需求控制通風(fēng)技術(shù)在地下商場的節(jié)能研究

劉 京，鄧小池

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，哈爾濱150090，liujinghit0@163.com; 2華為技術(shù)有限公司中央研發(fā)部，廣東深圳518129)

需求控制通風(fēng)(DCV)系統(tǒng)是根據(jù)建筑物內(nèi)污染物的體積分?jǐn)?shù)(一般為CO2)來確定新風(fēng)量的大小，使通風(fēng)系統(tǒng)在保證室內(nèi)空氣品質(zhì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的的一種通風(fēng)系統(tǒng).該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地保證新風(fēng)量滿足人員密度變化，因此，非常適合于新風(fēng)能耗所占比重較大同時(shí)人員密度波動(dòng)較大的建筑［1］.國內(nèi)外在DCV系統(tǒng)的性能分析［2-3］、控制模式［4］、實(shí)際應(yīng)用［5］以及計(jì)算方法［6］等方面已經(jīng)開展了一些有成效的工作.

近年來隨著我國城市化的高速發(fā)展，地下商業(yè)建筑獲得了越來越普遍的利用.相比地上建筑，地下商場圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷和滲風(fēng)負(fù)荷均較小，高峰期人員密集，設(shè)計(jì)新風(fēng)量和人員負(fù)荷所占比重均很大.同時(shí)，地下商場一天內(nèi)人流變化明顯，具有典型的早中晚三峰人流曲線，CO2體積分?jǐn)?shù)基本上能反映人流密度［7］.根據(jù)以上分析，地下商場應(yīng)可以采用DCV系統(tǒng)，但到目前為止相關(guān)的可行性研究尚未開展.本文擬提出地下商場的DCV模式，并利用數(shù)值仿真手段對(duì)該模式的節(jié)能潛力進(jìn)行分析評(píng)價(jià).

1 適用于地下商場的DCV模式

1.1 地下商場基本新風(fēng)量的確定方法

需要指出，室內(nèi)污染物眾多，特別是存在大量與人體活動(dòng)無關(guān)的污染物，僅以CO2體積分?jǐn)?shù)來反映室內(nèi)空氣品質(zhì)具有局限性.和顆粒物、甲醛、VOC等其他地上建筑亦常見的污染物相比，氡在地下建筑污染物中具有更大的代表性.其水平比地上建筑高出一個(gè)數(shù)量級(jí)以上［8］.故本研究選取氡作為基本新風(fēng)量的控制參數(shù)，以保證足夠的新風(fēng)量來稀釋那些非人員造成的污染物.室內(nèi)氡濃度與通風(fēng)量的關(guān)系如下式:

式中:zb為基本新風(fēng)量，m3/h;Mc為地下房間的析氡率，Bq/(m3·h).該值可分為墻體、地板等建材析氡率和底層土壤析氡率兩部分，具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)［9］;V為房間體積，m3;C∞為室內(nèi)氡濃度的上限值，本文取200 Bq/m3;C0為室外氡濃度，本文取5 Bq/m3.

1.2 夏季空調(diào)DCV系統(tǒng)模式

1.2.1 新風(fēng)量與CO2控制系統(tǒng)

在本DCV系統(tǒng)中，首先建立地下商場CO2體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng).如圖1所示，此控制系統(tǒng)是CO2體積分?jǐn)?shù)相對(duì)于參考輸入值(商場內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)設(shè)定值，本研究取1.25×10-3)的偏差進(jìn)行控制的閉環(huán)控制系統(tǒng).圖中干擾信號(hào)為室內(nèi)人員數(shù)所引起的室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)變化量［10］.

圖1 DCV系統(tǒng)關(guān)于CO2體積分?jǐn)?shù)控制原理圖

地下商場內(nèi)新風(fēng)量和CO2體積分?jǐn)?shù)之間關(guān)系可利用如下質(zhì)量平衡方程:

式中:mCO2(t)、mCO2(t0)為t時(shí)刻和初始時(shí)刻t0地下商場內(nèi)空氣中CO2質(zhì)量，kg;X(τ)、Y(τ)和Z(τ)分別為t時(shí)刻地下商場內(nèi)人員數(shù)、CO2體積分?jǐn)?shù)和新風(fēng)量，m3/h;M0為人體CO2呼出量，取0.045 kg/h;ρCO2為CO2密度，kg/m3;Y0為室外空氣CO2體積分?jǐn)?shù)，本文中取體積分?jǐn)?shù)4.0×10-4.

根據(jù)前述內(nèi)容，利用Simulink建立圖2所示的CO2與新風(fēng)量控制系統(tǒng)框圖模型.控制系統(tǒng)采用PID控制策略，保持了PI控制穩(wěn)定性和精度高的特點(diǎn)，更有利于改善控制超調(diào).發(fā)信器為CO2傳感器，安置在回風(fēng)風(fēng)道內(nèi).另外，由于送風(fēng)帶入CO2以及室內(nèi)人體釋放CO2量對(duì)室內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)的影響均有滯后過程，本研究中考慮純滯后時(shí)間τz.對(duì)于面送風(fēng)和散流器送風(fēng)，該值可按9/N(min)估算，其中 N為空調(diào)房間的換氣次數(shù)［11］.

圖2 地下商場內(nèi)CO2與新風(fēng)量控制系統(tǒng)框圖模型

1.2.2 總風(fēng)量與溫度控制系統(tǒng)

除了CO2體積分?jǐn)?shù)控制之外，提出的DCV模式還考慮了總風(fēng)量對(duì)室溫進(jìn)行控制.其控制原理與圖1類似，發(fā)信器為溫度傳感器.通過調(diào)節(jié)總風(fēng)量大小對(duì)室溫進(jìn)行控制，室溫控制指標(biāo)為25.5℃.對(duì)于地下商場，可以忽略壁面?zhèn)鳠崃浚鹗覂?nèi)溫度變化的主要是室內(nèi)人員顯熱熱量、燈光散熱量、設(shè)備散熱量和送排風(fēng)引起的溫升.可以建立如下能量平衡方程:

式中:TN(t)為t時(shí)刻商場溫度，℃;qs為人體散熱量，W/人;q1(τ)為照明散熱冷負(fù)荷系數(shù)，可以在Simulink下的Sources庫中以波形形式給出;qe為商場內(nèi)熱設(shè)備散熱量，W;m(τ)為送風(fēng)質(zhì)量流量，kg/h;Ts(τ)為送風(fēng)溫度，本文中取18℃;M為商場內(nèi)空氣質(zhì)量，kg.

根據(jù)上述方程，利用Simulink建立圖3所示地下商場總風(fēng)量與溫度控制系統(tǒng)框圖模型.

圖3 地下商場內(nèi)總風(fēng)量與溫度控制系統(tǒng)框圖模型

1.2.3 DCV系統(tǒng)控制總模型

綜上，本文提出的DCV模式中，溫度控制和CO2體積分?jǐn)?shù)控制并列運(yùn)行但又彼此互為條件:新風(fēng)量大于總風(fēng)量的10%，總風(fēng)量大于新風(fēng)量.圖4為利用Simulink建立的DCV系統(tǒng)控制總框圖模型，整個(gè)仿真系統(tǒng)的模擬流程是:利用室內(nèi)總風(fēng)量溫度控制系統(tǒng)、新風(fēng)量和CO2體積分?jǐn)?shù)控制系統(tǒng)模擬室溫和CO2體積分?jǐn)?shù)的控制過程，然后利用計(jì)算所得的室內(nèi)溫濕度、總風(fēng)量和新風(fēng)量進(jìn)一步計(jì)算出空調(diào)機(jī)組進(jìn)行空氣處理的耗能和風(fēng)機(jī)能耗，然后輸出結(jié)果.仿真過程中選用的時(shí)間變量單位為小時(shí)，計(jì)算步長為自動(dòng)變步長，但不大于0.001 h.

圖4 DCV系統(tǒng)控制總系統(tǒng)框圖模型

2 地下商場DCV控制效果和能耗分析

2.1 計(jì)算條件

選取實(shí)際上海地下商場對(duì)上述建立的DCV模式的節(jié)能潛力進(jìn)行評(píng)價(jià).該工程屬于上海市某地下人防工程中一個(gè)防火分區(qū)，作商場用，其建筑面積1 166 m2，埋于地下3～8 m.上海市全年氣象條件如圖5所示.每日營業(yè)時(shí)間為08:00～22:00.工作日和雙休日的客流量如圖6所示. DCV系統(tǒng)基本新風(fēng)量根據(jù)前文方法計(jì)算后取5 000 m3/h.當(dāng)按CO2體積分?jǐn)?shù)計(jì)算的新風(fēng)量低于基本新風(fēng)量時(shí)，則按基本新風(fēng)量值提供新風(fēng)量.經(jīng)整定，CO2體積分?jǐn)?shù)PID控制器的控制參數(shù)Kp、Ki和Kd分別取為220，540和2;溫度控制器的控制參數(shù)Kp、Ki和Kd分別取30 000，120 000和180.

圖5 上海市全年氣象參數(shù)

圖6 工作日和雙休日客流量

考慮到地下商場本身的恒溫恒濕和氣密性，同時(shí)商場內(nèi)人員負(fù)荷較大，故上海地區(qū)地下商場全年為冷負(fù)荷.根據(jù)前文所述，本研究提出的DCV模式中新風(fēng)量和總送風(fēng)量分別依靠空調(diào)機(jī)組的排風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)節(jié)來實(shí)現(xiàn).送風(fēng)機(jī)額定風(fēng)量50 000 m3/h，全壓1 200 Pa，軸功率22 kW;雙速排風(fēng)機(jī)額定流量25 000/50 000 m3/h，功率10/22 kW，全壓800/1 100 Pa.風(fēng)機(jī)進(jìn)行變頻控制.冬夏季空氣溫濕度、CO2體積分?jǐn)?shù)均按照相關(guān)規(guī)范要求設(shè)定.空調(diào)季節(jié)采用最小新風(fēng)，排風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行;過渡季節(jié)排風(fēng)機(jī)盡可能高速運(yùn)行，以便最大限度利用室外冷源，即air-side economizer技術(shù).但對(duì)于上海地區(qū)地下商場來說，排風(fēng)量還需考慮允許的室外最低溫度與最高濕度，以防出現(xiàn)地下建筑墻面結(jié)露問題.

2.2 典型工作日仿真結(jié)果分析

由圖6可見工作日的營業(yè)高峰出現(xiàn)在下班后6:00～8:00，而圖7顯示商場內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)在高峰期也保持在體積分?jǐn)?shù)(12.5±0.5)×10-4，溫度在(25.5±0.5)℃波動(dòng)，能很好地滿足室內(nèi)熱舒適度和空氣品質(zhì)要求.夏季空調(diào)工作日的風(fēng)量變化見圖8.無論是新風(fēng)量還是總風(fēng)量，其變化規(guī)律都追隨人員變化，且大多數(shù)情況下要低于設(shè)計(jì)值.需要指出的是，如前文所述，本研究目前的計(jì)算模型雖然考慮了新風(fēng)量和CO2體積分?jǐn)?shù)變化之間的滯后性問題，但與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果相比尚有差異，需要在今后的工作中進(jìn)一步研究.

圖7 商場內(nèi)CO2體積分?jǐn)?shù)和溫度日變化

圖8 商場內(nèi)風(fēng)量日變化

2.3 全年能耗分析

將全年的能耗匯總得出如表1所示的結(jié)果.作為比較還模擬了傳統(tǒng)CAV和VAV系統(tǒng).CAV系統(tǒng)的新風(fēng)量和總風(fēng)量固定為設(shè)計(jì)值，VAV系統(tǒng)則只考慮利用總風(fēng)量控制室溫.由表1可以看出，相比傳統(tǒng)的CAV系統(tǒng)和VAV系統(tǒng)，DCV系統(tǒng)無論是風(fēng)機(jī)能耗(即降低新風(fēng)量和總風(fēng)量)還是空調(diào)能耗(即降低夏季新風(fēng)處理能耗)，節(jié)能效果均十分明顯，總節(jié)能率分別達(dá)到22.8%和19.10%.

表1 不同空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)地下商場全年能耗比較 109kJ

3 結(jié)語

建立的DCV模式可以很好地控制商場溫度、CO2體積分?jǐn)?shù)在合適的范圍之內(nèi)，同時(shí)節(jié)能效果顯著，比CAV系統(tǒng)全年節(jié)能22.8%，比VAV系統(tǒng)全年節(jié)能19.1%.

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