复杂环境下高层建筑空气质量控制

王铁毅

（山东钢铁集团有限公司，山东济南 250101）

节能减排

复杂环境下高层建筑空气质量控制

王铁毅

（山东钢铁集团有限公司，山东济南 250101）

通过物联网采集环境相关数据，送入信息中心云计算平台处理，应用模型及模糊控制技术优化控制高层建筑空气质量，调节室内温湿度，减少有害气体浓度，改善了工作环境。按新的通风换气方式，每年节省电费2/3以上。

高层建筑；空气质量；云平台；模型控制；模糊控制

1 前言

随着城市建设步伐的不断加快，人类赖以生存的自然环境同时也在发生了很大的改变，一方面由于工业化进程，高层建筑林立，工厂和人口密度加大，交通拥堵，汽车尾气剧增，产生的PM2.5细颗粒物、PM10可吸入颗粒物、一氧化碳、二氧化氮、二氧化硫等排放严重，影响大气质量，给城市高层建筑周围带来了较大的污染；另一方面各种建筑装饰材料投放，以及设备、设施、生活用品的大量使用，致使甲醛、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮、二氧化硫、悬浮颗粒、浮游微生物等空气危害因子大幅增加，室内空气品质明显恶化，影响人类健康。

因此，不考虑现实的大气污染情况，单纯采取以往常用的定时通风换气方式，已难以解决复杂环境下高层建筑空气质量问题。必须采用全新的方式，综合思考多种因素进行系统治理，以满足现代人对绿色节能和办公舒适度的要求。基于智能控制技术，充分利用高层建筑周边的自然条件，捕捉并采集最佳时段的最好空气，合理“储备”与“消费”，应是低成本解决此类问题的有效途径之一。现以山钢新建37层办公楼为背景，探讨大气污染条件下高层建筑空气质量的控制问题。

2 基本控制原理

2.1 空气质量控制

按时接收国家环保部公布的大气质量指数，并实时监测高层建筑空气质量指标。当接收到的本区域大气质量指数处于良好值域时，自动开启楼宇送、排风设施供应新风，直到规定时长。在大气持续污染（即大气质量指数AQI≥100）情况下，严格控制新风系统，按大气质量描述模型调节楼内空气质量。当大气污染严重时（即大气质量指数AQI≥200），关闭楼宇送、排风设施，保持其封闭状态，减少大气污染。

设预测的大气质量指数理想时段（点）为T和最佳值为A，实测的大气质量指数为a，其时段（点）为t，则：当a∈良好，开启楼宇送、排风设施；当a∈大气污染严重时，关闭楼宇送、排风设施。或按模型预测当t＝T时，或当a≥A时，开启楼宇送、排风设施。

2.2 空气湿度控制

基于上述合适的时段，分别获取高层建筑楼内、外空气湿度并予以判别。当楼内空气湿度不理想，且楼外空气湿度较好并有利用价值（即两者的差值足够大）时，开启楼宇送、排风设施，直到两者接近。

设楼外实时大气湿度值为B，楼内实时监测的空气湿度值为b，设舒适湿度的标准值为b0，则：当B≥b0＞b时，表明楼内干燥，开启楼宇送、排风设施加湿，直到b接近b0；当b＞b0≥B时，表明楼内潮湿，开启楼宇送、排风设施排湿，直到b接近b0；当b0≥B＞b时，表明楼内外均比标准干燥，且楼内比楼外更干燥，开启楼宇送、排风设施加湿，直到b接近B；当b＞B≥b0时，表明楼内外均比标准潮湿，且楼内比楼外更潮湿，开启楼宇送、排风设施排湿，直到b接近B。

2.3 空气温度控制

在合适的时段（同上），分别获取高层建筑楼内、外空气温度并予以判别，当楼内空气温度不理想，且楼外大气温度具有利用价值时，开启楼宇送、排风设施，直到两者接近。

设楼外实时大气温度值为C，楼内实时空气温度值为c，舒适温度的标准值为c0，则：当C≥c0＞c时，表明楼内温度较低，开启楼宇送、排风设施升温，直到c接近c0；当c＞c0≥C时，表明楼内温度较高，而楼外温度较低，开启楼宇送、排风设施降温，直到c接近c0；当c0≥C＞c时，表明楼内外均比标准温度低，且楼内比楼外更低，开启楼宇送、排风设施升温，直到c接近C；当c＞C≥c0时，表明楼内外均比标准温度高，且楼内比楼外更高，开启楼宇送、排风设施降温，直到c接近C。

3 控制系统构成

控制系统分为控制对象、检测部分、控制部分、中央处理单元和网络传输部分。控制系统结构见图1。控制对象是新风换气机，办公楼内每层都有配备，主要是通过新风和回风的热交换后，将新风送入各个房间，补充室内的新风量，以保证室内空气品质；控制部分主要由送排风机运行启停部件构成；中央处理单元为上位机与云计算平台，负责处理检测数据、分析环境参数、判别运行状态、下达DDC操作指令，执行相应的控制策略；网络传输部分用于联接系统各部，可满足远距离传输的需要，能够灵活接入新设备，接收环境参数、传输指令数据。检测部分主要包括室内空气质量检测、室内外温湿度检测、楼顶风力检测、送排风机运行状态检测等，通过运用多种有无线传感器由物联网采集相关数据，并送入信息中心云计算平台处理，作为办公楼空气质量调控的依据。需要说明的是：1）楼内空气质量检测仪分布设置在主要办公区和排风口，以楼层为单位，取最差指标作为楼内空气质量调节依据。2）温湿度检测涉及到楼内和楼外。楼外检测点设置在避难层；楼内检测点分布设置在主要办公区域，以楼层为单位，取温湿度平均值作为楼内空气调节依据。3）风力检测装置，安装在高层建筑顶部。

图1 控制系统结构

4 控制过程实现

4.1 环境数据接收

按新颁布的《环境空气质量标准》（GB 3095—2012），国家环保部整点时间发布各地区大气质量指数AQI，其中包括PM2.5、PM10、CO、SO2、O3、NO2等大气环境参数。可利用该系统提供的对外标准接口API，按时接收与本地区相关的大气质量数据并集中存储。

1）获取一个城市所有监测点的AQI数据。地址为http://www.pm25.in/api/querys/aqi_details.json；方法：GET；参数：city（必选），avg（可选），stations（可选）；返回：一个数组，包括aqi，area，co，co_24h，no2，no2_ 24h，o3，o3_24h o3_8h，o3_8h_24h，pm10，pm10_24h，pm2_5，pm2_5_24h，position_name，primary_pollutant，quality，so2 so2_24h，station_code，time_point等。

2）获取一个监测点的AQI数据。地址为http:// www.pm25.in/api/querys/aqis_by_station.json；方法为GET；参数：station_code（必选）；返回：一个数组，包括：aqi，area，co，co_24h，no2，no2_24h o3，o3_24h，o3_8h，o3_8h_24h，pm10，pm10_24h，pm2_5，pm2_5_ 24h，position_name，primary_pollutant，quality，so2，so2_24h，station_code，time_point等。

3）参数说明。aqi：空气质量指数（AQI），即air quality index，是定量描述空气质量状况的无纲量指数；area：城市名称；position_name：监测点名称；station_code：监测点编码；so2：二氧化硫1 h平均；so2_ 24h：二氧化硫24 h滑动平均；no2：二氧化氮1 h平均；no2_24h：二氧化氮24 h滑动平均；pm10：颗粒物（粒径小于等于10 μm）1 h平均；pm10_24h：颗粒物（粒径小于等于10 μm）24 h滑动平均；co：一氧化碳1 h平均；co_24h：一氧化碳24 h滑动平均；o3：臭氧1 h平均；o3_24h：臭氧24 h滑动平均；o3_8h：臭氧8 h滑动平均；o3_8h_24h：臭氧8 h滑动平均的24 h均值；pm2_5：颗粒物（粒径小于等于2.5 μm）1 h平均；pm2_5_24h：颗粒物（粒径小于等于2.5 μm）24 h滑动平均；primary_pollutant：首要污染物；quality：空气质量指数类别，有优、良、轻度污染、中度污染、重度污染、严重污染等6类；time_point：数据发布时间。

4.2 数学模型建立

大气质量指数状况，与当地区污染排放及特定的地理形势和大气变化特点密切关联。以济南为例，通过分析其大气污染情况发现，本地区大气质量指数变化基本符合污染物排放供给与天气扰动扩散的平衡关系，即简易模型为y=（P-kQ）x+y0。其中：y为某影响大气质量单项参数；y0为其初始值，通过计算可转换为大气质量指数；P本地区某污染物排放平均含量，μg/m3（已知值）；Q本地区天气扰动，主要是风速，实测值，m/s；k为量纲转换系数；x为时间点变量，是距零点的小时数。

简易模型可用于推算一定大气扰动条件下大气质量达到一定指标所用的时间，进而捕获大气质量指数理想时段（点）t和最佳值A。

4.3 模糊控制与波段运行模式

模糊控制模式是基于对以往本地区大气质量数据分类统计，得出各类空气质量所占比率及好于该类空气质量天气发生的概率，在综合评估基础上，选取其中合适的值L，作为认可的最低控制目标。实时读取本地区大气质量指数，当所处的大气质量分类符合L时，开启楼宇送、排风设施，进行通风换气。

波段运行模式是基于综合分析指定地区大气质量指数曲线变化规律，以实时数据曲线的拐点作为调节室内空气质量的重要依据，仅在波段最佳空气质量时点，开启新风换气机进行通风换气。

5 结语

山钢新建37层办公楼控制系统借助天然大气条件，通过模型及模糊控制技术，实现了高层建筑空气品质的优化控制，调节温湿度和空气质量，有效排除室内混浊空气，减少有害气体浓度，进而能保证楼内空气质量，改善工作环境，提高舒适度。

经实际数据测试，合理利用新风控制楼内空气质量，调节室内温湿度，可将空气质量指数波动范围控制在良好（75～99）以上，比过去（62.75～95.31）明显改观；室内空气湿度波动保持在40%～70%，优于楼内原有状况（44.47%～84.80%）和自然天气（24.79%～99.90%）。

如果按过去“定时启动通风换气，不问大气质量”的惯例操作，每天风机要运行15 h以上，1座37层大楼，每层风机按2×1.5 kW配备，1 a的电能消耗达60余万kW·h。采用新的通风换气方式后，在保证办公楼空气质量和一定的温湿度前提下，每天风机运行5 h左右，其能耗减少2/3。由于楼内温湿度的同时改善，空调设备的运行时间也有所减少。

Air Quality Control of High-floor Building under Complex Environment

WANG Tieyi
（Shandong Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Jinan 250101,China）

Environment-related information is collected by using internet of things,and is sent to cloud computing platform of information centre.Model and fuzzy control technique would improve air quality inside of high floor office building,adjust air moisture and temperature and reduce poisonous air.By using new ventilation system,the electricity bill would be reduce by two-thirds every year.

high-floor building;air quality;cloud computing platform;model control;fuzzy control

TU831

：B

：1004-4620（2014）01-0051-03

2013-09-04

王铁毅，男，1961年生，1984年毕业于鞍山钢铁学院计算机科学专业。现为山东钢铁集团信息化中心副总经理，高级工程师，从事企业信息化应用研究工作。