（化工过程机械专业论文）基于单片机的室内智能通风控制系统研究.pdf

摘要 摘要 目前，国内大部分住宅的室内污染状况堪忧。各种新型建筑材料、装修材 料、日用化学品进入住宅成为室内污染源；另外，空调的使用和普及使室内通 风率比以前明显下降，造成住宅室内污染的累积，致使室内的空气质量相对恶 化。由于上述种种原因，造成我国大部分居住建筑的通风状况相对较差，基本 上不能满足我国民用建筑室内环境污染控制标准的有关规定。 在自然通风不能满足需要的时候，往往可以通过机械通风方式来改善室内 的热环境和空气品质。论文所研究的的室内环境调节系统充分利用室外环境条 件，通过对建筑物室内外温度、湿度等的测量、比较、优化，进而控制送风设 备、排风设备和窗及窗帘的状态，配合并联动空调的运行，达到智能调节建筑 物室内环境的目的，以此改善室内空气品质。 本系统采用层次化、模块化设计。整个系统由数据采集系统、单片机控制 系统和计算机监控系统组成。系统以单片机s s t 8 9 e 5 8 r d 2 为核心，以j w s l 2 系列壁挂型温湿度传感器等作为测量元件，通过单片机与传感器相连，采集并 存储传感器的测量数据。在单片机系统中，还要实现数据的实时显示、超限语 音报警和数据辅助存储功能。单片机作为监控系统的中心，通过r s 2 3 2 r s 4 8 5 总线与监控计算机通信，将采集到的数据传输给监控计算机。监控计算机将单 片机传输的数据进行记录、存储和处理，供工作人员浏览、记录和进行相关处 理。 关键词：空气品质、单片机、温度、湿度、传感器 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t m o s to ft h ed o m e s t i ci n d o o r p o l l u t i o n s i t u a t i o n sa r ew o n h a n x i o u s v a r i o u sn e wb u i l d i n gm a t e r i a l s ，d e c o r a t i o nm a t e r i a l sa n dc o m m o d i t yo f c h e m i c a le n t e ri n t oi n d o o re n v i r o m e n ta n db e c o m es o u r c e so fp o l l u t i o n i na d d i t i o n ， t h eu s ea n dp o p u l a r i t yo fa i r - c o n d i t i o n i n gd e c r e a s et h ei n d o o rv e n t i l a t i o nr a t e o b v i o u s l y , r e s u l t i n gi nt h ea c c u m u l a t i o no fr e s i d e n t i a li n d o o rp o l l u t i o na n dw o r s e i n d o o ra i rq u a l i t y f o ra l la b o v et h e s er e a s o n s ，m o s to fo u rc o u n t r y s b u i l d i n g v e n t i l a t i n gs i t u a t i o n sb e c o m er e l a t i v e l yb a da n dc a n n o ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n t so f o u rc o u n t r y s ”c i v i lc o n s t r u c t i o ni n d o o re n v i r o n m e n tc o n t a m i n a t i o nc o n t r o l s t a n d a r d ”c o n c e m e db a s i c a l l y u s u a l l y , w ei m p r o v et h ei n d o o rh o te n v i r o n m e n ta n dt h ea i rq u a l i t yt h r o u g ht h e m a c h i n ev e n t i l a t i o nw h e nt h en a t u r a lv e n t i l a t i o nc a l l tm e e tt h en e e d s n ei n d o o r e n v i r o n m e n tr e g u l a t i n gs y s t e mo nw h i c ht h i sp a p e rs t u d yb e l o n g st ot h ea r e ao f t e c h n o l o g y i ti saf h j lu s eo ft h eo u t d o o re n v i r o n m e n t a lc o n d i t i o n st h r o u g ht h e s u r v e y 、c o m p a r i s o n 、o p t i m i z a t i o no fb u i l d i n gi n d o o r & o u t s i d et e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y , a n ds oo n , a n dt h e nc o n t r o lv e n t i l a t i o ne q u i p m e n t s 、t h ew i n d o wa n dw i n d o wc u r t a i n a n da i r - c o n d i t i o n b yt h i sp r o c e s s , t h es y s t e mc a l la c h i e v et h ep u r p o s eo fr e g u l a t i n g b u i l d i n gi n d o o re n v i r o n m e n ti n t e l l e c t u a l l ya n di m p r o v et h ei n d o o ra i rq u a l i t y t i l i ss y s t e mu s e st h eh i e r a r c h i z a t i o na n dm o d u l a rd e s i g n , t h ew h o l es y s t e mi s c o m p o s e db yt h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , t h em c u c o n t r o ls y s t e ma n dt h ec o m p u t e r s u p e r v i s o r ys y s t e m t h es y s t e mt a k e st h em c us s t 8 9 e 5 8 r d 2a sc o r e j w s l - 2 w a l l s e r i e so ft e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t ys e n s o r sa sam e a s u r i n gd e v i c e ，c a p t u r ea n ds t o r e t h es e n s o rd a t at h r o u g ht h ec o n n e c t i o nb e t w e e nm c ua n ds e n s o r s i nm c us y s t e m ， w eh a v et or e a l i z et h ed a t ar e a lt i m ed i s p l a y 、w a r n i n gw h e nb e y o n dt h el i m i t e d p r o n u n c i a t i o na n dt h ed a t as u p p l e m e n t a r ys t o r a g ef u n c t i o n a st h ec e n t e ro fc o m p u t e r m o n i t o r i n gs y s t e m ，m c uc o m m u n i c a t ew i t hc o m p u t e rt h r o u g hr s 2 3 2 r $ 4 8 5s y s t e m b u sa n dt r a n s m i tt h ec o l l e c t e dd a t et om o n i t o rc o m p u t e r 1 r t l em o n i t o rc o m p u t e rd ot h e r e c o r d i n g 、m e m o r ya n dp r o c e s s i n gj o b sf o rt h ed a t aw h i c hm c u t r a n s m i t s ，a n dt h e n t h e s ed a t aa r es u p p l i e df o rt h es t a f ft ob r o w s e ，r e c o r da n dr e l a t e dp r o c e s s k e y w o r d s ： a i rq u a l i t y ，m c u ，t e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y ，s e n s o r i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得直昌太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：甲 签字日期：。哗严陟月暗 导师签名： l t 渗? 矿 签字日期：浏年争月升日 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究背景、目的及其意义 ( 1 ) 项目的实施将提供有效的节能措施，项目的开发符合我国节约型社会 的建设要求。 随着我国国民经济的快速发展，能源消费需求大幅增加，能源供需矛盾突 出，提高能源利用效率、改善能源环境已经迫在眉睫。我国自1 9 9 7 年1 1 月出台 中华人民共和国节约能源法开始，各省市也陆续推出了节能规范、标准、 条例和节能实施方案，从节能组织、节能责任、节能措施等多方面进行实施， 其中节能技术措施的推广应用是实现节能的重要环节。 目前全国电力能源短缺现象已经成为普遍性问题。各地政府及企事业单位 纷纷想办法节约能源，尤其是电能。普通老百姓也深刻体会到电力资源紧缺带 来的各种不便，节约电力资源成为社会的普遍共识。同时各地也都采取拉闸限 电、峰低谷用电等措施来控制用电量，力求资源的充分利用。 在我国所有能耗中，建筑能耗所占的比例越来越大，占1 3 以上，这还未包 括那些工业非生产性建筑、通信机房与基站等无人值守的建筑。在建筑能耗中 除必须的电气设备能耗外，主要能耗均用在了改善环境方面。例如在智能建筑 中的能耗中央空调占6 0 ，照明、电梯等其它为4 0 ；在通信机房与基站能耗 中央空调所占的比例也很大，占整个基站与机房电费支出的5 4 左右。本控制 系统就是针对减少这类建筑能耗而进行的。 ( 2 ) 项目的实施符合智能建筑的发展趋势 国家标准智能建筑设计标准( g b 汀5 0 31 4 2 0 0 0 ) 对智能建筑定义为“以 建筑为平台，兼备建筑设备( b a ) 、办公自动化( o a ) 及通信网络系统( c a ) ， 集结构、系统、服务、管理及它们之间的最优化组合，向人们提供一个安全、 高效、舒适、便利的建筑环境”。智能化建筑需要达到的目的是最大限度地满足 使用者的舒适性、操作者的方便性、节能性、管理的高效性和信息化服务。 目前使用中央空调的建筑中，其中央空调的控制系统一般是对整栋建筑所 有房间或对某几个划分好的大区域内所有房间进行集中控制，实现集中制冷和 通风，往往要热都热、要冷都冷，甚至无人的房间也相同。很难达到单个房间 第1 章引言 的人性化调节，造成很大的耗电损失和某种程度的不舒适性。空调房间里面待 久了，难免会有各种“空调病 ，而最舒适的还是自然风。 那些使用单体家用空调的建筑，在人员外出或睡眠时候由于对空调的运行 与停机和对温湿度、新风等的调节不能实现自动控制，空调不是处于停机状态 使室内环境恶劣，就是处于连续运行状态造成无谓的浪费。 另外，通信基站机房在运行时设备会散发出大量的热能，由于通信设备对 工作环境的要求较高，现有机房大多采用空调进行机房温度、湿度的制冷调节， 且机房空调大多被设置为制冷1 8 ，或者自动2 4 ，而且部分地区是全年开启， 浪费的现象较为严重。诸如此类的场所空调都不能根据季节、室外温度等环境 因素的变化而改变自身的工作状态和启动条件，不能远程设定空调的运行状态 和启动条件，更不能利用时外的环境条件来改善室内的环境状态，造成了较大 的能耗损失。 空调若与其它的散热、送风与排风系统配合起来使用，节能的空间将是很 大的，同时也给使用者营造了一个更加舒适的环境。本控制系统所研制的室内 环境智能调节系统就能很好解决室内空气品质，较小能耗损失。 ( 3 ) 本控制系统的实施有助于加强绿色建筑标准的认证和推广力度。 绿色建筑以节能为突破口，全面推进节电、节水、节地、节材，从整体上 提升我国建筑的资源节约水平。本控制系统的时候将有助于改进智能建筑的能 耗衡量标准，使绿色建筑标准的认证具体化。 ( 4 ) 改善家居室内的空气品质 随着科学技术的进步和人们生活水平的提高，越来越多的人开始注重居室 的美观和舒适，室内装修热不断的升温，豪华装饰越来越普遍。各种新型建筑 材料、装修材料日用化学品进入住宅成为室内污染源，但空调的使用和普及使 室内通风率比以前明显下降，造成住宅室内污染的累积，致使室内的空气质量 严重恶化【l 】。 在自然通风不能满足需要的时候，往往可以通过机械通风方式来改善室内 的热环境和空气品质。本文所论述的机械通风方式不单纯指厨房和卫生间的短 时排风，而是以改善室内空气品质为主要目的的通风方式。 世界卫生组织“健康住宅 标准的1 5 条里面有8 条根室内空气质量有关， 这些是提高生活品质的主要标志；节约能源，建筑节能是关系到我国可持续发 展的必由之路。关着窗子要新风，通风还要不耗能，是国内外解决建筑节能的 2 第1 章引言 一致目标。 消除室内环境污染，让消费者住上达标房。近几年，室内环境质量问题引 发的业主和开发商之间的纠纷时有发生，成为社会各界关注的焦点，社会要求 制定相应法律的呼声日益高涨。室内空气质量标准已经正式发布了我国第一 部室内空气质量标准( 标准号：gb t1 8 8 8 3 2 0 0 2 ) 正式发布，并于2 0 0 3 年 3 月1 日正式实施。该标准与国家标准委以前发布的民用建筑室内环境污染控 制规范、1 0 种室内装饰装修材料有害物质限量标准共同构成了一个比较完 整的室内环境污染控制和评价体系，为广大消费者解决室内污染难题提供了有 力的依据，也为装饰、餐饮等企业的施工操作提供了规范文件。 通风才是解决室内污染的好办法。虽然去除空气污染办法有多种，可以减 少污染源，可以吸附杀灭，可以过滤和活性炭吸附，在特定场合下这些都是必 需的解决方案。但是室内空气品质专家指出，改善室内空气质量的最有效的办 法就是通风。大自然千万年营造出的新鲜空气人类根本无法复制。高品质的生 活需要的不仅仅是污染达标的空气，而是需要新鲜、洁净、宁静、舒适的空气， 就像人们喜欢山涧海边的大自然空气一样。现在呼吸新鲜空气，耳根清静地在 室内工作学习和生活，越来越成为都市人可望不可及的奢求。 我国现在是世界第二大能源消耗国家，各种化石能源储藏量十分稀缺，国 家领导已经把寻找能源放到了国家战略的重要位置。另一方面节能是国家可持 续发展的必由之路。我国能源总消费量中，建筑能耗所占的比例已从1 9 7 8 年 的1 0 上升到2 0 0 1 年的2 7 4 5 。并在每年持续大幅度上升。数据表明我国建筑 能耗中有5 5 是采暖、空调能耗，这是一个极为庞大的数字，酒店、高档写字 楼深切感受到暖通能耗在他们运营成本中的份量，通风节能已经变成一个刻不 容缓的重大问题。建筑通风能耗相当于几十个三峡的发电量，非节约不可! 通风节能需要概念创新和技术创新，室内通风不畅是现代城市的普遍现象， 建筑通风节能又是缓解能源危机的必由之路。市场呼唤多元化的室内空气品质 解决方案，更呼唤建立通风的新概念和新风行业的迅速发展1 2 。国际上建筑节能 的重点都是放在节约采暖和降温的能耗上，因此对与本控制系统类似的产品研 制主要是室内通风设备，但是由于进口的室内通风设备价格比较昂贵，在国内 一直没有得到大范围推广【3 1 。 目前，我国每年竣工房屋建筑面积约2 0 亿平方米，新增房屋面积不断扩大。 智能建筑工程的投资已占建筑工程总投资的5 - - - 1 0 ，全国每年智能建筑总投 第1 章引言 资约几十亿元，甚至达上白亿元，是世界上最大的智能建筑的建设市场。 我国是世界上空调制造和使用的第一大国，每年新增中央空调机组( 主机) 3 万多台，新增空调末端设备1 2 0 万多台，家用空调的使用量更是逐年增长，广 东珠三角地区在全国又占首位。另外，目前我国的移动机房、基站主要使用领 域的需求量也很客观为1 0 万套，未来4 0 万套，使用空调的需求量也非常大。 本控制系统产品价格是进口同类进口产品的十分之一，其经济寿命期8 1 0 年，目前处于寿命期的初期阶段，所有有很大的发展空间，其发展趋势是显而 易见的。本系统不仅可以与中央空调或单体家用空调进行配合使用，而且也可 以单独使用，功能可选、系统组成结构可选，灵活方便。家用式的使用方法和 安装，合理的成本，本产品有着广阔的市场前景。 1 2 课题来源 深圳市科技局。 1 3 课题研究主要内容 本控制系统所研制的室内环境智能调节系统充分利用自然环境条件，通过 对建筑物室内外温度、湿度、风速、光照度等的测量运行、比较、优化，进而 控制送风、排风设备和窗及窗帘的状态，配合并联动空调，同时操作系统、设 定与修改系统的运行参数及空调的启动条件，达到智能调节建筑物室内环境的 目的。 研发的系统适用于多种场合，如使用中央空调的智能建筑( 酒店、宾馆、 大型写字楼等) 、使用家用空调的办公室和住宅、无空调的办公室和住宅、无人 值守的通信机房和基站等等多种需要调节室内环境的场所。 本控制系统由监控管理计算机、控制器、遥控器、进风与排风设备、自动 化窗及窗帘和温度、湿度、风速、光照度等传感器及软件性构成，为三级网络 结构，如图1 所示。第一级为中央管理计算机( p c 机) ，实现系统的远程监视、 报警、显示、存储、记录、操作等功能；第二级为控制器，采集、处理各类i o 信号，完成系统的控制功能；第三级为遥控器、传感器和各类风机等设备。第 二级与第三级之间根据设备的不同由串口、i o 接口等实现信号的传递与处理。 4 第1 章引言 图卜1 系统结构框图 本控制系统研究开发的重点内容是系统的硬件设计和软件设计，其中控制 器、遥控器等主设备和系统软件为自主研发，其它常规传感器、辅助设备等采 用集成的方法实现。控制器由8 9 e 5 8 r d 2 4 0 c - n j e 单片机和若干个温度传感器 和湿度传感器、t l c 2 5 4 3a d 转换器、继电器、报警和电源电路等组成，完成 远程数据采集与控制，可以对多个测温点进行测量，温度传感器采集的数据传 送给单片机进行数据处理。 监控管理计算机为p c 机，主要技术指标：c p u 为p i v 2 6 g h z 、8 0 1 3 硬盘、1 7 寸彩色显示器、标准键盘、2 5 6 m b 内存、4 0 x d c d r o m ，集成以太 网通信接口。完成系统的操作、监视、报警、记录、存储和报表生产等管理功 能。 1 4 本文的组织结构 本论文是围绕室内环境智能调节系统的研究与实现过程展开的。论文首先 对涉及的数据采集及相关硬件设计进行研究探讨，然后对软件系统的设计与实 现进行了详细的阐述。整篇论文组织结构如下： 第一章首先对系统进行整体的叙述，介绍了其现状、研究的意义、组织结 构和课题来源。 第二章揭示了国内大部分的建筑室内污染状况堪忧。并提出了相应的控制 算法来计算出室内所需的通风量，进而改善室内空气品质。 5 第1 章引言 第三章对整个系统的总体构架、设计原则及其需要完成的功能做了系统的 阐述。 第四章介绍了系统的硬件设计的一些基本原理知识和相关技术。首先介绍 系统的总体解决方案设计的基本内容、系统框图、以及单片机和传感器的选型 世 号f0 第五章集中对软件设计进行了具体阐述，包括系统需求分析，下位机软件 设计实现、上位机软件设计实现。 第六章总结了本文的成果，最后指出了本文还存在的问题以及今后的研究 方向。 6 第2 章室内空气品质控制算法研究 第2 章室内空气品质控制算法研究 2 1 国内外在室内通风换气方面的研究 2 1 1 国外建筑通风经验 国外在通风方面的研究开展的比较早，发展也比较快，但国外的建筑通风 也有曲折，由一个单纯的温度调节到空气环境品质综合改善的过程。起初，建 筑的通风量很大，能源危机爆发后，公共建筑的空调通风系统回风量被增加， 新风量减少，以节约能源，但很快又出现严重的建筑室内空气质量问题。人们 重新修订新风量标准，才改善了建筑通风效果( 4 1 。除了低层独户住宅建筑以外， 国外的多层和高层集合住宅都依赖机械通风。一些低层独户住宅建筑也在使用 带有热回收性能的机械通风设施。特别是随着建筑材料的进步，建筑节能技术 水平和建筑规范的提高，建筑维护结构的密闭性越来越好，使室内空气环境品 质越来越需要机械通风。目前北欧、北美国家在建筑中大量采用机械通风来改 善室内空气品质。 2 1 2 通风换气技术在我国住宅建筑中的应用 “非典 肆虐期间，所有卫生专家都强调，通风是最有效的预防“非典 措施之一。房屋设计应当能够实现良好的自然通风，但我国仍有不少建筑设计 对自然通风未引起应有的重视。例如，有些居住建筑阳台或窗户密闭，完全依 赖空调，有些建筑进深太大，通风脆弱【5 l 。 目前在中国，大量的民用建筑多是依靠自然通风实现室内的通风换气，高 层公寓基本上还是靠自然通风。各家各户自行安装的空调，只能调节室内空气 温度和湿度，多数没有通风功能1 6 ) 。目前国内住宅常见的室内换气系统或设备主 要有换气扇、吸油烟机、通风器等，通过机械强制排气的方式，排除室内污染 的空气( 烟气、燃烧废气、臭气、水蒸气、二氧化碳等) ，对室内进行全面或局部 换气。 在冬季采暖和夏季制冷期间，由于外窗密闭，宜开发推广无动力和有动力 的窗用自然通风器。国家住宅工程中心与北京斯特灵换气设备有限公司共建“住 宅室内换气系统研发试验基地 ，开发旋转式热回收换气系统。其特点是双向换 7 第2 章室内空气品质控制算法研究 气，排出室内浊气，送入净化后的室外新鲜空气，节能效果显著，室内温度稳 定，维护简便，清洗容易。 2 2 我国自然通风研究应用的发展方向 自然通风在我国民居中的应用有着悠久的历史。我国民居，如北京的四合 院、西北地区的窑洞，特别是长江以南地区、广东民居实际上很重视自然通风 技术的应用。民居的门、窗的位置建筑朝向及建筑格局等方面无一不体现着利 用自然通风改善居室热湿环境的思想【_ 7 1 。我国幅员辽阔，跨越了热带、亚热带、 温带、亚寒带和寒带五个气候带，特别是亚热带、温带地区完全具备广泛推广 自然通风的客观条件。另外，我国能源短缺且空调系统能耗较大，发展自然通 风是我国可持续发展的战略之一。 我国目前自然通风研究应用的力度远不及欧洲，要想在我国大力推广和发 展自然通风技术，不管是理论研究还是应用研究都需要深入进行。 2 3 机械通风是解决住宅室内通风的适宜方法 2 3 1 机械通风是解决住宅室内通风的适宜方法 当室内空气污浊或热、湿散发量比较集中不易扩散排除时，开窗是最常用 的自然通风方式，但其明显缺点就是通风量不易控制，不能保证室内气候的稳 定性、均匀性，受季节和气候因素影响大。特别是在北方做住宅建筑设计时， 设计人员都会考虑各种结构形式以期满足最大的自然通风效果，而现实中有的 住宅在“穿堂风 的作用下确实可以达到1 0 次m 或以上的通风换气次数，这可 能只为部分房间带来很好的消除余热、余湿通风效果，但其他的重要房间如卧 室等可能因为建筑结构的原因而无法得到有效的通风换气。据清华大学一项针 对北京夏季8 8 户自然通风民用住宅现场测试结果表明，自然通风条件下，普通 住宅的热环境基本处于a s h r a e 标准规定的舒适区以外【8 】。 采暖通风与空气调节设计规范规定“建筑物内，放散热、蒸汽或有害 物质的生产过程和设备，宣采用局部排风【9 】。当局部排风达不到卫生要求时，应 采用局部排风或采用全面排风。设计局部排风或全面排风时，宜采用自然通风。 当自然通风不能满足卫生、环保或生产工艺要求时，应采用机械通风或自然与 机械的联合通风。其次，开窗自然通风风向气流盲目，气流组织无法有效控制。 8 第2 章室内空气品质控制算法研究 紊乱气流可把卫生间和厨房异味带入客厅及卧室，夹带大量灰尘，在影响室内 清洁卫生同时无法避免室外噪声污染。对于高层住宅，由于热压作用顶部房间 即使开窗也只有出气而没有迸风，使下层的污浊空气涌进，反而加剧污染。特 别是近几年，在一些大中城市，住宅越来越密集，由汽车尾气所带来c 0 2 、c o 、 n o x 、烟尘，由建筑施工所带来的可吸入颗粒物，由植物所带来的可引起过敏症 状的花粉，由工业排放所带来的各种有害气体及粉尘，使得室外空气质量达不 到大气环境质量标准的要求，影响室内空气质量。 另外，由于自然通风的间断性，有时反而会造成室内更大的污染。一项关 于北京市居民开关窗调查显示【1 0 1 ，北京市居民一般为间断性操作，即开一段时 间窗户后关闭。这种方式对间断性污染十分有效，如吸烟污染，但是对于连续 产生污染的问题，如甲醛污染，采用这种方式效果就不明显。这是由于这些污 染物的释放率与浓度成函数关系，自然通风使室内污染物浓度降低，而污染物 的释放量却有所增加，因此，这种情况下需要连续的通风。 最后，开窗通风在某些场所会带来严重的噪声污染。在交通主干道f 公路、 铁路和机场) 周边，由于高强度的噪声污染，根本无法采用此方法实现室内通风 换气。即使不在强噪声源附近，邻里之间的开窗换气造成的声污染也会彼此干 扰，影响正常的生活【l l 】。所以通过开窗进行自然通风，只能进行间歇的换气， 实在不是一种理想的住宅通风换气的方式，而且在北方等严寒地域，冬季的开 窗还会造成大量的能源浪费。 通过上述研究可得知，随着建筑节能的发展，住宅的密闭性越来越好，仅 仅靠自然通风已经无法满足人们对于室内空气品质的要求，根据国外建筑科学 的发展规律，住宅机械通风，或自然与机械结合的通风将成为解决室内空气品 质的主要手段。 2 3 2 室内机械通风需要解决的问题 住宅是人类重要的生存场所，人们每天要有一半以上的时间生活在住宅中， 室内的环境状况与人的关系重大。空气是人类生存的基本物质，室内的空气品 质，直接影响着人的身体健康，是不可忽视的重要因素。随着人们生活水平的 日益提高，人们对居室的空气品质的要求也将越来越高，自然通风由于受各种 条件和房型设计的限制，可靠性较低，不能满足住宅全面通风的要求。因此， 居室利用有组织的机械通风将势在必行【1 2 】。 9 第2 章室内空气品质控制算法研究 通过对住宅各种通风方式的研究可得知，住宅采用自然通风并不是改善室 内空气品质的有效手段。自然通风会受到地域气候、住宅结构等多重因素的影 响，通风气流组织无法有效控制，即使开窗也无法使住宅各房间获得稳定、均 匀的有效通风量，各住宅的通风换气水平很不平均。 真正能够改善室内空气品质还需要采用机械通风的有组织通风方式。住宅 机械通风有很多种，但经研究发现，采用自然加机械排独立机械通风方式更符 合国情，而且便于推广使用【1 3 1 。该通风方式可以有组织地对住宅进行送风、排 风：使得各房间获得稳定、有效的通风换气量。 纵观中国住宅通风现状和研究内容，可以发现国内的住宅有组织排风的研 究还不成熟，要使机械通风等有组织排风系统应用到住宅领域还需要解决如下 问题： 幻室内通风量的确定。国家标准中只对单人需要新风量提出要求，而对于人 数不确定的房间如何确定其通风量没有提及，也缺乏相应的测试和模拟分析。 b ) 系统形式的研究。国内对于住宅通风系统还没有明确分类，也缺乏相应的 实际工程对不同系统形式进行比较。对于房间内排风和送风方式对室内污染物 和空气流场的影响，缺乏相应的分析。 c ) 对于不同系统在不同气候条件下的运行和控制策略缺乏探讨。 d ) 缺乏相应的住宅通风类产品。 2 4 室内机械通风调节控制算法研究 2 4 1 相关的通风标准 采暖通风与空气调节设计规范( g b 5 0 0 1 9 2 0 0 3 ) 中规定：工业建筑的新风 量为每人不少于3 0m 3 h ；民用建筑所需的最小新风量则按国家现行有关卫生标 准确定。由国家质量监督检验检疫总局、国家环保总局、卫生部制定的室内 空气质量标准( g b t1 8 8 8 3 2 0 0 2 ) 与国家质量监督检验检疫总局和建设部联合 发布的民用建筑工程室内环境污染控制规范( g b5 0 3 2 5 2 0 0 1 ) 、1 0 种室内装 饰装修材料有害物质限量的标准( g b l 8 6 8 0 1 8 6 8 8 ，6 5 6 6 2 0 0 1 ) 共同构成我国的室 内环境污染控制和评价体系。室内空气质量标准对室内空气的物理性、化学 性、生物性和放射性4 个控制指标作了相应规定，其中物理性指标中新风量规 定为3 0m 3 ( 人- m 。 1 0 第2 章室内空气品质控制算法研究 2 4 2 室内机械通风量的估计算法 居室的通风量估算主要有以下两种方法确定： ( 1 ) 根据日本的实践经验，住宅必须具有o 5 次l l 的新鲜空气换气量，而 气密性高的建筑物不能达到这个要求【1 4 1 。因此必须采用机械通风，并且应2 4 h 运行。日本第l l 版空气调节和卫生工学设计手册刊载的居室通风换气量为 下表所示。 表2 - 1 居室通风换气量 ( 2 ) 根据美国最新规定( a s h 凡墟s t a n d a r d 6 2 1 9 9 9 ) ，住宅的换气次数为 0 3 5 次l l ，但不小于每人2 4m 3 h 。 2 4 3 室内控制品质参数及数学模型 i 合适有效的通风是为了控制室内空气污染物的源头，利用通风量来稀释在 室内空气和再循环空气中存在的污染物的浓度。这种稀释法的关键还是要利用 室外的新鲜空气来全面稀释与排除室内有害气体及气味，通过改善气流组织形 式以发挥新风的最大稀释效果1 5 1 。 因为室内通风量的确定不仅仅是消除室内热湿负荷，而且更重要的是要确 保室内空气品质，因此采用直接计算方法，即室内空气品质计算方法。 由于建筑物相关的污染与人员相关的污染，就其感受效应来讲应该是叠加 的，所需的通风量是这两部分相应的通风量之和，而不是一个取代另一个。因 此计算公式为： d v r = 廓昂d + r 4 式中：d v r ：为设计所需的新风量，l s 或m 3 h ； r p ：为每人最小新风量( 查表) ，l s 人或m 3 h 人； p d ：为室内人员数； d ：为变化系数； 第2 章室内空气品质控制算法研究 r b ：为单位面积上所需的最小新风量，l m 2 ； 为了保证所需的换气次数和稀释作用，每人总的送风量要求不得少于7 5 l s ，这样最小送风量为： m s r 7 5 p r , d e 。? 其中：e a c 为通风效率。或者m s r d v r 玩 通风效率： e r - - - c 。fc e a c 表示移出室内有害物的迅速程度，是排风口处污染浓度c p 与室内呼吸 线区域平均浓度c 之比。 2 4 4 居室机械通风原理 居室的机械排风分为三个部分，即起居室排风、卧室进排风、以及厨房、 浴厕排风系统。厨房的排风一直都是独立的系统，而且在所有的住宅中一开始 就已经采用了，所以在这里对它们的排风系统就不加以讨论，这里主要讲述的 是起居室和卧室的机械通风。 起居室的排风系统采用的是自然进风，机械排风系统。这种通风方式的工 作流程是，新鲜的空气从起居室( 客厅) 及卧室的进气口进入室内，污浊的空 气从浴厕被抽出。 卧室机械通风一般采用的是具有能量回收功能的机械进、排风系统，主要 有全热交换器、进风机、排风机、柔性连接管道及进、排风口组成【1 6 1 。其主要 工作原理是冬季将居室排风的余热通过全热交换器将室外新鲜空气加热后送到 室内，夏季则将空调排风的冷量( 一般2 6 2 8 ) 通过全热交换器将室外的新鲜 空气( 一般3 0 , - , 3 5 ) 降温后送至室内。这种系统通常可以把排风能量的7 5 n 以回收利用，从而达到节能的目的。另外，系统的优点是送风量略大于排风量， 但是它必须是独户水平安装，带有进、排风机的全热交换器一般可以安装在浴 厕吊顶内或阳台上，居室内可能会有管道穿过，需要局部吊顶等方式加以装饰。 2 4 5 通风系统布置的研究 在一定的通风量下，要取得良好的通风效果通风系统的布置显得尤为重要。 国内学者集中讨论了排风道、风机及补风装置的布置和结构型式。 ( 1 ) 排风道的布置 1 2 第2 章室内空气品质控制算法研究 在我国，卫生间和厨房一般分开使用两个不同的排风道，但是由于布置的 不合理，往往容易引起各个楼层之间的空气的交叉污染。如现有楼层一般采用 竖向共用排气管道的做法，产生回流和泄漏的现象时有发生。按理说，排放有 害气体的排气管内侧应为负压，但由于采用简单主支结构且断面很小的共用排 气道，在排油烟机的机械作用下，管道内必然会形成正压，造成管壁和接口处 渗漏，支管处回流。文献【1 7 】中通过计算在最恶劣的气候( 以层楼房1 层为例) ，其 烟道最大阻力为3 0 0p a 左右，如果排油烟机和排气扇的风压过小，不足以克服 风道阻力时，就会造成向其他楼层串气、串味和停机回流现象。 目前，有学者针对高层建筑( 尤其是2 0 层以上) 中存在的倒灌问题研发了一 种可行的新型诱导式引射通风排气道通风系统1 1 8 l ，使用这种排气道系统的好处 有：a ) 不设排风道总排风机的多个排油烟机并联系统；b ) 取消排风道各层进口处 的逆止阀装置，而且适用于乱3 0 层的住宅建筑。 ( 2 ) 风机的布置 风机不只是机械通风的源动力，其安装与运行还会影响通风效果。如果风 机( 或风扇) 安装不合理，外门窗排出的室内空气就很容易被风机吸入，重新送入 室内，造成排气短路，如图2 1 所示。 图2 - 1 窗口上的通风扇造成窗口排气气流短路 现场实测表明，安装在外门窗上的风机送风的5 0 左右来自夕b t - j 窗外的排 气。特别是外门窗外的阳台，加强了排气气流的短路。因此，文献【1 9 】中建议风 机尽量要远离外门窗安装。 当风机安装在内隔墙或内门气窗上时( 如图2 - 2 所示) 1 3 第2 章室内空气品质控制算法研究 图2 2 风机安装在内隔墙或内门气窗上 至少需要由2 个房间组成一个串联通风系统，甚至是整套住房成为一个通 风网络。但通过风机往往形成房间之间气体的大循环，而没有使室外空气大量 进入室内。 多层住宅每户都有两个朝向，全面通风时，风从一个朝向进入室内，从另 一个朝向排出室外，回到大气中。而高层住宅有的住户只有一个朝向，全面通 风时，废气将排到楼道内，甚至串到别的住户家中。因此，要正确选择风机的 风向，避免此种现象的发生。风机的位置和风向，应根据住宅的类型、内部构 造、是否有空调器以及当地夏季的主导风向等因素综合考虑。夏季进行全面通 风的次数较多风机的风向最好与主导风向一致，如果能做到正反向、变向及变 速通风则更好。 ( 3 ) 补风装置 对于厨房、洗手间、厕所和浴室等功能性房间一般还存在短时大排风现象， 窗户气密性好的住宅里，若没有足够的补送风，室内会形成负压，很有可能造 成人员缺氧、窗缝有气流哨声、开门困难、排风量下降和排风机噪声增大等问 题。因此在设计中加大排风量，并增加补送风装置是很有必要的。某设计实例 取厨房的补送风量为18 0m 3 h ，加大补送风量的方法是在外墙上装设与排油烟机 联动开闭的电动进风剐2 0 1 。 2 4 6 通风系统运行模式的研究 对于不同的地区不同的季节，应有不同的通风设计方案。下面列举长江流 域夏季和北方冬季两个比较典型的气候条件下的机械通风方案。 1 4 第2 章室内空气品质控制算法研究 对于长江流域，有学者认为夏季应该采用间歇机械通风，因为在连晴天气 时，室外风速白天特别是午后大；夜间和清晨小，出现静风的频率很高。目前 夏季普遍采用的住宅降温方式是全天持续自然通风加上室内电扇，这一方式与 上述气候特点不相适应。住宅白天大量热侵入，夜间则通风不良，热环境质量 较差。室内日最高气温与室外基本相同，最低气温比室外高3 左右，平均气温 比室外高1 2 ，电扇只提供了室内所需的风速，不能改变夜间通风不良、室内 气温下降迟缓的状况。 研究表明，用间歇机械通风，即白天关闭外门窗限制通风，夜间用通风扇 强化通风代替全天持续自然通风加室内电扇的降温方式，可在不增加投资和能 耗的基础上明显改善室内热环境。室内最高气温可以远低于室外或接近室外， 平均气温比室外低l 以上，比全天持续自然通风住宅低2 3 。 对于北方地区，冬季基本上处于供暖工况仅靠冷风渗漏的空气量是远远不 能满足室内空气品质要求的。因此，采用机械排风、自然补风成为一个可考虑 的方案【2 。这种通风方式中浴厕排风机的排风量除满足浴厕自身换气次数外， 还承担主要房间的通风换气量，自然进风采用专门通风换气口，力求有效控制 进风量在一定范围之内。 针对严寒地区的节能住宅，有学者认为可采用两种机械通风方案：一种为 集中式通风；另一种为分散式通风。集中式通风与机械排风、自然进风方案很 接近，只是通过进风机进风；而分散式通风将各个房间的通风独立考虑，卧室、 起居室独立设置可调进排风口，采用机械进风自然排风或者自然进风、机械排 风，卫生间只设排风，保持负压。 要注意的是，以上北方地区机械通风方式中厨房抽油烟机的排风和补风系 统都是单独考虑的。另外，虽然采用有热回收装置的机械通风系统初投资大， 但节能效果显著，将可能会是以后通风产品的发展趋势瞄l 。 2 4 7 目前住宅机械通风量的控制策略 实际上，人们对住宅通风换气的需要是有变化的。因此，需要相应的控制 策略。目前的通风产品中，从通风量的变化来分类主要有两种：一种能提供持 续不变的通风量；另一种运用某种设备或材料使通风量随室内情况不同而改变。 显然，一般情况下，后者更符合居住者实际使用情况。 现在，虽然已经有了使换气量随各种因素而变化的调节技术，但是还没有 1 5 第2 章室内空气品质控制算法研究 普遍推广。在实践中，以下三个因素常被采用作为控制换气量的调节参数：a ) 使用人数的变化；b ) - - 氧化碳浓度的变化( 人们呼吸活动的标志) ；c ) 相对湿度的 变化【2 3 】。 前两种控制方法均需要探测器，根据人数来确定所需要的换气量，对于厨 房和卫生间不适用；准确测量二氧化碳含量的探测器价格昂贵，而且需要定期 调节精确度。而根据相对湿度( 水蒸气含量的变化控制换气量，既能反映出室内 的人数( 呼吸产生水蒸气) 变化，也能够反映住宅内的活动( 洗澡、做饭、洗衣等) 情况，同时能够避免住宅室内过度潮湿，发生霉变。因此，目前在住宅中应用 较多的是根据水蒸气含量调节换气量的通风系统，又称空气湿度自动控制通风 系统【2 4 l 。该技术在欧洲已经应用了十多年，其有效性在新住宅和旧建筑改造中 都得到了证实。 1 6 第3 章系统总体设计 第3 章系统总体设计 3 1 系统总体设计 所研发的系统适用于多种场合，如使用中央空调的智能建筑( 酒店、宾馆、 大型写字楼等) 、使用家用空调的办公室和住宅、无空调的办公室和住宅、无人 值守的通信机房和基站等等多种需要调节室内环境的场所。 本控制系统研究开发的重点内容是系统的硬件及软件系统，其中控制器、 遥控器等主设备和系统软件为自主研发，其它常规传感器、辅助设备等采用集 成的方法实现。 智能通风系统的测控单元( 下位机) 与主监控室内的上位机采用 r s 4 8 5 r s 2 3 2 可选网络通讯模式，上位机将测控单元采集的温湿度值及传感器状 态信息( 传感器短路、断路等) 实时显示出来；并可根据用户设定的时间间隔 作历史数据的定时存储；历史数据、历史数据曲线可以查询、打印【2 引。在满足 用户对室内的控制需求基础上，上位机根据室内温度、湿度值启停风机、加热 器等设备，保证室内温湿度值的相对稳定。本文采用的新型智能化温度传感器， 具有测温误差小，分辨率高，抗干扰能力强，成本低，能远程传输数据。该系 统是由上位机和测控单元两大部分组成。测控单元( 下位机) 由 s s t 8 9 e 5