為解決傳統通風空調系統溫度控制與污染物濃度控制需求風量不匹配的問題，提出了一種溫度控制與污染物濃度控制相獨立的通風空調系統結構和控制方法。通過室內負荷計算及PM2.5濃度計算，對比分析了北京、上海、深圳地區在保證室內溫濕度需求時典型辦公室內的PM2.5濃度水平。結果表明，該通風空調系統可以同時滿足室內溫度和PM2.5濃度的控制要求，尤其在室外氣候溫和且大氣污染較重時期對室內環境的保障效果更為明顯。以北京地區2018年為例計算，在室內溫度相同情況下，采用該通風空調系統室內PM2.5濃度全面達標，而采用傳統通風空調系統則有10.3%的時間超標。
關鍵詞
溫度；污染物濃度；獨立控制；通風空調系統；變風量；PM2.5濃度
作者
上海建科集團股份有限公司
黃衍 李旻雯 李景廣
引言
室內空氣質量直接影響人員身心健康。近年來，隨著室內細顆粒物PM2.5、甲醛等污染物凈化需求的不斷增長，在通風空調系統中增加空氣凈化功能模塊成為凈化技術主要發展方向之一。現階段對具有空氣凈化功能的空調系統的研究主要針對凈化效果和工程設計應用。具有空氣凈化功能的空調系統形式主要有2種，一種是在風機盤管上加裝凈化模塊（見圖1）,另一種是在空調箱系統上加裝凈化模塊（見圖2）。其中，在空調箱系統上安裝凈化模塊，包括在管道內和在空調箱內部安裝，兩者的結構實際上是等同的。凈化模塊可以安裝在盤管前，也可以安裝在盤管后。
然而采用以上結構形式進行溫度調節控制與空氣凈化控制存在工作狀態不匹配導致風量需求不同的問題，在部分工況下現有控制邏輯無法同時滿足室內溫度控制和污染物濃度控制需求。具體來說，從溫度控制需求分析，當室內外溫差較大時采用大風量，即增加溫度負荷處理量；當室內外溫差較小時采用小風量，即減小溫度負荷處理量；而從污染物凈化控制需求分析，當污染物濃度較高時，采用大風量通過凈化裝置，即加大凈化處理量；當污染物濃度較低時，采用小風量通過凈化裝置，即減小凈化處理量。以變風量空調系統（VAV系統）為例，當采用上述控制模式同時進行室內溫度調節及污染物凈化處理時，就會產生以下問題：如室外空氣污染較嚴重的溫和天氣，溫度處理需求風量較小，而污染物凈化需求風量較大，但根據現有的按溫度處理需求的控制模式，空調箱以小風量運行，就會造成污染物凈化風量偏小，凈化效果不理想，不能有效保障室內空氣質量。
為解決空調系統對溫度處理需求和污染物凈化需求的風量協調控制，基于同時實現溫度與污染物濃度控制的需求，本研究提出一種溫度控制與污染物濃度控制相獨立的通風空調系統結構和控制方法。
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系統結構及控制方法設計
以VAV系統空調箱為例，主要包括凈化處理單元（過濾器、風機等）、溫濕度處理單元（表冷器、加熱器、加濕器等）和管路系統（風閥、管道、附件等）。為了解決溫度與污染物濃度控制風量需求不一致的問題，本文提出在凈化處理單元和溫度處理單元中間的主管管路上引出旁通管路（結構如圖3所示）,旁通管路中安裝風量調節閥調節旁通風量及通過溫濕度處理單元的風量。當僅靠閥門的調節范圍或壓頭不能滿足需求時也可在旁通管路中安裝變頻風機。
控制邏輯如圖4所示。首先根據室內溫度t監測值控制空調變頻風機轉速，使t滿足要求。再判斷室內PM2.5濃度是否滿足要求，若滿足則關閉旁通閥門，即氣流經過凈化處理及溫濕度處理單元后送入室內；若不滿足則根據PM2.5監測值提高空調變頻風機轉速從而提供能夠滿足PM2.5凈化處理需求的風量。隨后根據t的監測值與設定值的偏差（Δt）調節旁通閥門開度（Δd）,從而調節溫濕度處理風量及旁通風量。即經過凈化處理單元的氣流一部分繼續經過溫濕度處理單元處理熱濕負荷，另一部分通過旁通管路，兩部分氣流混合后再送入室內。Δt與Δd的對應關系應根據實際工程情況調適后確定。
采用以上控制方法可實現在滿足室內溫濕度負荷處理所需風量小于污染物凈化處理所需風量時，氣流A與C混合一部分到氣流B,另一部分經旁通到氣流D,B、D再經混合箱混合后送入室內。在滿足室內溫濕度負荷處理所需風量大于等于污染物凈化處理所需風量時，氣流A與C混合后經送風管道到氣流B并送入室內。
通過旁通管路系統的設計，解決了同時滿足溫濕度及凈化處理風量的問題。此外該系統在溫濕度控制風量需求明顯小于凈化風量需求時，由于凈化處理的風量不需要全部經過溫濕度處理段，可以降低溫濕度處理的能耗。
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室內溫濕度及濃度計算分析
對比了北京、上海、深圳地區典型辦公室使用傳統VAV系統與本研究提出的新型VAV系統在保證室內溫濕度需求時的室內PM2.5濃度水平。
2.1 計算模型及邊界條件設置
采用空調負荷計算分析軟件計算室內全年動態負荷。負荷計算邊界條件見表1。
當過渡季室內負荷大于零且室內空氣比焓高于室外空氣比焓時采用全新風運行，其他時間段采用最小新風量運行。
室內PM2.5濃度利用質量守恒方程計算：
式中 G為室內污染物源強，μg/h; V為房間容積，m3;αl為滲透風換氣次數，h-1;Pl為穿透系數；Co為室外計算日污染物質量濃度，μg/m3;αo為新風換氣次數，h-1;P為凈化設備當量穿透系數；αr為回風換氣次數，h-1;C為室內設計日污染物質量濃度，μg/m3;τ為時間，h。
假設室內污染物混合均勻，且不考慮顆粒物沉降等因素影響。辦公建筑室內工況近似穩態，因此dC/dτ=0。采用總送風凈化模式，求解式（1）得
2.2 計算結果分析
傳統VAV空調系統滿足室內逐時負荷的逐時送風量如圖5所示。由圖5可以看出，北京、上海、深圳地區為滿足室內溫濕度要求所需的送風量分別為144～1 601、144～1 481、144～1 396 m3/h。
統計環境監測數據獲得2018年室外逐時PM2.5質量濃度，如圖6所示。由圖6可以看出：北京、上海、深圳地區室外PM2.5質量濃度分別為1～713、1～217、2～149 μg/m3;北京室外PM2.5輕度污染以上（PM2.5質量濃度>115 μg/m3）的時間全年各月均有，上海室外輕度污染以上的時間主要分布在1、2、6、11、12月，深圳室外輕度污染以上的時間主要分布在12月。
采用傳統VAV空調系統時室內逐時PM2.5質量濃度如圖7所示。由圖7可以看出，北京、上海、深圳室內PM2.5質量濃度分別為1～247、1～92、1～46 μg/m3。
參照JGJ/T 461—2019《公共建筑室內空氣質量控制設計標準》中的二級設計目標，室內PM2.5質量濃度限值設為35 μg/m3。表3顯示了采用傳統VAV空調系統時室內PM2.5質量濃度超標比例。根據統計，2018年全年上班時間為2 860 h, 統計中部分環境監測數據存在缺失，北京、上海、深圳缺失的環境監測數據的時間分別為159、110、61 h。因此本文僅統計計算了有環境監測數據的工作時間。通過計算，在北京、上海、深圳室內PM2.5 超標比例分為10.3%、4.5%、1.1%。超標時間主要集中在室外氣候溫和的時間段。該時間段由于熱濕負荷較小，因此送風量較小，由于傳統空調系統的凈化風量與溫濕度處理風量相同，因此在室外環境污染情況下存在凈化處理量不夠的風險。在室外污染情況較重地區（如北京）尤為明顯。而在室外污染較輕地區（如深圳）,由于室外污染出現頻率較低，溫度需求和濃度需求不統一發生概率較小，因此室內超標比例較小。
采用本文提出的VAV系統，在理想工作情況下，通過溫度傳感器及PM2.5傳感器控制變頻風機轉速及旁通閥門開度。當PM2.5濃度監測值大于設定限值時提高變頻風機轉速，通過提高凈化風量達到降低室內濃度的效果，隨后再根據溫度傳感器調節旁通閥門開度，保證溫度在要求范圍內。室內逐時PM2.5質量濃度如圖8所示。由圖8可以看出，北京、上海、深圳室內PM2.5質量濃度均為1～35 μg/m3。在實際運行中尚需結合實際工程設置控制模式和控制邏輯，進行更多實驗驗證運行效果。
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結論
1）本研究提出了一種溫度控制與污染物濃度控制相獨立的通風空調系統結構和控制方法，用于解決傳統通風空調系統溫度控制與污染物濃度控制需求不匹配的問題。
2）本研究通過室內負荷計算及PM2.5濃度計算，對比分析了北京、上海、深圳地區在保證室內溫濕度需求時典型辦公室內的PM2.5濃度水平。結果表明，新型通風空調系統在室外氣候溫和且污染情況較重時期對室內環境的保障效果更為明顯。以北京地區為例，采用新型通風空調系統室內PM2.5濃度將全面達標，而采用傳統通風空調系統則有10.3%的時間超標。
本文引用格式：黃衍，李旻雯，李景廣．溫度控制與污染物濃度控制相獨立的通風空調系統［Ｊ］．暖通空調，2022,52（2）：113-117．
