基于空調(diào)新風(fēng)的CO2濃度控制

袁 紅

（1.長(zhǎng)春建筑學(xué)院，長(zhǎng)春 130011；2.吉林省恒翊機(jī)電工程有限公司，長(zhǎng)春 130012）

近年來(lái)，隨著綠色建筑的興起，人們?cè)絹?lái)越重視病態(tài)建筑綜合癥（SBS）引起的室內(nèi)健康問(wèn)題。你在關(guān)注室內(nèi)環(huán)境的時(shí)候，是否注意到自己呼吸產(chǎn)生的二氧化碳究竟對(duì)室內(nèi)環(huán)境產(chǎn)生怎樣的影響？人們每分每秒的呼吸都在產(chǎn)生二氧化碳，如果長(zhǎng)時(shí)間呆在密閉的環(huán)境中，二氧化碳會(huì)超標(biāo)使人產(chǎn)生不適嗎？

美國(guó)在二氧化碳濃度對(duì)人的影響方面也有相關(guān)研究，并在期刊《環(huán)境與健康展望》上發(fā)表了研究成果：在密閉環(huán)境下，周圍人呼出的二氧化碳集合起來(lái)會(huì)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(nèi)，為了隔絕噪音，享受生活空間或辦公空調(diào)系統(tǒng)的舒適和便利，人們長(zhǎng)時(shí)間保持室內(nèi)窗戶關(guān)閉，使室內(nèi)二氧化碳濃度遠(yuǎn)高于室外平均值。

二氧化碳濃度和人體生理反應(yīng)的關(guān)系為：350～450 mg/L，室外環(huán)境相同；350～1 000 mg/L，新鮮空氣，呼吸順暢；1 000～2 000 mg/L，感覺(jué)空氣渾濁，開(kāi)始感覺(jué)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(guò)5 000 mg/L，可能導(dǎo)致嚴(yán)重缺氧、永久性腦損傷、昏迷甚至死亡。如何改善室內(nèi)的二氧化碳濃度，成為室內(nèi)空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的一項(xiàng)重要課題。

1 CO2 濃度監(jiān)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)

CO2并不是污染物，也不能完全反映空氣質(zhì)量的狀況，CO2濃度達(dá)到要求并不能完全代表室內(nèi)空氣品質(zhì)就合格，因?yàn)槭覂?nèi)可能還存在其他揮發(fā)性污染物，但CO2可作為測(cè)量空氣質(zhì)量的主要指示性物質(zhì)[3-4]。

2 CO2 濃度控制工作原理

新風(fēng)是冷熱源的主要負(fù)荷之一，所以對(duì)新風(fēng)機(jī)的控制目的，是在保證被控空調(diào)區(qū)域舒適性的基礎(chǔ)上，盡可能地節(jié)能。新風(fēng)機(jī)所提供的新風(fēng)量，是確保房間空氣品質(zhì)的必要條件，應(yīng)隨時(shí)滿足空調(diào)末端的使用要求，可以根據(jù)空調(diào)末端區(qū)域的CO2濃度來(lái)定所提供的新風(fēng)量，這樣，以保證室內(nèi)空氣質(zhì)量為前提的需求量即是所需的最小新風(fēng)量，同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的[5-7]。因此，只要根據(jù)空調(diào)末端區(qū)域的空氣質(zhì)量要求，設(shè)定一個(gè)CO2濃度值，在要控制的空調(diào)區(qū)域內(nèi)適當(dāng)位置設(shè)置CO2濃度傳感器，將CO2濃度傳感器檢測(cè)到的CO2濃度值與設(shè)定的CO2濃度值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差值的大小，控制新風(fēng)支管上電動(dòng)調(diào)節(jié)閥以調(diào)節(jié)新風(fēng)量，由此構(gòu)成末端空調(diào)區(qū)域CO2濃度的閉環(huán)控制。

設(shè)定端空調(diào)區(qū)域CO2濃度檢測(cè)值為K，設(shè)定的CO2濃度值為K0。當(dāng)檢測(cè)CO2濃度K＞K0時(shí)，新風(fēng)支管上電動(dòng)調(diào)節(jié)閥增大新風(fēng)量，使CO2濃度下降，直至K=K0；當(dāng)檢測(cè)CO2濃度K＜K0時(shí)，新風(fēng)支管上電動(dòng)調(diào)節(jié)閥減小新風(fēng)量，使CO2濃度上升，直至K=K0。這樣通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)控制，就可以實(shí)現(xiàn)在保證室內(nèi)空氣質(zhì)量品質(zhì)前提下的最小新風(fēng)量供給，同時(shí)，在總送風(fēng)管上設(shè)置靜壓檢測(cè)傳感器，通過(guò)比較系統(tǒng)內(nèi)靜壓值，給送風(fēng)機(jī)配置帶有變頻調(diào)速功能的自動(dòng)控制裝置，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)最小風(fēng)量的動(dòng)態(tài)控制，也大大降低新風(fēng)的處理能耗和輸送能耗。

2.1 CO2 濃度控制中新風(fēng)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(cè)到的二氧化碳濃度值與控制器上的二氧化碳濃度設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，使新風(fēng)量保持在要求的范圍內(nèi)。

同時(shí)，在總送風(fēng)管上設(shè)置靜壓檢測(cè)傳感器，具有比例積分功能的控制器將傳感器檢測(cè)到的靜壓值與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)，通過(guò)變頻器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

聯(lián)鎖及保護(hù)：風(fēng)機(jī)停機(jī)，風(fēng)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥同時(shí)關(guān)閉；風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，風(fēng)閥、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥同時(shí)打開(kāi)。當(dāng)過(guò)濾器兩側(cè)之壓差過(guò)高,超過(guò)其設(shè)定值時(shí)，裝設(shè)在儀表控制盤上的警報(bào)燈會(huì)發(fā)亮。盤管出口防凍開(kāi)關(guān)報(bào)警，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，打開(kāi)大熱水閥。

2.2 CO2 濃度控制中新風(fēng)量的DDC 控制

DDC 系統(tǒng)采用先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，采用分散直接控制與中央集中監(jiān)控相結(jié)合的分層形式，先處理本地?cái)?shù)據(jù)，然后將有限的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街醒胗?jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種控制方法可以大大提高各子系統(tǒng)的獨(dú)立性和可靠性，減少中央計(jì)算機(jī)的工作量，從而帶來(lái)計(jì)算機(jī)性能的提高和成本的降低等一系列優(yōu)點(diǎn)。

控制對(duì)象包括電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、風(fēng)機(jī)啟停、新風(fēng)風(fēng)閥。檢測(cè)內(nèi)容包括二氧化碳濃度、主供風(fēng)管道靜壓、過(guò)濾器堵塞信號(hào)、防凍信號(hào)以及風(fēng)機(jī)啟停、工作、故障、手動(dòng)/自動(dòng)狀態(tài)。上述內(nèi)容應(yīng)顯示在DDC 上。

控制方法：CO2濃度是通過(guò)新風(fēng)支管上調(diào)節(jié)電動(dòng)閥的開(kāi)度來(lái)保證其設(shè)定值的。主送風(fēng)管道的靜壓通過(guò)變頻器控制風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)保證其設(shè)定值。根據(jù)計(jì)劃的工作進(jìn)度，DDC 按時(shí)啟動(dòng)和停止機(jī)組。

聯(lián)鎖保護(hù)：風(fēng)機(jī)啟停、風(fēng)閥、電控閥聯(lián)動(dòng)啟閉。當(dāng)風(fēng)機(jī)啟動(dòng)后兩側(cè)壓差低于設(shè)定值時(shí)，故障報(bào)警停止。當(dāng)過(guò)濾器兩側(cè)壓差過(guò)大，超過(guò)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)報(bào)警。盤管出口設(shè)置防凍開(kāi)關(guān)，當(dāng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，報(bào)警并打開(kāi)大熱水閥。

3 環(huán)保與節(jié)能

3.1 環(huán)保

對(duì)建筑物內(nèi)的二氧化碳濃度進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析，并與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，在建筑物綠色建筑評(píng)價(jià)時(shí)會(huì)有加分?！毒G色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50378-2014）中室內(nèi)空氣質(zhì)量章節(jié)8.2.12 中要求在主要功能室人流密度大、時(shí)間變化大的區(qū)域設(shè)置室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，總評(píng)價(jià)值為8 分。標(biāo)準(zhǔn)要求按下列規(guī)則分別評(píng)分并累計(jì)：室內(nèi)二氧化碳濃度數(shù)據(jù)采集分析，并與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，得5 分；實(shí)現(xiàn)室內(nèi)污染物濃度超標(biāo)實(shí)時(shí)報(bào)警，并與通風(fēng)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，得3 分。第8.2.13 章要求地下車庫(kù)設(shè)置一氧化碳濃度監(jiān)測(cè)裝置，與通風(fēng)設(shè)備相連接，評(píng)價(jià)得分為5 分。

3.2 節(jié)能

基于CO2濃度的新風(fēng)按需控制近些年來(lái)大量應(yīng)用在辦公樓的新風(fēng)控制中，為建筑物內(nèi)人員提供高品質(zhì)的室內(nèi)空氣質(zhì)量環(huán)境。另外，一項(xiàng)調(diào)查顯示，辦公樓采用CO2濃度控制的新風(fēng)系統(tǒng)后，相對(duì)于定風(fēng)量新風(fēng)系統(tǒng)，節(jié)能超過(guò)40%，如圖2所示。

圖2 兩種新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果對(duì)比

4 結(jié)論

單純的二氧化碳濃度新風(fēng)控制簡(jiǎn)單可靠，但是其只能反映室內(nèi)人員狀態(tài)，由于建筑內(nèi)除人體產(chǎn)生的CO2外，還有許多由裝修材料產(chǎn)生的污染物如揮發(fā)性有機(jī)物VOC、氡氣、臭氧等。如果濃度過(guò)高，這些化合物會(huì)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(tài)建筑綜合癥，特別是剛裝修沒(méi)多久的辦公室，其總揮發(fā)性有機(jī)化合物（TVOC）的濃度更是需要不斷通風(fēng)來(lái)稀釋。所以，對(duì)室內(nèi)空氣品質(zhì)要求非常高的辦公樓，也有采用TVOC 和CO2濃度傳感器進(jìn)行新風(fēng)控制。其原理為傳感器給出的CO2和TVOC 濃度電信號(hào)，與設(shè)定值進(jìn)行比較，給出偏差值，控制器再根據(jù)此偏差信號(hào)來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)門的開(kāi)度，控制新風(fēng)量?？刂谱兞吭黾恿薈O2和TVOC，導(dǎo)致算法更復(fù)雜，從而影響控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和可靠度，也增加了工程成本。關(guān)于室內(nèi)總揮發(fā)性有機(jī)化合物中各成分含量對(duì)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(chǎng)上可供使用的TVOC 傳感器也無(wú)法顯示其中各種成分的濃度，包括對(duì)室內(nèi)氧氣含量的監(jiān)測(cè)，這些都有待后續(xù)的研究來(lái)解決。

綜上所述，筆者認(rèn)為，基于空調(diào)新風(fēng)的CO2濃度控制，不僅為建筑物內(nèi)人員提供高品質(zhì)的室內(nèi)空氣質(zhì)量環(huán)境，而且無(wú)論從能耗角度，還是從經(jīng)濟(jì)角度，都較大幅度地節(jié)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(qū)散室內(nèi)的渾濁！