基于室内CO2浓度的按需控制通风原理

蔡坤

（西安科技大学基建处 陕西西安 710054）

引言

根据发达国家经验，随着城市的发展，建筑会超过工业、交通等行业而居于社会能耗之首，将达总能耗的33%左右。我国民用建筑中，暖通空调系统能耗占建筑总能耗的65%左右，而新风能耗又占空调系统能耗的大部分。从改善室内空气品质讲，新风越多越有利。但除具有特殊用途的建筑必须全新风及过渡季节外，送入室内的新风都得通过热、湿处理，带来较大的热湿负荷，因此新风量越少越利于节能。在系统设计时，新风量通常应满足两个要求：1）稀释人体本身和活动产生的气体，保证人体对空气品质的要求；2）补充室内燃烧所消耗的空气和局部排风量。全空气系统中，通常取上述要求中计算出新风量的最大值作为系统最小新风量。如果计算所得最小新风量不足总风量10%，则取系统送风量的10%。

美国采暖、制冷及空调工程师协会标准90.1-2007[1]规定：通风面积超过50m2和每100m2建筑面积设计人数超过40人的空调系统必须采用按需控制通风，并同时采用以下至少一种措施：1）风侧经济器；2）自控新风阀或设计新风量大于1.4m3/s。但以下3种情况除外：1）带有排风能量回收装置；2）多个空调区域没有采用各区之间采用集中控制面板通信的直接数字式控制（direct digital control, DDC）；3）设计新风量小于0.6 m3/s的空调系统。

按需控制通风（DCV）是一种实时的、基于空间人员负荷密度的通风方式，它相对于传统的定风量系统有着巨大节能潜力[2]。作为新兴的一种通风控制策略，它通过控制室内外CO2浓度差，为工程设计和业主解决了一个难题：如何在节能的同时又优化空气质量?本文在分析室内CO2浓度和空气流通率关系的基础上，讨论了按需控制通风系统的基本工作原理、特点及应用。

1 室内CO2浓度和空气流通率

遵照国家相关规范及标准，建筑物的通风设计可采用两种途径净化室内空气，一是通过送风来稀释室内有害气体的浓度，另一种是如果全部有害气体可以事先确定，采用空气过滤装置和化学物质将其吸收掉。对于目前的建筑物来说，大部分都采用第一种方法。只有在送风系统无法满足建筑物的送风需要时，才考虑使用第二种方法。

室外CO2的最低浓度通常在350～450ppm之间，CO2浓度处于较低状态下的空气通常被人们称为“新风”。CO2主要来源是生物呼吸后排出的废气。在建筑物里，人们排放出来的CO2可以通过机械通风、降低气密性或门窗开启来稀释。CO2浓度的增加为我们预测建筑物内的人员负荷提供了依据，而CO2浓度的降低则可预测室外有多少空气通过流通进入建筑物（即新风量）[5]。特定环境下，室内外CO2的浓度差取决于新风量的大小。同时，根据室内外的CO2浓度差，可计算出所需新风量。

如果室外CO2的浓度是400ppm，室内是1100ppm，室内外的CO2浓度差为700ppm，对应着有25.5m3/h/人的空气流通量，此时人们在生理反应上会感到满意[6]。大多数建筑物中，如果CO2的浓度在500～3000ppm之间，通常不认为它对人们的健康构成威胁，一般情况下超过5000ppm才会对人产生直接的影响[7]。许多人在室内浓度超过1400ppm(或与室外的浓度差超过1000ppm)的时候，会出现闷热、乏力、注意力不集中或感到其它不适。这些症状不一定是由CO2过量或缺氧引起的，有可能是由于空气流通率较低，其它有害或刺激性气体（来源于人体、室内家具或其它设备的有害气体，包括丙酮、氨、甲醇、二氧化硫等等）积聚引起的。

CO2的浓度的高低意味着空气流通率的高低。通常室内没人时，门窗打开引入新风可降低室内CO2浓度，从而降低室内送风需求。不过，CO2浓度低不一定意味着空气质量好，如果室外环境潮湿、多尘等，打开门窗将导致室内空气质量的严重下降。

2 按需控制通风原理

一般空调系统设计按人均新风量取值。在人员密度频繁变化的建筑中，空调系统的新风量设计中经常遇到以下3点问题：

1）设备选型不合理。如地下商场的空调系统，由于新风管道的设计和新风机组的选型均是按各区域的额定人数计算的，所以当人员密度不大或淡季时，新风量就会过大。这样大大增大了电耗，空调运行成本也急剧增加。

2）新风可能会带来较大的能耗。一般规定空调系统的新风量不应小于总送风量的10%，同时必须满足每人20m3/h～50m3/h的新风量。房间通风换气次数大致规定在0.5次/h～3次/h。处理新风大约占空调总能耗的30%～40%。对于地下空间，由于很难利用自然通风，建筑壁面的恒温恒湿以及人员密度增大等原因使得新风能耗相对更大，一般约占空调总能耗的一半以上。

3）降低新风能耗与提高室内空气品质之间的矛盾。可以看出，新风能耗占建筑总能耗的很大一部分，如果可以采用一定手段消除多余的新风量，那么将会使空调系统大大地节能。在保证一定的室内空气品质前提下，将新风量控制在最小。在提高室内空气品质和节能的双重要求下，按需控制通风系统应运而生。

人们在室内进行不同活动时，CO2排放量不同。一般情况下，激烈运动时的CO2排放量是静坐时的3～4倍。在相同的建筑物（如教室）内，如果人员的劳动强度基本接近，此时CO2的排放量就可以被近似计算或预测。根据建筑物内具体的人员负荷，可优化设计送风量和新风量，满足节能和优化空气质量的要求。

按需控制通风就是通过连续不断地监测室内外CO2浓度，采用一种封闭式的信息反馈控制回路，对建筑物的通风需求进行控制，既减少了能源的消耗又保证了室内的空气质量。按需控制通风的原理可以理解为：根据建筑物内污染物浓度(一般采用CO2浓度为指标)来确定新风量的大小，使通风系统在保证室内空气品质的同时，最大限度达到节能目的。这种控制方式对室内CO2含量的控制可以确保空气流量实时地满足建筑物实际人员负荷的要求，而不是维持设计情况下建筑物内假设的水平。

自1976年Kusuda提出用室内CO2平均浓度作为控制新风量的指标以来，按需控制通风在欧美等发达国家得到较大发展，是近年来暖通空调设计方面的一大突破。它通过在建筑物内外安装CO2传感器，计算出室内外CO2浓度差，并将这些信息持续反馈给中央控制系统，用以控制新风量。其优点是能够实时计算出建筑物内的人员负荷并调节新风阀、循环风阀和排风阀的开度，为室内空气质量提供可靠保障，并且使能耗保持在需要的水平，避免了过度送风增加的电耗。

一份美国ASHARE标准62.1–2007关于“提高室内空气质量到可接受水平的通风设计”的研究报告[4]指出，基于建筑物内的设计人数，通过控制CO2含量来实现通风控制，实现的关键是控制策略。因为控制策略会随着具体环境，人员密度和对象的改变而改变，必须遵照ASHARE 62.1–2007的相关标准制定。

按需控制通风适用于人员负荷有间歇性变化的地方，如教室、会议室、戏院、接待室或其他办公场所。对于人员负荷没有间歇性变化的地方，送风量基本维持平衡，设置按需控制通风系统的作用不大。在夏季，调节阀大幅度打开时会造成过度送风，即房间正压过大。相反，在冬天或换季的时候会出现送风不足，即房间正压过小。传统的变风量系统也会存在缺少新风量或新风量过大的情况，这就会造成室内人员感到不适或浪费能源。

3 结语

按需控制通风系统大大减少了建筑物的能源消耗，对于节能减排具有非常重要意义，这种控制方式已经在欧美等发达国家迅速普及。有关按需控制通风系统的设计要求也不断升级，如美国ASHRAE 标准62.1中，从2004版升级到2007版，又升级到2010版。我国经济的发展已经付出了沉重的环境恶化代价，节能减排任重道远。这种节能系统是一种节能和优化空气的有效途径。

需要指出，该系统不足地方：1）需要一个大型中央控制系统对收集到的CO2浓度信号进行处理及反馈控制，这对于我国的许多建筑物难以实现。2）结合建筑物的实际情况制定适合的策略及控制程序也相当关键，只有适当的策略加上严密的管理，才能为节能提供可靠的保障。3）现阶段许多CO2传感器对于震动、压力和温度的变化都比较敏感，现在没有现行标准对传感器的性能及适用范围作出评估，这就需要在选择传感器的时候注意使用性能稳定可靠的产品。

[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.