基于空调新风的CO2浓度控制

袁 红

（1.长春建筑学院，长春 130011；2.吉林省恒翊机电工程有限公司，长春 130012）

近年来，随着绿色建筑的兴起，人们越来越重视病态建筑综合症（SBS）引起的室内健康问题。你在关注室内环境的时候，是否注意到自己呼吸产生的二氧化碳究竟对室内环境产生怎样的影响？人们每分每秒的呼吸都在产生二氧化碳，如果长时间呆在密闭的环境中，二氧化碳会超标使人产生不适吗？

美国在二氧化碳浓度对人的影响方面也有相关研究，并在期刊《环境与健康展望》上发表了研究成果：在密闭环境下，周围人呼出的二氧化碳集合起来会使人的思考速度变得更慢。

二氧化碳在室外是全球气候变暖的元凶之一[1-2]。在室内，为了隔绝噪音，享受生活空间或办公空调系统的舒适和便利，人们长时间保持室内窗户关闭，使室内二氧化碳浓度远高于室外平均值。

二氧化碳浓度和人体生理反应的关系为：350～450 mg/L，室外环境相同；350～1 000 mg/L，新鲜空气，呼吸顺畅；1 000～2 000 mg/L，感觉空气浑浊，开始感觉困倦；2 000～5 000 mg/L，头痛、嗜睡、嗜睡，注意力不集中，心跳加快，轻度恶心；超过5 000 mg/L，可能导致严重缺氧、永久性脑损伤、昏迷甚至死亡。如何改善室内的二氧化碳浓度，成为室内空气调节系统的一项重要课题。

1 CO2 浓度监测标准

CO2并不是污染物，也不能完全反映空气质量的状况，CO2浓度达到要求并不能完全代表室内空气品质就合格，因为室内可能还存在其他挥发性污染物，但CO2可作为测量空气质量的主要指示性物质[3-4]。

2 CO2 浓度控制工作原理

新风是冷热源的主要负荷之一，所以对新风机的控制目的，是在保证被控空调区域舒适性的基础上，尽可能地节能。新风机所提供的新风量，是确保房间空气品质的必要条件，应随时满足空调末端的使用要求，可以根据空调末端区域的CO2浓度来定所提供的新风量，这样，以保证室内空气质量为前提的需求量即是所需的最小新风量，同时达到节能的目的[5-7]。因此，只要根据空调末端区域的空气质量要求，设定一个CO2浓度值，在要控制的空调区域内适当位置设置CO2浓度传感器，将CO2浓度传感器检测到的CO2浓度值与设定的CO2浓度值进行比较，根据偏差值的大小，控制新风支管上电动调节阀以调节新风量，由此构成末端空调区域CO2浓度的闭环控制。

设定端空调区域CO2浓度检测值为K，设定的CO2浓度值为K0。当检测CO2浓度K＞K0时，新风支管上电动调节阀增大新风量，使CO2浓度下降，直至K=K0；当检测CO2浓度K＜K0时，新风支管上电动调节阀减小新风量，使CO2浓度上升，直至K=K0。这样通过动态调节控制，就可以实现在保证室内空气质量品质前提下的最小新风量供给，同时，在总送风管上设置静压检测传感器，通过比较系统内静压值，给送风机配置带有变频调速功能的自动控制装置，控制风机转速，以实现最小风量的动态控制，也大大降低新风的处理能耗和输送能耗。

2.1 CO2 浓度控制中新风量的PLC 控制

工作原理：具有比例积分功能的控制器将传感器检测到的二氧化碳浓度值与控制器上的二氧化碳浓度设定值进行比较，根据比较结果输出相应的电压信号，控制电动调节阀，使新风量保持在要求的范围内。

同时，在总送风管上设置静压检测传感器，具有比例积分功能的控制器将传感器检测到的静压值与设定值进行比较，根据比较结果输出相应的电压信号，通过变频器控制风机的转速。

联锁及保护：风机停机，风阀、电动调节阀同时关闭；风机启动，风阀、电动调节阀同时打开。当过滤器两侧之压差过高,超过其设定值时，装设在仪表控制盘上的警报灯会发亮。盘管出口防冻开关报警，当温度低于设定值时，打开大热水阀。

2.2 CO2 浓度控制中新风量的DDC 控制

DDC 系统采用先进的数字控制技术，采用分散直接控制与中央集中监控相结合的分层形式，先处理本地数据，然后将有限的数据传输到中央计算机进行数据交换。这种控制方法可以大大提高各子系统的独立性和可靠性，减少中央计算机的工作量，从而带来计算机性能的提高和成本的降低等一系列优点。

控制对象包括电动调节阀、风机启停、新风风阀。检测内容包括二氧化碳浓度、主供风管道静压、过滤器堵塞信号、防冻信号以及风机启停、工作、故障、手动/自动状态。上述内容应显示在DDC 上。

控制方法：CO2浓度是通过新风支管上调节电动阀的开度来保证其设定值的。主送风管道的静压通过变频器控制风机的转速来保证其设定值。根据计划的工作进度，DDC 按时启动和停止机组。

联锁保护：风机启停、风阀、电控阀联动启闭。当风机启动后两侧压差低于设定值时，故障报警停止。当过滤器两侧压差过大，超过设定值时，自动报警。盘管出口设置防冻开关，当温度低于设定值时，报警并打开大热水阀。

3 环保与节能

3.1 环保

对建筑物内的二氧化碳浓度进行数据采集、分析，并与通风系统联动，在建筑物绿色建筑评价时会有加分。《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2014）中室内空气质量章节8.2.12 中要求在主要功能室人流密度大、时间变化大的区域设置室内空气质量监测系统，总评价值为8 分。标准要求按下列规则分别评分并累计：室内二氧化碳浓度数据采集分析，并与通风系统联动，得5 分；实现室内污染物浓度超标实时报警，并与通风系统联动，得3 分。第8.2.13 章要求地下车库设置一氧化碳浓度监测装置，与通风设备相连接，评价得分为5 分。

3.2 节能

基于CO2浓度的新风按需控制近些年来大量应用在办公楼的新风控制中，为建筑物内人员提供高品质的室内空气质量环境。另外，一项调查显示，办公楼采用CO2浓度控制的新风系统后，相对于定风量新风系统，节能超过40%，如图2所示。

图2 两种新风系统的节能效果对比

4 结论

单纯的二氧化碳浓度新风控制简单可靠，但是其只能反映室内人员状态，由于建筑内除人体产生的CO2外，还有许多由装修材料产生的污染物如挥发性有机物VOC、氡气、臭氧等。如果浓度过高，这些化合物会刺激人的眼、鼻、喉，并引起头疼、困倦、恶心和疲劳，人们称之为病态建筑综合症，特别是刚装修没多久的办公室，其总挥发性有机化合物（TVOC）的浓度更是需要不断通风来稀释。所以，对室内空气品质要求非常高的办公楼，也有采用TVOC 和CO2浓度传感器进行新风控制。其原理为传感器给出的CO2和TVOC 浓度电信号，与设定值进行比较，给出偏差值，控制器再根据此偏差信号来调节风门的开度，控制新风量。控制变量增加了CO2和TVOC，导致算法更复杂，从而影响控制系统的准确度和可靠度，也增加了工程成本。关于室内总挥发性有机化合物中各成分含量对人体健康的具体影响，目前研究还不能非常精确地定义，市场上可供使用的TVOC 传感器也无法显示其中各种成分的浓度，包括对室内氧气含量的监测，这些都有待后续的研究来解决。

综上所述，笔者认为，基于空调新风的CO2浓度控制，不仅为建筑物内人员提供高品质的室内空气质量环境，而且无论从能耗角度，还是从经济角度，都较大幅度地节省资源，可谓前景广阔。愿我们不仅能赶走室外的雾霾，也能驱散室内的浑浊！