáng)度和人員不滿意率確定的CO2和TVOC的濃度限制來分別確定人員新風(fēng)量指標(biāo)和單位建筑面積新風(fēng)量指標(biāo)，即同時考慮人員污染和建筑污染[6]。從這一發(fā)展可以看出，新風(fēng)量指標(biāo)的確定在不斷地完善。

在ASHRAE標(biāo)準(zhǔn)62-1989R中，最小新風(fēng)量按下式計(jì)算：

式中，Vbz為呼吸區(qū)設(shè)計(jì)新風(fēng)量，L/s；RP為每人所需新風(fēng)量，L/(人/s)；Pz為室內(nèi)人數(shù)，人；Ra為單位面積地板所需新風(fēng)量，L/(m2?s)；Az為建筑面積，m2。

在這一標(biāo)準(zhǔn)中最小新風(fēng)量考慮了人員污染和建筑污染兩部分，當(dāng)人員很少或沒有人員時，也保持基本通風(fēng)量來消除室內(nèi)由非人因素產(chǎn)生的污染，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。

2.2 基于室內(nèi)空氣品質(zhì)的需求控制通風(fēng)

為了實(shí)現(xiàn)新風(fēng)節(jié)能的同時，滿足室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求，需求控制通風(fēng)（Demand Control Ventilation，簡稱DCV）應(yīng)運(yùn)而生。所謂需求控制通風(fēng)，以建筑物中某種污染物濃度作為新風(fēng)量調(diào)節(jié)的控制指標(biāo)，在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的同時，最大限度地減少新風(fēng)能耗。傳統(tǒng)的需求控制通風(fēng)是將CO2濃度作為衡量室內(nèi)空氣品質(zhì)的指標(biāo)，在通常情況下室內(nèi)人員是CO2唯一產(chǎn)生源，CO2的濃度不僅代表CO2本身作為污染物對室內(nèi)空氣的污染程度 , 而且還能反映室內(nèi)人員的狀況 , 即人數(shù)及活動狀況[7]。當(dāng)室內(nèi)污染物主要來源于人體時，以CO2作為污染物控制指標(biāo)可以很好地反映人體所產(chǎn)生污染物的水平[8]。因此可以根據(jù)室內(nèi)CO2的濃度來表征人員對室內(nèi)造成的污染情況。

建筑中揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）是最常見的污染物。它們的濃度低，容易被忽略，但種類繁多，目前已被鑒定出來的有300多種，當(dāng)若干種VOC共同存在于室內(nèi)時，其聯(lián)合作用不可忽視。TVOC易于檢測，因此用TVOC作為建筑物產(chǎn)生的污染物的控制指標(biāo)。

基于室內(nèi)空氣品質(zhì)的需求控制通風(fēng)，分別以CO2和TVOC作為控制指標(biāo)，實(shí)時根據(jù)室內(nèi)污染情況調(diào)節(jié)新風(fēng)量。該方法彌補(bǔ)了僅以CO2濃度作為控制指標(biāo)的需求控制通風(fēng)的不足，能真正意義上實(shí)現(xiàn)健康建筑和建筑節(jié)能的雙重控制目標(biāo)。

3 模糊PID對新風(fēng)系統(tǒng)的控制

本文采用1000×10-6（1000 ppm）作為室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的允許值, 室內(nèi)TVOC質(zhì)量濃度的允許值取為500μg/m3來對室內(nèi)的空氣品質(zhì)進(jìn)行研究。為了實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)污染物濃度的實(shí)時控制，引入模糊PID系統(tǒng)，從而控制新風(fēng)量的大小，實(shí)現(xiàn)對室內(nèi)空氣品質(zhì)的優(yōu)化。

3.1 模糊控制原理

在模糊控制系統(tǒng)中決策者是模糊控制器，模糊控制器根據(jù)輸入的信息，進(jìn)行模糊決策，輸出模糊量，然后精確化，并作用于被控對象[9,10]。

模糊控制規(guī)則如下：1）模糊化。在控制系統(tǒng)中，人的感受是模糊的，但通過傳感器得到的檢測信號都是精確量，所以我們要先將精確的數(shù)據(jù)變成“較高”“較低”等模糊量。2）模糊控制規(guī)則，是由工作人員通過長期積累的經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識組織形成的語言表達(dá)形式，通過一系列關(guān)系詞語如IF-THEN、AND、OR等連接。3）模糊推理。模糊推理是模糊邏輯的核心。采用較簡單的推理運(yùn)算，依據(jù)模糊控制規(guī)則和系統(tǒng)的實(shí)際狀態(tài)推算出輸出控制量。4）去模糊化。去模糊化就是模糊化的逆過程[11]。

模糊控制系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 模糊控制系統(tǒng)原理圖

3.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

模糊PID是在PID算法的基礎(chǔ)上通過計(jì)算系統(tǒng)誤差和誤差變化率, 利用模糊規(guī)則進(jìn)行模糊推理來調(diào)整PID參數(shù)的, 模糊PID控制器由基本模糊控制器和PID控制器組成。

圖2 模糊PID控制器

3.2.1 輸入輸出變量的定義

假設(shè)eCO2、eTVOC分別為CO2和TVOC濃度, 它們是模糊控制器的輸入, 把eCO2、eTVOC量化為5級, 對應(yīng)的模糊子集分為“正大（PL），正?。≒S），零（0），負(fù)?。∟S），負(fù)大（NL）”五種模式。KP，KI，KD是PID控制中的三個參數(shù)，將校正量Kp'，Ki'，Kd'作為模糊控制器的輸出，并將其量化為-2，-1，0，1，2五種級別，對應(yīng)模糊子集分為“正大（PL），正?。≒S），零（0），負(fù)小（NS），負(fù)大（NL）”五種模式。

3.2.2 模糊控制規(guī)則

模糊控制規(guī)則是根據(jù)eCO2、eTVOC,按照專家知識或?qū)嵺`經(jīng)驗(yàn), 通過“if-then” 語句表達(dá)的控制規(guī)則和策略。例如：

由于eCO2、eTVOC分別對應(yīng)5種模糊子分級，則每一個PID參數(shù)都會產(chǎn)生25種控制結(jié)果，將新風(fēng)風(fēng)機(jī)的風(fēng)量分為最大風(fēng)量（M），次大風(fēng)量（m），零風(fēng)量（0）。KP'模糊規(guī)則如表1所示。

表1 模糊控制規(guī)則表

同理可得到Ki'、Kd'的模糊控制規(guī)則表。

3.2.3 模糊控制量的去模糊

根據(jù)模糊控制規(guī)則，利用eCO2、eTVOC的輸入數(shù)據(jù)得出多種模糊控制規(guī)則，采用重心法將這些模糊規(guī)則構(gòu)成的控制量轉(zhuǎn)化為精確量。

經(jīng)過上述三步, 得出PID 參數(shù)的校正值Kp'，Ki'，Kd'，按照下式計(jì)算PID 實(shí)際參數(shù)：

根據(jù)室內(nèi)CO2和TVOC的濃度獲得校正后的參數(shù)并輸入PID控制器中，從而調(diào)整新風(fēng)量。

3.3 仿真實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

運(yùn)用maltab7.0仿真工具對被控系統(tǒng)進(jìn)行程序仿真。結(jié)果如圖3所示。

圖3 CO2和TVOC的控制仿真曲線

由圖3可以看出，采用單獨(dú)的PID控制，被控系統(tǒng)的反應(yīng)慢，超調(diào)量大，所需的調(diào)節(jié)時間較長；采用模糊PID控制系統(tǒng)反應(yīng)速度快，幾乎沒有超調(diào)量，調(diào)節(jié)所需時間短，符合節(jié)能需求。

4 結(jié)語

基于室內(nèi)空氣品質(zhì)進(jìn)行的需求控制通風(fēng)，即以CO2濃度和TVOC 濃度分別作為反映室內(nèi)人員產(chǎn)生的污染物和建筑物產(chǎn)生的污染物的指示量，通過對住宅建筑中新風(fēng)系統(tǒng)新風(fēng)量的實(shí)時控制，最大限度地減少新風(fēng)量，降低了新風(fēng)系統(tǒng)的能耗，在使室內(nèi)空氣品質(zhì)滿足人員舒適度需求的同時， 達(dá)到了節(jié)能目的。

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（責(zé)任編輯、校對：田敬軍）

Residential Central Air System Control Based on Indoor Air Quality

KUANG Wen-jun, BI Hao-tong
(College of Civil Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

With CO2and TVOC concentration respectively as an indoor personnel and construction related pollutants control indexes, fuzzy PID control system was used to control fresh air fan's new air volume. Maltab was used to simulate the fuzzy PID control system, and simulation curve was obtained. Energy saving and indoor air quality improvement can be achieved by fuzzy PID control of Residential Central Air System.

Carbon dioxide(CO2); volatile organic compounds(TVOC); air quality; fuzzy-PID controller; energy saving

TU834

A

1009-9115(2016)02-0072-03

10.3969/j.issn.1009-9115.2016.02.021

2016-02-05

鄺文君（1991-），女，四川成都人，碩士研究生，研究方向?yàn)榻ㄖh(huán)境。