基于CO2检测的新风量控制方法的改进

柴代胜,何大四,范晓伟

(中原工学院,郑州450007)

基于CO2检测的新风量控制方法的改进

柴代胜,何大四,范晓伟

(中原工学院,郑州450007)

提出了一种改进的基于CO2检测的新风量控制方法.该方法通过检测新风、回风CO2浓度值及当前新风量,实时确定室内人数,再根据ASHRAE62-2001Standard实时确定系统新风量.仿真结果表明,对于所选办公建筑,应用该方法后室内全天CO2浓度在1 000(10-6)以下,TVOC浓度在300μg/m3以下,与传统CO2浓度监测法相比,该方法保证了全天均有良好的室内空气品质.

新风量控制;空气品质;仿真

现有新风控制方法中,有关CO2浓度监测法的研究开展较多.已有研究结果表明[1-4],跟传统新风控制方法相比,CO2浓度监测法可以减少10%～20%的新风耗能.因此,该方法具有较好的节能效果.众所周知,新风节能技术的本质是将建筑物空调系统中新风量控制在最佳值,在保证室内人员舒适和健康的前提下,实现能量消耗的最小化.在CO2浓度监测法中,是以室内CO2浓度值来衡量室内空气品质的.近年来研究人员发现[5],CO2并非室内唯一污染源,室内还存在大量的非人为污染物,比如现代建筑物室内装修和家具涂料中可能含有有毒、有害的挥发性有机化合物(VOC)以及氡气、尼古丁、尘粒等.当这些污染物浓度过高时,不仅使室内人员感觉不适,而且还对人体健康产生直接影响.所以,简单地以人为产生的CO2为指标来控制系统新风量,往往达不到室内空气品质要求.本文提出了一种改进的CO2检测控制法,结合一办公建筑,运用仿真方法,探讨了该方法在改进室内空气品质方面的效果.

1 基于CO2检测的新风控制方法的改进

室内污染物一般由人为因素产生的污染物和非人为因素产生的污染物构成,在衡量室内空气品质时必须要综合考虑.针对这两方面,ASHRAE62-2001 Standard给出了最小新风量的确定标准.在这个标准中,最小新风量由每人最小新风量指标与每平方米地板所需的最小新风指标之和确定[6].

DS=RPPDD+RBAB(1)

式中:DS为设计的最小新风量(L/S);RP为每人所需的最小新风量(L/S);PD为室内人数(人);D为综合系数;RB为单位地板面积所需的最小新风量(L/S);AB为空调面积(m2).

表1 几种典型场所的最小新风量 L/S

从式(1)中可以看出,最小新风量的设计有两部分构成:第一部分是人员部分,是用于稀释由室内人员带来的污染物所需的新风量;第二部分是建筑物部分,是用于稀释室内一些建筑材料产生的污染物所需要的新风量.也就是说,它是综合考虑人为产生的污染物和非人为产生的污染物后得出的新风量.根据标准的要求,要想保证良好的室内空气品质,空调房间的最小新风量不得低于由式(1)计算出的新风量.

通过对最小新风标准的分析可知,以最小新风量送风是在保证室内卫生最低要求的同时,又不造成能源的浪费.但该公式是在设计工况下得出的,实际空调区域的人员负荷是不断变化的,这显然不能满足要求.如果有一种方法可以实时得到当前时刻的室内实际人数,以最小新风公式确定当前所需的新风量,将会是最为合理的新风控制方案.

空调区域内的 CO2通常都是由室内人员产生的[7],在这个条件下,室内CO2浓度变化方程可表示为:

基于此,将方程进行差分,便可得到对室内人员检测的动态质量平衡方程:

式中:V为房间体积(m3)、Q为新风量(m3/h)、C1为新风 CO2浓度(10-6)、Ci室内 CO2浓度(10-6)、P为室内人数 (人)、S为平均每人 CO2散发率(m3/h·人)、i为当前时刻、i-1为上一时刻、Δt为间隔时间.

通过上式可以计算出当前时刻的室内人数 P,从理论上说,这种方法实现了对室内人数的实时在线控制,但在实际的应用中,必定存在延迟和误差.因此,其控制精度是否能满足新风控制方案的要求,还需要做进一步的研究.

2 办公室新风控制仿真实验研究

为了验证控制方案的可靠性和可行性,本文针对一办公建筑建立了仿真模型,该模型以TRNSYS仿真软件为平台,编写了办公建筑、空调风系统以及采用DDC控制器的控制系统等仿真程序,实验原理如图1所示.

图1 实验原理图

2.1 实验条件

在极端季节,室内外温差较大,空调系统中的新风问题尤为突出,因此本文选取夏季的一个典型日进行仿真实验,实验日室外温度状况如图2所示.本文的仿真对象是位于郑州市某一办公建筑,办公室区域面积为160 m2,假定每天早上8点开始上班,晚上22点所有人离开办公室.针对试验的需要,本文根据GB 50189-2005的规定,人为给定了室内实际人数变化的工况,如图 3所示.室内人员活动功率为 1.2 met,则室内人均CO2产生率为0.006 L/人.郑州室外CO2的浓度取300(10-6)[8],办公室内的 TVOC散发率为 0.125μg/(m2·s),室外的 TVOC浓度值取0[9].

2.2 空调区域人数检测的验证

根据新风优化控制方案可知,能否实现对新风量的良好控制,关键在于室内人员的实时检测.只有准确估计室内的真实人数,才能确定出合理的新风量.因此,本文首先对室内人数的检测进行了仿真验证.

图4所示为通过检测室内CO2浓度值及系统新风量,由动态质量平衡方程计算出的室内人员的变化情况.从图4中可以看出,在开始的一段时间内,检测值有一定的延迟,但系统稳定后,检测人员与室内真实人员就有着相同的变化趋势,而且延迟时间也不超过10 min,振荡偏差在5%以内.所以,其控制精度可以满足新风优化控制方案的要求.

图4 检测人员与室内真实人员

2.3 实验方案

本次仿真实验采用以下两种新风控制方案对新风量进行控制:

(1)方案A:CO2浓度监测法.通过控制室内CO2浓度,使用PID控制器来控制系统的新风量.关于室内CO2浓度的设定值,各个国家也都给出了相应的标准,根据我们国家的通风标准,以及郑州地区的具体气象资料,本文以1 000(10-6)作为室内CO2浓度体积分数的设定值.

(2)方案B:改进的CO2浓度监测法.通过检测室内CO2浓度值的变化以及新风量的变化,由动态质量平衡方程得出室内人员的变化情况,按照ASHRAE62-2001Standard规定的最小通风标准,得出当前时刻室内所需要的最小新风量.依据办公室新风标准,平均每人所需要的新风量取30 m3/h,单位面积所需要的新风量取2.5 m3/h,综合因数取1.

2.4 结果分析

图5 不同控制方案下的新风量

图5显示了不同新风控制方案下,送入室内新风量的变化情况.从图5中可以看出,在室内人员负荷较大时,方案B送入室内的新风量最多,而方案A送入室内的新风量明显小很多,尤其是在12点至14点,以及18点至20点之间,系统的新风量降到了最低点.

图6表示在不同新风控制方案下室内CO2浓度值的变化情况.从图6中可以看出,方案B下,室内CO2浓度值大部分时间内都在900(10-6)左右变化,而在午餐时间以及晚餐时间,室内CO2浓度值降到了500(10-6).相比较而言,方案A下,室内的 CO2浓度值要偏高一些,但只有在开机的一段时间内,CO2浓度值要高于1 000(10-6),其他大部分时间内都要比这个值低,尤其在午餐以及晚餐的时间段内,室内CO2浓度值降到了600(10-6).

图6 不同控制方案下的室内CO2浓度值

图7所示为不同新风控制方案下,室内 TVOC浓度值的变化曲线.从图7中可以看出,方案A下,在正常上班的时间段内,室内 TVOC浓度值在200μg/m3左右变化,可以满足室内空气品质的要求.可在12点至14点以及18点至20点这2个时间段内,TVOC浓度值却要远高于300μg/m3,超出了舒适区的要求.而方案B下,室内 TVOC的浓度值总能保持在300μg/m3这个舒适区内,尤其是在办公人员正常上班的时间段内,室内的 TVOC浓度保持在100μg/m3左右.在中午及晚上,室内人员负荷较低时,室内TVOC浓度值将有所升高,但也总能保持在舒适区范围之内.

图7 不同控制方案下的室内 TVOC浓度值

综合分析图6和图7可以得出,仅以室内CO2浓度值来作为衡量室内空气品质的标准通常是不合理的.这是因为,可以有效稀释室内CO2浓度的新风量,并不足以消除其他非人为产生的污染物.而方案B综合考虑了室内人员以及空调区域对室内空气品质的影响,可以保证室内人为因素产生的CO2浓度值及非人为因素产生的TVOC浓度值均在舒适范围以内.

3 结 语

本文提出了一种改进的基于CO2检测的新风量控制方法,和已有方法相比,该方法不仅考虑消除人为因素产生的污染物,也考虑消除非人为因素产生的污染物.仿真结果表明:改进的CO2浓度监测法,可以较真实地反映室内人员的变化情况,并根据室内人员的变化,适时改变系统新风量.和传统CO2浓度监测法相比,该方法能保证全天时间内办公区域的CO2浓度值在1 000 PPM(10-6)以下,TVOC浓度值在300μg/m3以下,室内空气品质良好.较好地克服了现有CO2浓度监测法中仅以室内CO2浓度值来衡量室内空气品质带来的不足.

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Improvement of Fresh Air Quantity Control Method Based on CO2-detected

CHA IDai-sheng,HE Da-si,FAN Xiao-w ei
(Zheongyuan University of Techno logy,Zhengzhou 450007,China)

This paper puts fo rward a fresh air quantity controlmethod based on CO2-detected.the control scheme is p roposed by vent area and detecting the current fresh air quantity,CO2consistence of fresh air and return air to monitor the people indoor.The determine the fresh air quantity based on ASHRAE62-2001Standard.Simulation results show that,compared to the traditional CO2-DCV scheme,the imp roved scheme guarantees the CO2consistence below 1000(10-6),TVOC consistence below 300 g/m3in selected office,and obtains a good indoor air quality all day.

fresh air quantity control;indoor air quality;simulation

TU 831.8

A DO I:10.3969/j.issn.1671-6906.2010.02.006

1671-6906(2010)02-0023-05

2010-02-17

河南省科技攻关项目(084100510008)

柴代胜(1985-),男,河南潢川人,硕士.