需求控制通风方式的特点简介

张文武

（广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州 510010）

随着经济的不断发展，城市化进程以飞快的速度在发展。目前，城市化已经是一个国家现代化水平的重要标志。最近几年以来，工业化和城市化的高速发展，城市建筑的数量也相应急剧增加。一个世纪以前，全世界人口仅14%居住在城市中，到1950年时已超过30%。而现今，平均有50%的人居住在城市及其周边地区，在美国这个数字更是达到了90%。预计到2100年，全世界80%人口将居住在城市中。

根据发达国家的经验，随着城市的发展，建筑将会超过工业、交通等其他行业而居于社会能耗之首，将达到总能耗的33%左右。如果不采取有效措施，到2020年我国的建筑能耗将会比2005年翻一翻以上[1]。在我国民用建筑中，暖通空调系统耗能占建筑总耗能的65%左右。而新风能耗又占空调系统能耗的很大一部分。从改善室内空气品质讲，新风量多些为好；但是除特殊用途的必须100%全新风的建筑以外，送入室内的新风除过渡季节外都得通过热、湿处理，消耗能量，因此新风量宜少些为好。在系统设计中，新风量通常应满足以下两个要求:1)稀释人群本身和活动产生的污染物，保证人群对空气品质的要求；2)补充室内燃烧所消耗的空气和局部排风量。在全空气系统中，通常取上述要求中计算出新风量的最大值作为系统的最小新风量。如果计算所得的最小新风量不足总风量的10%，则取系统送风量的10%。

一般空调系统设计按人均新风量取值，这在人员密度波动频繁的建筑空间中，空调系统常用的新风量存在以下的问题:

能源浪费较为严重。目前，空调系统的新风能源浪费很严重，比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客人数计算的，所以当客流量不高或淡旺季不平衡时，新风量就会过大。这样不但使宝贵的能源白白浪费，而且蒙受经济损失。

新风能耗可观。现在一般规定要求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的新鲜空气量。按房间通风换气次数算，大约在0.5次/h～3次/h。处理这些新风要付出一定的新风能耗，大约占空调总能耗的30%～40%，数量相当可观[2]。在地下空间中，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。

由以上可以看出，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过大新风量，那么将会使空调系统大大地节能。

需求控制通风就是从这个基本思想出发而提出的通风策略。需求控制通风是一种实时的，基于空间人流密度的的通风方式，它相对于传统的定风量系统有着巨大节能潜力。它的具体实现形式就是随着空间人员密度变化，新风量的大小能够相应的作出调节，使得新风量时刻与人员密度相适应，这样就既保证了室内空气品质，又预防了过量通风，节约了能耗。

1 需求控制通风方式的工作原理和特点

对需求控制通风方式的一个简单解释就是:根据建筑物内污染物的浓度（一般为CO2）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，尽最大可能的节能。自Kusuda 1976年提出用室内二氧化碳平均浓度作为控制新风量的指标以来，需求控制通风在80年代得到较大发展。对二氧化碳含量的控制可以确保空气流量满足建筑物实际人流的要求，而不是仅仅维持在设计该建筑物时假设的水平。

需求控制通风的概念是应节能的要求而提出的，它适用于人员密度较大，人流间歇性变化的场所。对于人流没有间歇性变化的地方，送风量基本维持平衡，设置“需求控制通风”系统的作用不大，不能明显起到节能的目的。目前我国大多数地下空间被用作商场、地下街、地铁等公共场所，这些场所人员密集，人流间歇性变化，考虑到全球范围内节能上的要求，需求控制通风策略是一个上佳选择。

需求控制通风系统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二氧化碳传感器，计算出室内外二氧化碳的浓度差，并将这些信息持续反馈给中央控制系统，用以进行送风控制。这样做的优点是能够实时计算出建筑物内的人流并进行相应的送风操作，为室内的空气质量提供了可靠的保障。

与传统的变风量系统比较，由于需求控制通风系统是室内外实时的二氧化碳浓度差对送风量作出调整的，因而不会出现所谓的“过度送风”或“送风不足”。另外，由于需求控制通风系统能够实时探测到建筑物内部的人流，这些信息同样可以被我们利用来进行温度及湿度控制，为实现建筑物内部有一个舒适的热环境提供了保证。

一份美国暖气、制冷及空调工程师协会（ASHARE STANDARD 62）关于“提高室内空气质量到可接受水平的通风设计”的研究报告指出，基于建筑物内的实际人流，通过控制二氧化碳含量来实现通风控制，是一个非常好的方法。实现的关键是控制策略。文章指出，控制的策略会随着具体环境，客流密度和对象的改变而改变，控制策略必须遵照ASHARE 62-1989的相关标准制定。

问题的关键在于建立起CO2浓度与人均新风量之间的关系。ANSI/ASHRAE Standard 62-1999.3附录中的给出了一个简单的数学公式[3]

式中 Vp-人均新风量，m3/(h·人)；

N-人均的 CO2产生速率，g/(h·人)，根据劳动强度不同而不同；

Cs-空间中CO2的浓度，ppm；

C0-室外CO2的浓度，一般固定在350～400ppm之间。

根据这个式子可以看出，人均新风量和室内外浓度差(Cs-C0)存在着一一对应的线性关系。

将这个等式进行变化，这样，在一固定新风速率下，平衡浓度可以用式（2）计算

室内外的浓度差(CS-C0)与人均新风量的关系对于室内人员密度是相对独立的。但是，人员密度会影响室内通风到达平衡状态的时间，上面的等式只适用于通风已经进入平衡状态的情况。

ANSI/ASHRASE Standard 62指出:“如果通风能保证室内外CO2浓度差不超过700 ppm，人们在生理反应上就会感到满意[4]。”在1.2 MET的办公工作强度下，平均每人CO2的产生率是0.30 l/min或0.0106 cfm。假设室外CO2浓度为400ppm，在保证700ppm浓度差的情况下，室内CO2的浓度是1100ppm[5]。这相当于保持在15cfm（25.5m3/h）的人均新风速率下，平衡时室内CO2的浓度，如下式所示

如果在上式中用20cfm（34m3/h）的人均新风量来代入，那么室内外浓度差就相当于500ppm，室内的浓度就会是900ppm（假设室外浓度是400ppm）。由此可以看出，在一定劳动强度（1.2MET）下，通风达到平衡状态时，人均新风量的大小与室内外CO2浓度差存在一一对应关系。

实际上，一个空间内的人员密度经常是在不断变化的，为了维持恒定的室内外浓度差，就必须要维持一个稳定的人均新风量，这也就意味着新风量的大小应与室内人员数保持正比关系。

但是实际运行中，不好直接对人员密度进行监测，并且由于人员在空间分布的不平均性，以及人员劳动强度，年龄构成不一等等，使得即使能检测出室内人员数来也不一定能够代表某一空间室内空品质水平。而CO2易于检测，与人员数量直接相关，并且在一定程度上能够反映空间污染物浓度，所以目前包括地下建筑在内的室内空气质量大多以CO2浓度控制新风量的方式来实现，这就是基于CO2的“需求控制通风”的概念。

需求控制通风虽然是一种很好的节能和优化空气质量的策略，然而在某些情况下不一定需要使用，例如:

过渡季当室外新风焓值低于是室内焓值，就没有必要控制新风量大小，而是尽量利用新风冷源来冷却室内空气，这个阶段就是全新风阶段。

当天气过冷或过热的时候，空气调节系统未必有足够的能力来处理（加热或制冷）超负荷的送风量，这时我们就应该以考虑舒适度（温度）为前提，不能以二氧化碳浓度差来控制通风需求。

送风系统存在一个最小送风量的问题。在室内有人流的时候，即使二氧化碳的浓度足够低，不再需要通过送风来降低二氧化碳浓度，我们仍然要把送风系统的送风量设置在一个最低标准，确保有一定的送风量来减少其他对人有害的气体积聚的可能性。

2 需求控制通风方式的研究现状

国内方面:杨盛旭、韩旭[6]等对需求控制通风方式进行了改进研究，设计制作了仿真试验平台，通过监测CO2浓度，反映在室人员人数的动态变化，得出二氧化碳浓度模拟量与电动讯号阀门开度的函数关系，并与传统的通风方式进行了节能比较。耿世彬、杨家宝[7]研究的基于室内空气品质的需求控制通风，用CO2浓度作为室内人员相关污染物的控制指标，以TVOC作为室内建筑相关污染物的控制指标，从而容许在室内人员改变或建筑相关污染物浓度改变时调节入室新风量，实现了节能与提高室内空气品质的统一。西南交通大学戴朝华、朱云芳[8]等以衡量热舒适性的PMV和反映室内空气质量的CO2浓度为控制输入参数，建立了相应的控制策略，分别对变频空调器压缩机、蒸发器风机、新风阀(机)和台式小风扇进行控制以同时满足0＜PMV＜0.5和CO2体积分数小于1000ppm。建立空调器系统模型对一典型办公室进行了计算机仿真，表明热舒适指标(CI)控制与传统温(湿)度控制相比，不仅更能满足舒适性，而且节能；需求控制通风与人均新风量标准通风相比，节能效果明显。

国外:Mike schell，Stephen Turner，Omar Shim[9]根据对ASHRAE Standard 62的理解，指出了应用CO2需求控制通风的一些规则。通过预测CO2浓度与实测浓度的对比，模拟出在一定的延迟时间内，应该如何有效的选择人均新风量。John J.Lauria等比较了传统的定风量系统与需求控制通风的差异，从理论上说明需求控制通风是如何保持室内空气品质和降低费用的。并进一步指出办公室、学校、会议室以及宾馆等所能节省费用的比例。Mike Schell和Dan Int-Hout阐述了利用CO2来控制新风量的原理以及优点；介绍了非扩散红外侦察CO2传感器和光-声学CO2传感器的使用原理和安装规则。Maitin[10]对地下车库进行研究，认真比较了CO2和CO的浓度，认为CO需求控制通风是可行的，并且比CO2需求控制通风更合适；在气流组织上，对置换式通风和混合式通风两种通风方式进行了比较，指出了各自的使用范围，并给出了地下车库传感器的布置方案；对一典型地下车库在利用需求控制通风前后进行能量对比，发现使用需求控制通风后节能15%。Kurt Roth等介绍了需求控制通风的概念和节能潜力，并从市场因素考虑需求控制通风利用的可行性和必要性。Aircuity公司针对目前CO2需求控制通风不能得到广泛应用这种现状，进行调查研究，认为主要有三个原因:1）不能反映非人体污染物所需的必要通风量；2）控制上的不准确会导致室外新风量过大，造成能源浪费；3）CO2传感器维护与标定的费用相当昂贵；为了解决这个问题，Aircuity公司提出了多参数需求控制通风，即MpDCV，指出有必要对TVOC、微粒、甲醛和相对湿度进行控制，这样就保证了在室内CO2浓度相当低的时候，仍然有一定的通风量，满足正常的舒适度要求，这种方法需要增加一个测量其他参数的传感器，具体需要测量哪个参量需按实际情况而定；将最新科技MSS应用于MpDCV能提供一种更好的经济高效的解决方式，它能够使传感器测量更精确，而又能降低维修费用，所以能大大的降低运行费用。ASHARE 62介绍了需求控制通风的使用条件和应用规则，并给出了不同建筑的室内空气品质的标准。

3 结语

需求控制通风是通风空调系统的运行控制方案，而不是一种新型的设计方法。所以在需求控制通风系统设计时只需要考虑相当少的一些因素。需求控制通风模式应用设计有五个简单步骤:

确定应用需求控制通风模式是否适合；根据建筑行业相关标准的要求估计建筑物内滞留人数，计算各个空间所需的设计新风量。确定由非人员污染物决定的基本通风量，这是建筑物使用时期的最小通风量。根据建筑的使用特点和所拥有的设备决定合适的需求控制通风的控制策略。选择传感器的种类和安装地点。

[1]江亿.我国建筑能耗趋势与节能重点.J.建设科技.2006，7:10-13.

[2]申林.空调系统新风节能与室内空气品质的改善.科技情报开发与经济，2006:263～264.

[3]ANSI/ASHRAE Standard 62 -2001，Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality.

[4]Section 6.1.3. ANSI/ASHRAE Standard 62-1999，Ventilation For Acceptable Indoor Air Quality，ASHRAE，1999.F.

[5]OSHA，Chemical Information Manual，OSHA Instruction CPL2-2.43A， July 1，1991.

[6]杨盛旭，韩旭.新型需求控制通风方式研究.建筑热能通风空调，1999（4）:22～24.

[7]耿世彬，杨家宝.基于室内空气品质的需求控制通风研究.建筑热能通风空调，2003（3）:1～3

[8]戴朝华，朱云芳.基于变频空调器的舒适性指标与室内空气质量智能控制研究.暖通空调 36（4），2006:57～60

[9]Mike B.Schell，Stephen C.Turner， P.E.，R.Omar Shim.Application of CO2-Based Demand Controlled Ventilation Using ASHRAE Standard 62:OptimizingEnergy Use and Ventilation.ASHARE Transactions Symposia，1998:1213～1225

[10]H.Martin.Demand-controlled ventilation in vehicle parks.SenseAir，2001(3)