基于CO2浓度和建筑换气率的新风系统控制方法及装置与流程

基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制方法及装置
技术领域
1.本发明涉及建筑新风系统能耗技术领域和空气调节控制技术领域，尤其涉及一种基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制方法及装置。


背景技术：

2.目前新风系统的室内品质优化和节能对于现代社会的可持续发展具有重大意义。大型建筑中的暖通空调的能耗占比超过了60％，其中新风系统部分约占空调总能耗的1/3，所以如何减少人工设定的新风系统中热交换机设备存在超调功率和欠功率而造成能耗浪费和室内空气恶劣等问题至关重要。
3.新风系统(即热回收器)是实现房间空气和室外空气之间的流通、换气，还有净化空气的作用；主要通过向外排气形成室内外空气压力差，完成室内外的空气交换。在多联机空调(vrf)系统中，常用的是一种全热交换器的热回收系统，全热交换器可以有效回收空气中的热量，不会造成冬夏两季进风温度与室温差别大，为用户提供全方位的高效、节能的换气环境。全热交换新风机技术参数包括下列指标：(1)风量：单位时间内空气的流通量，包括送风量、新风量，送风量用于表明全热交换新风机通风的能力，新风量为室内新鲜空气的总量；它决定换气量的大小或换气次数(常用单位：m3/s)，其表达式为：风量式中v为风速(单位：m/s)，s为管道的截面积热交换机(单位：m2)。(2)风压：又称机组余压。风压的大小决定着送风的距离或克服阻力的能力，常用单位： pa。(3)换热效率：全热交换新风机的热交换器热能回收的比例或率(单位：％)，包含显热交换效率和全热交换效率，质量好的热交接机的显热交换器效率超过 60％，显热交换效率的表达式为：式中，t1为室外引入新风的初温度(单位：℃)，t2为室外引入新风的终温度(单位：℃)，t3为室内排风的初温度(单位：℃)，ms为送风质量流量(单位：kg/s)，mmin为送风和排风中质量流量较小的一个(单位：kg/s)。
4.新风设备的显热交换效率主要有如下影响因素：
5.(1)设备材料的热物性参数；(2)交换器隔板两侧的进风参数，包含风量、温度、湿度等。对于一台热交换机来说，其显热交换效率是随时波动的。
6.此外，国家室内co2浓度检测标准规定一级标准值为600ppm，该环境为高档舒适优良，能保护易感人群和普通人群的身体健康；二级标准为1000ppm,该环境良好，能保护易感人群健康，包括老人和小孩；三级标准为1600ppm，指可接受的室内环境，能保护普通人群健康。我国卫生部也根据不同场所制定了相应的co2浓度标准值，《公共交通候诊室卫生标准》规定co2标准值≤1500ppm，室内co2浓度过高，会引发人体困倦、恶心甚至昏迷休克等严重的生理反应。经过文献调研和仿真发现，大多数建筑的新风系统固定工况运行，缺少针对热交换机等新风设备的室内空气品质的控制；同时，室外空气引入室内时，热交换机引入的新风co2浓度还受到室外co2浓度影响，室内co2浓度不会低于室外co2浓度；一般地，室外co2
浓度范围为：350
‑
450ppm，国际历史检测数据中最高为415.26ppm；因此本研究还侧重引入了室内co2浓度作为控制标准，这对保证室内空气品质至关重要。
7.新风系统能耗量和工作效率除与新风量、室内外co2浓度和室内外温度有关，还与建筑换气率有关；其中建筑换气率与建筑气密性密切，直接影响到室内co2浓度和新风系统的能耗，建筑气密性用于表征建筑或房间在正常密闭情况下的无组织空气渗透量。建筑通风渗透主要是由于室外温差和压强造成的，建筑整体气密性不等同于建筑外门窗气密性，从冷空气渗透的角度看，室外冷空气除了从外门窗缝隙进入室内外，还可能通过建筑其他部位进入，如室内给排水管道与建筑之间的缝隙、窗框与建筑之间的缝隙、建筑墙与墙之间的缝隙、室内各种预留孔洞等等。
8.因此以热交换机控制为目的，结合室内多种因素的影响，是保证被控室内空气品质的条件下，提高节能效果的有效途径，更利于不同地区不同系统的热交换机的控制。


技术实现要素：

9.针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制方法及装置，通过评估建筑新风系统的室内空气品质和能耗的影响因素，对有效降低实际的新风系统能耗及改善室内环境具有重要意义，提高了建筑新风系统控制的普遍性和适用性。
10.为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
11.本方案提供一种基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制方法，包括以下步骤：
12.s1、预设目标室内co2浓度优化区间的下、上限值为k1和k2；
13.s2、预设热交换机等效换气率
14.s3、获取实时室内co2浓度x、建筑总能耗数据和无新风系统时整体建筑本身的自然换气率n0；
15.s4、在新风系统运行中，保证室内co2浓度x在【k1,k2】时，根据所述自然换气率n0，预设建筑整体换气率y；
16.s5、根据所述建筑整体换气率y，确定实时新风系统的等效换气率，并根据所述新风系统的等效换气率与热交换机等效换气率控制热交换机，完成基于 co2浓度和建筑换气率的新风系统控制。
17.本发明的有益效果是：本发明除了考虑到室内co2浓度，在控制新风系统时考虑到室内外温度差和建筑气密性得出了该系统的多种优化控制方法，增加了控制方法的普遍性和适用性。本发明通过制订优化的运行调节模式，减少了人工设定的新风系统中热交换机设备存在超调功率和欠功率而造成能耗浪费和室内空气恶劣等问题，对大型建筑中有效降低新风系统能耗及改善室内环境具有重要意义。
18.进一步地，所述步骤s1具体为：
19.预设控制目标室内co2浓度优化区间的下限值为k1，且所述下限值k1不低于当前室外co2浓度；预设控制目标室内co2浓度优化区间的上限值为k2。
20.上述进一步方案的有益效果是：满足室内空气质量标准和室内舒适度。
21.再进一步地，所述步骤s2中热交换机等效换气率的表达式如下；
[0022][0023][0024]
其中，x表示室内co2浓度，f1(
·
)为热交换机等效换气率受到三个因素影响的复合式，n0表示无新风系统时且关闭门窗时整体建筑本身的自然换气率，表示第n台热交换机的显热交换效率，n表示开启热交换机的台数，且0＜n≤n，n表示开启最大热交换机台数，i表示第n台热交换机当前的显热交换率等级，且0＜i＜m，m表示最大显热交换效率等级。
[0025]
上述进一步方案的有益效果是：针对不同地区和不同的建筑环境，新风系统的工作性能有所不同，同时受到室内外温度变化的影响，热交换机的显热交换效率也是动态参数，需要精确的测量和监控；该方法结合热交换机等效换气率使得新风系统的控制具有普遍性，适应于改善不同环境的室内空气质量。
[0026]
再进一步地，所述步骤s4中建筑整体换气率y的表达式如下：
[0027]
y＝f2(x,n0)
[0028]
其中，x表示室内co2浓度，n0表示无新风系统时且关闭门窗时整体建筑本身的自然换气率。
[0029]
上述进一步方案的有益效果是：综合考虑到不同建筑的整体建筑气密性是有所不同的，以保证室内空气质量和室内舒适度，加入建筑换气率来进行新风系统的控制，能够提高新风系统的控制精确度，不会造成过多能耗的浪费
[0030]
再进一步地，所述步骤s5包括以下步骤：
[0031]
s501、根据所述建筑整体换气率y，确定新风系统的等效换气率δy；
[0032]
s502、判断所述新风系统的等效换气率δy是否小于等于零，若是，则不开启热交换机，完成基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制，否则，所述实时新风系统的等效换气率δy大于零，并进入步骤s503；
[0033]
s503、将新风系统的等效换气率δy与热交换机等效换气率进行匹配，并根据新风系统的等效换气率δy所在的区间范围确定目标热交换机开启台数，并监测步骤s2获取的建筑总能耗数据，完成基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制。
[0034]
上述进一步方案的有益效果是：当室内co2浓度x在【k1,k2】时，根据热交换机的工作效率提出了新风系统的等效换气率，将新风系统进行量化控制，更加具体地实现热交换机开启台数的选择。
[0035]
再进一步地，所述步骤s501中实时新风系统的等效换气率δy的表达式如下：
[0036]
δy＝y
‑
n0[0037]
其中，n0表示无新风系统时且关闭门窗时整体建筑本身的自然换气率。
[0038]
上述进一步方案的有益效果是：考虑到不同地区的建筑的施工要求不同，其整体建筑本自然换气率是有差别的，在新风系统的量化控制中加入自然换气率这一因素，使得本发明的方法具有普遍性和适用性，不再只适用于本发明所研究的某一环境的新风系统控制。
[0039]
再进一步地，所述步骤s503包括以下步骤：
[0040]
s5031、当n＝1时表示开启一台热交换机，得到该台热交换机的显热交换效率等级
[0041]
s5032、判断开启n台热交换机是否满足若是，进入步骤 s5033，否则，进入步骤s5034；
[0042]
s5033、开启一台热交换机，判断该台热交换机的显热交换效率在区间范围内，若是，完成基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制，否则，进入步骤s5034；
[0043]
s5034、对n进行累加，直至开启n台热交换机时满足并确定该台热交换机的显热交换效率在区间范围内，选择开启n台热交换机，其中，表示一台热交换机的显热交换效率，i表示第n台热交换机当前的显热交换率等级，且0＜i＜m，m表示最大显热交换效率等级，表示第n台热交换机的显热交换效率，n表示开启热交换机的台数，且0＜n≤n，n表示开启最大热交换机台数；
[0044]
s5035、对步骤s2获取的建筑总能耗数据进行统计，比较固定时间内的日总能耗数据，并根据比较结果确认新风系统控制系统是否节能，完成基于co2 浓度和建筑换气率的新风系统控制。
[0045]
上述进一步方案的有益效果是：综合考虑到新风系统的等效换气率和热交换机显热交换效率，将新风系统进行更加具体的量化控制，同时为现场工作人员的新风系统的优化控制提供了具体思路；此外还考虑到了建筑总能耗和新风系统的能耗，用于判断所述的基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制方法的是否优化节能效果，避免热交换机设备存在超调功率和欠功率工况。
[0046]
再进一步地，所述步骤s5031该热交换机的显热交换效率等级的表达式为：
[0047][0048]
其中，m表示最大显热交换效率等级。
[0049]
上述进一步方案的有益效果是：综合考虑到室内温度和室外温度的影响，热交换机的显热交换效率随时间有所波动，还考虑到不同型号的热交换机的显热交换效率有所不同，增加了本发明控制方法的普遍性，提高了控制的精确度。
[0050]
基于上述控制方法，本发明还提供了一种基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制装置，包括室内环境主控模块、室外环境模块、新风控制模块以及算法控制模块；
[0051]
所述室内环境主控模块，用于获取与新风系统有关的环境因素；
[0052]
所述室外环境模块，用于获取室外温度、室外co2浓度等环境因素，直接影响到室内co2浓度和热交换机的显热交换效率；
[0053]
所述新风控制模块，用于根据新风系统的等效换气率δy所在的区间范围确定目标热交换机开启台数，且所述新风控制模块包含室内的热交换机机组；
[0054]
所述算法控制模块，用于根据co2浓度优化区间的上、下限，将无新风系统时整体建筑本身的自然换气率n0、室内co2浓度x作为数据输入控制热交换机，完成基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制。
[0055]
进一步地，所述室内环境主控模块包括室内气密检测单元和室内co2浓度检测单元，所述算法控制模块包括预设室内co2浓度标准单元；
[0056]
所述室内气密检测单元，用于动态检测建筑整体气密性，并得到热交换机等效换气率和建筑整体换气率y；
[0057]
所述室内co2浓度检测单元，用于获取实时室内co2浓度x；
[0058]
所述预设室内co2浓度标准单元，用于确定目标室内co2浓度优化区间的上、下限。
[0059]
本发明的有益效果是：综合多种参数确定新风系统的控制策略，综合建筑换气率和co2浓度对新风控制模块的热交换机进行调节，提高了新风系统对室内环境参数调节的精确度，以免造成热交换机能耗的浪费，同时提高室内环境的舒适度及用户体验。
附图说明
[0060]
图1为本发明的方法流程图。
[0061]
图2为本实施例中12种不同工况的大型建筑的典型夏季一天的空调新风系统总能耗示意图。
[0062]
图3为本发明的系统结构示意图。
具体实施方式
[0063]
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
[0064]
实施例1
[0065]
如图1所示，本发明提供了一种基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制方法，其实现方法如下：
[0066]
s1、预设目标室内co2浓度优化区间的下、上限值为k1和k2；
[0067]
本实施例中，根据室内co2浓度检测标准，预设控制室内co2浓度优化区间的下限值为k1，不低于当前室外co2浓度，以达到节能要求；上限值为k2 以保证室内空气品质，室内co2浓度x为：[k2, ∞]、[k1,k2]和[0,k1]来确定新风系统的控制方法，分别对应的控制为：开启最大热交换机台数n、维持开启目标台数n和关闭热交换机。
[0068]
s2、预设热交换机等效换气率
[0069]
本实施例中，预设开启n台热交换机等效换气率热交换机等效换气率可通过室内外窗气密性检测系统在线监测，以获取不同设备不同状态下的热交换机的工作性能，表示为各热交换机的工作效率等级：
[0070][0071]
其中，x表示室内co2浓度；n0表示通过完全封闭门窗或半开窗时的整体建筑本身的自然(未开启热交换机)气密性，与室外温度密切相关，可通过外窗气密性检测系统测试；表示第n台热交换机的显热交换效率；
[0072]
本实施例中，开启的第n台热交换机的显热交换效率为：
[0073]
[0074]
其中，n表示开启热交换机的台数(n为整数，0＜n≤n)，i表示第n台热交换机当前的显热交换率等级(i为整数，0＜i＜m，m表示最大显热交换效率等级)，显热交换效率主要受进风参数(包括：风量、速度、温度、相对湿度等)影响，其中室外的气象条件，对全热交换器的效率影响是很大的，该热交换机技术参数受到室内外温度的影响，所以一台热交换机等效换气率和显热交换效率随时间变化而有所波动，可分为m个等级。
[0075]
s3、获取实时室内co2浓度x、建筑总能耗数据和无新风系统时整体建筑本身的自然换气率n0；
[0076]
s4、在新风系统运行中，保证室内co2浓度x在【k1,k2】时，根据所述自然换气率n0，预设建筑整体换气率y；
[0077]
本实施例中，所述室内co2浓度x在[k1,k2]时，建筑整体换气率y的表达式如下：
[0078]
y＝f2(x,n0)
[0079]
其中，x表示室内co2浓度，还受到室外co2浓度影响，n0表示新风系统时整体建筑本身的自然换气率，建筑整体换气率y可通过室内外窗气密性检测系统在线监测。
[0080]
s5、根据所述建筑整体换气率y，确定实时新风系统的等效换气率，并根据所述新风系统的等效换气率与热交换机等效换气率控制热交换机，完成基于 co2浓度和建筑换气率的新风系统控制，其实现方法如下：
[0081]
s501、根据所述建筑整体换气率y，确定新风系统的等效换气率δy：
[0082]
δy＝y
‑
n0[0083]
其中，n0表示无新风系统时且关闭门窗时整体建筑本身的自然换气率；
[0084]
s502、判断所述新风系统的等效换气率δy是否小于等于零，若是，则不开启热交换机，完成基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制，否则，所述实时新风系统的等效换气率δy大于零，并进入步骤s503；
[0085]
s503、将新风系统的等效换气率δy与热交换机等效换气率进行匹配，并根据新风系统的等效换气率δy所在的区间范围确定目标热交换机开启台数，并监测步骤s2获取的建筑总能耗数据，完成基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制，其实现方法如下：
[0086]
s5031、当n＝1时表示开启一台热交换机，得到该台热交换机的显热交换效率等级
[0087][0088]
其中，m表示最大显热交换效率等级；
[0089]
s5032、判断开启n台热交换机是否满足若是，进入步骤 s5033，否则，进入步骤s5034；
[0090]
s5033、开启一台热交换机，判断该台热交换机的显热交换效率在区间范围内，若是，完成基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制，否则，进入步骤s5034；
[0091]
s5034、对n进行累加，直至开启n台热交换机时满足并确定该台热交换机的显热交换效率在区间范围内，选择开启n台热交换机，其中，表示一台热交换机的显热交换效率，i表示第n台热交换机当前的显热交换率等级，且0＜i＜m，m表示最
大显热交换效率等级，表示第n台热交换机的显热交换效率，n表示开启热交换机的台数，且0＜n≤n，n表示开启最大热交换机台数；
[0092]
s5035、对步骤s2获取的建筑总能耗数据进行统计，比较固定时间内的日总能耗数据，并根据比较结果确认新风系统控制系统是否节能，完成基于co2 浓度和建筑换气率的新风系统控制。
[0093]
本实施例模拟建筑载体为夏热冬冷地区的某高铁站，该车站为高架车站，站厅层高6m，吊顶1m，室内区域候车区为空调新风系统区域，其尺寸为 74m
×
28m
×
5m。模拟所用气象数据采用energyplus官网下载的成都地区典型年气象数据。大型建筑的空调新风系统具备一套独立新风(doas)与多联机空调(vrf)系统，该车站共配有5台多联机和8台热交换机，energy plus软件中vrf空调系统和独立新风系统模拟具体参数设置见表1
‑
表2，表1为空调新风系统模型参数设定，表2为热交换机参数设置。
[0094]
表1
[0095][0096]
表2
[0097]
台数新风速率[m3/s]新风效率[w/w]压强[pa]10.420.716020.840.732031.260.748041.680.764052.10.780062.520.7960
72.940.7112083.360.71280
[0098]
本实施例中，在energy plus实验验证中设置客流量、灯光能耗、空调设置温度等参数为固定值，并且选取某夏季典型天气下的同一天作为仿真环境，设置室内起始co2浓度为1500ppm，即室内co2浓度上限k2。
[0099]
本实施例中，通过对夏季工况运行结果及分析得出，对室内co2浓度以及能耗的影响因素主要包括：建筑整体气密性、热交换机台数、多联机台数等等，其中根据常用的建筑整体气密性评价指标设置建筑整体气密性参数；通过12种工况仿真测试得出多联机台数对co2浓度影响可以忽略不计，具体见表3，表3 为不同因素对室内二氧化碳浓度以及能耗的影响，如图2所示，图2为表3所述的大型建筑12种不同工况下某天典型夏季的空调新风系统总能耗，其中可见工况6(第四列柱形下部)的总能耗最小，是本实施例达到的最优节能效果。
[0100]
表3
[0101]
[0102][0103]
备注：热为热交换机，多为多联机。从表3可以看出建筑整体换气率越大，二氧化碳浓度越低，同时制冷能耗和总能耗越大；从而通过以下三个方面进行分析：
[0104]
1)对比工况“2 7 10 12”结果表明:夏季未开启热交换机和开启五台多联机条件下，提高换气次数，室内co2浓度会下降。
[0105]
2)对比工况“2 3 4 5”和“7 8 9 10”结果表明:当换气率、多联机台数固定时，热交换机台数越多，室内co2浓度逐渐减少，由此可见，室内co2浓度越低时可设置更少的热交换机台数来达到节能效果和舒适性。
[0106]
3)对比所有组合工况，在控制co2浓度维持在500以下的条件下，通过增加建筑整体换气次数和减少热交换机台数和多联机台数，能达到节能效果，比如工况10和11对比，能耗减少18.25％，具体见表4，表4为维持舒适co2浓度下的节能控制策略。
[0107]
表4
[0108]
工况对比控制因素节能率10、9减少热回机台数13.78％10、5减少建筑换气率11.02％10、11关闭热交换机，增大建筑换气率18.25％10、12关闭热交换机，增大建筑换气率11.67％
[0109]
本实施例中，图3为12种不同工况的大型建筑的典型夏季一天的空调新风系统总能耗，其中可见工况6的总能耗最小，是本实施例达到的最优节能效果。通过仿真验证将设置的热交换机台数对应为等效建筑换气率，为步骤s5的控制规则提供理论依据，具体见表5，表5为热交换机等效建筑换气率。
[0110]
表5
[0111]
热交换机台数co2变化范围(ppm)等效建筑换气率(ac/h)0[1500,1138.57]0.51[1500,872.61]0.662[1500,703.70]0.813[1500,589.54]0.954[1500,507.26]1.155[1500,445.15]1.246[1500,396.61]1.397[1500,357.62]1.548[1500,341.35]1.69
[0112]
本实施例在能耗仿真软件中建立建筑的新风系统模型，综合多种工况和输出参数确定新风系统的控制方法，不仅符合室内co2浓度标准，又有较好的节能效果。本发明通过制订优化的运行调节模式，减少了人工设定的新风系统中热交换机设备存在超调功率和欠功率而造成能耗浪费和室内空气恶劣等问题。
[0113]
实施例2
[0114]
如图3所示，本发明提供了一种基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制装置，包括室内环境主控模块、室外环境模块、新风控制模块以及算法控制模块；室内环境主控模块，用于获取与新风系统有关的环境因素；室外环境模块，用于获取室外温度、室外co2浓度等环境因素，直接影响到室内co2浓度和热交换机的显热交换效率；新风控制模块，用于根据新风系统的等效换气率δy所在的区间范围确定目标热交换机开启台数，且所述新风控制模块包含室内的热交换机机组；算法控制模块，用于根据co2浓度优化区间的上、下限，将无新风系统时整体建筑本身的自然换气率n0、室内co2浓度x作为数据输入控制热交换机，完成基于co2浓度和建筑换气率的新风系统控制。室内环境主控模块包括室内气密检测单元和室内co2浓度检测单元，所述算法控制模块包括预设室内co2浓度标准单元；室内气密检测单元，用于动态检测建筑整体气密性，并得到热交换机等效换气率和建筑整体换气率y；室内co2浓度检测单元，用于获取实时室内co2浓度x；预设室内co2浓度标准单元，用于确定目标室内co2浓度优化区间的上、下限。
[0115]
本实施例中，室内环境主控模块连接新风控制模块至室外环境模块，以实现空气交换，其中所述新风控制模块可以用于热交换机台数选择。室外温度检测模块连接室外环境模块，用于获取室外环境干球温度全天的实时数据；室内气密性检测模块连接室内环境主控模块，用于动态检测建筑整体气密性；室内 co2浓度检测模块连接室内环境主控模块，用于获取室内co2浓度全天的实时数据，和室内温度检测模块连接室内环境主控模块，用于获取室内温度全天的实时数据；算法控制模块连接室内环境主控模块，将建筑整体换气率、室内co2 浓度和室内外温度差作为数据输入；预设室内co2浓度标准模块连接算法控制模块，用于确定目标室内co2浓度优化区间的上、下限；算法控制模块连接新风控制模块，以达到有效降低新风系统能耗及改善室内环境的控制方法。