一、背景

目前，關(guān)于在實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物房減少或改變換氣次數(shù)對環(huán)境和節(jié)能的影響的客觀數(shù)據(jù)很少。本文試圖用一項(xiàng)重大的研究結(jié)果彌補(bǔ)這方面數(shù)據(jù)的空白。該研究結(jié)果基于在應(yīng)用了動(dòng)態(tài)控制（或稱按需控制）換氣次數(shù)的實(shí)驗(yàn)室及動(dòng)物房采集的大量室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量 （IEQ）的客觀數(shù)據(jù)。基于需求的控制方法也被證明對降低實(shí)驗(yàn)室的能源消耗具有最大影響。

按需控制方法已被加州大學(xué)爾灣分校（UCI）作為其非常成功的智能實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的核心及最具影響力的組成部分，該控制方法已經(jīng)為其校園內(nèi)的十幾座實(shí)驗(yàn)室建筑降低了 50% 以上的能耗。事實(shí)上，主要是由于這些實(shí)驗(yàn)樓的節(jié)能，UCI 2013年整個(gè)校區(qū)的能耗與2008年相比減少了23%。UCI 也因此被奧巴馬總統(tǒng)譽(yù)為美國第一所滿足他所設(shè)立的“更好的建筑挑戰(zhàn)”獎(jiǎng)的大學(xué)，該獎(jiǎng)項(xiàng)的目標(biāo)是到2020年將大學(xué)或其他組織的場地范圍內(nèi)的建筑能耗至少降低20%。

具體來看，本文將專注于一個(gè)被認(rèn)為是目前為止最大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)室 IEQ 數(shù)據(jù)研究的研究結(jié)果，該研究結(jié)果來自于對使用了按需控制或?qū)崟r(shí)監(jiān)控 IEQ 的實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)物房的超過150萬小時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的分析，總共收集和分析了超過2000萬個(gè)傳感器讀數(shù)值，包括TVOC、0.3~2.5μm顆粒物顆粒數(shù)、二氧化碳和露點(diǎn)溫度（含濕量）的數(shù)據(jù)。研究對象為18個(gè)不同實(shí)驗(yàn)設(shè)施中的超過300個(gè)實(shí)驗(yàn)室區(qū)域，研究結(jié)果表明盡管實(shí)驗(yàn)室會定期發(fā)生一些污染事件，此時(shí)為了清除污染物會增加換氣次數(shù)，而在超過97%~98% 的時(shí)間里平均換氣次數(shù)依然可以維持在2~4h-1 的最低水平，同時(shí)仍然保持優(yōu)秀的 IEQ。

二、測試方法

在大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室（特別是生命科學(xué)實(shí)驗(yàn)室）和動(dòng)物房中，通風(fēng)量經(jīng)常取決于房間的最小換氣次數(shù)，動(dòng)物房通常是12~20h-1，實(shí)驗(yàn)室通常是6~12h-1。雖然有時(shí)高熱負(fù)荷、 大量地使用通風(fēng)柜或有大量補(bǔ)風(fēng)需求的動(dòng)物籠架會成為主導(dǎo)而決定房間的通風(fēng)量，但大部分情況還是最小換氣次數(shù)決定通風(fēng)量。然而，如果這些房間的空氣是“干凈的”或 沒有任何有害、刺激性污染物時(shí)，就不需要一個(gè)較高的換氣次數(shù)。

在實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物房中，有一種方法已經(jīng)被證明可以有效、安全地改變換氣次數(shù)，即檢測空氣中揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、氨、顆粒物及其他一些化學(xué)蒸汽、氣味等污染 物濃度。這些是實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物房中人們所關(guān)注的污染物，產(chǎn)生于一些易揮發(fā)性的釋放源，同時(shí)，它們也是便于用稀釋通風(fēng)來控制的污染物。當(dāng)室內(nèi)空氣中沒有這些污染物時(shí)，房間的換氣次數(shù)可以降低，例如動(dòng)物房可降低至 4~6h-1，實(shí)驗(yàn)室可以降低到 2~4h-1。

為了經(jīng)濟(jì)、可靠地實(shí)現(xiàn)對設(shè)施內(nèi)眾多實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物房的環(huán)境進(jìn)行感測，該研究采用了一種多路傳感的新型傳感結(jié)構(gòu)。該方法采用一套集中的傳感器，以多路復(fù)用的方式來檢測眾多不同的房間或區(qū)域。該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不是在每個(gè)房間中放置多個(gè)傳感器，而是以多路復(fù)用的方式將空氣樣本按順序抽取到共用的一組傳感器進(jìn)行檢測。每隔30秒，從不同區(qū)域采集的空氣樣本通過由空心結(jié)構(gòu)線纜組成的空氣采樣管路輸送至集中的傳感器組（稱為傳感器套件）進(jìn)行檢測。然后對這些順序測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分別處理，為每個(gè)采樣區(qū)域創(chuàng)建不同的傳感器信號用于傳統(tǒng)監(jiān)控。根據(jù)不同空間的情況，通常一組傳感器可以對最多30個(gè)區(qū)域大約每15分鐘進(jìn)行一次采樣。多種不同類型的傳感器可用于對空氣樣本的多種參數(shù)進(jìn)行分析。圖1顯示了用于該多路傳感系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)示例。

除了大幅減少傳感器數(shù)量（例如減少15到20倍）之外，這種多路復(fù)用傳感概念與使用分散的單個(gè)傳感器相比還有另一個(gè)優(yōu)勢。一般來說，為了控制實(shí)驗(yàn)室的氣流和 IEQ，最好著眼于室內(nèi)污染物濃度的增量，換句話說，需要從排風(fēng)或室內(nèi)空氣的污染物濃度中減去送風(fēng)的污染物濃度。這樣，如果送風(fēng)中的污染物濃度比如顆粒數(shù)很高，就不會錯(cuò)誤地要求輸送更多的送風(fēng)量，因?yàn)檫@只會通過送風(fēng)系統(tǒng)向室內(nèi)輸送更多的顆粒物，稀釋通風(fēng)只能稀釋房間自身產(chǎn)生的污染物。使用多路傳感方法的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是，它 可以比單個(gè)傳感器更準(zhǔn)確、可靠地測量污染物的偏差。這是因?yàn)槿绻�使用兩個(gè)不同的傳感器，一個(gè)用于檢測室內(nèi)空氣或排風(fēng)，另一個(gè)用于檢測送風(fēng)，這樣會使傳感器的漂移誤差加倍。一個(gè)傳感器可能漂移為負(fù)偏差，而另一個(gè)可能漂移為正偏差，從而使誤差加倍。在多路傳感系統(tǒng)中，用同一套集中設(shè)置的傳感器來測量送風(fēng)和室內(nèi)空氣的污染物濃度。由于兩次測量使用的是相同的傳感器，傳感器的漂移誤差也是相同的。因此，當(dāng)用室內(nèi)空氣數(shù)值減去送風(fēng)數(shù)值時(shí)，測量的漂移誤差就抵消了。因此，與使用單個(gè)傳感器相比，多路傳感結(jié)構(gòu)可以生成更精確的差值測量。

該研究所使用的環(huán)境數(shù)據(jù)來源于橫跨美國和加拿大的18個(gè)不同實(shí)驗(yàn)建筑、動(dòng)物設(shè)施的300多個(gè)實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物房區(qū)域，這些區(qū)域均采用了上述多路傳感系統(tǒng)進(jìn)行換氣次數(shù)的動(dòng)態(tài)控制。其中包括生命科學(xué)和 生物相關(guān)領(lǐng)域，以及一些化學(xué)、物理科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和三個(gè)動(dòng)物設(shè)施。

這項(xiàng)研究對大約150萬小時(shí)的實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和約10萬小時(shí)的動(dòng)物房數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。換句話說，如果只研究一個(gè)實(shí)驗(yàn)室而不是300多個(gè)的話，那么這項(xiàng)工作的時(shí)間將跨越180年。研究數(shù)據(jù)采集自不同的監(jiān)測區(qū)域，時(shí)間長短依監(jiān)測區(qū)域上線時(shí)間而不同，共采集分析了2000多萬個(gè)傳感器值，包括TVOC，0.3~2.5μm 顆粒物顆粒數(shù)、二氧化 碳、露點(diǎn)（含濕量）等數(shù)據(jù)。

研究中所使用的傳感器由馬薩諸塞州牛頓市的Aircuity公司制造。TVOC傳感器為光電離型傳感器， 精度±0.2ppm（按異丁烯）或讀數(shù)的2.5%（取其大者）。顆粒數(shù)傳感器為激光粒子計(jì)數(shù)器，對象范圍在0.3~2.5μm，精度為讀數(shù)的±25%。所有顆粒數(shù)和TVOC的取值均為實(shí)驗(yàn)室或動(dòng)物房的房間測量值減去送風(fēng)測量值的差值。這樣做有效減少了傳感器精度漂移所帶來的潛在影響，同時(shí)消除了室外條件對被測量房間影響。由于都使用多路傳感系統(tǒng)進(jìn)行測量，對房間環(huán)境和送風(fēng)的測量都是用同一套傳感器進(jìn)行檢測的，因此能夠生成精確的測量差值。

為了簡化分析，對所有代表某參數(shù)超過某特定閾值時(shí)的計(jì)數(shù)或次數(shù)的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行收集。然后將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，生成數(shù)據(jù)超過閾值的時(shí)間百分比，并把這些值繪制成圖形，形成一個(gè)累計(jì)曲線，顯示每個(gè)超過閾值的時(shí)間百分比。

三、研究結(jié)果

圖2為所有實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場的TVOC平均值曲線，顯示了約150萬h的運(yùn)行數(shù)據(jù)。如前所述，這是一個(gè)累積曲線，所以在0.10ppm時(shí)的百分?jǐn)?shù)0.84%就表示實(shí)驗(yàn)室的TVOC平均值大于等于0.10ppm的總時(shí)間。由于它反映的是平均情況，有些位置可能遠(yuǎn)高于這個(gè)值而其它的可能接近于零，但這個(gè)平均值依然很好地說明了這些不同場所潛在的節(jié)能空間。 

從圖2可以看出，就大多數(shù)的化學(xué)污染物而言，實(shí)驗(yàn)室通常在99.2%時(shí)間里是“干凈”的。這意味著在實(shí)驗(yàn)室中，僅使用TVOC傳感器就可在99.2%的時(shí)間里降低最小換氣次數(shù)從而節(jié)省能源。從另一個(gè)角度來看這些數(shù)據(jù)，每周平均有1.5個(gè)小時(shí)發(fā)生TVOC污染事件，占正常每周工作40個(gè)小時(shí)的3%。

為了體現(xiàn)這些數(shù)據(jù)在不同場合之間的變化，圖3顯示的同樣是TVOC曲線，但是每個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別顯示，黑色虛線代表平均曲線。值得注意的是，即使在發(fā)生TVOC污染事件最多的現(xiàn)場，使用動(dòng)態(tài)控制理念仍可在97%的時(shí)間里減小能耗，同時(shí)為了確保安全，系統(tǒng)對基于TVOC的污染事件做出了響應(yīng)，有近6h提高了房間的最小換氣次數(shù)。

另一個(gè)可以引起最小換氣次數(shù)增加的參數(shù)是實(shí)驗(yàn)室中顆粒數(shù)，例如，由于反應(yīng)失控或酸泄漏導(dǎo)致煙霧或氣溶膠進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室。圖3顯示了各研究地點(diǎn)0.3~2.5μm顆粒數(shù)（PM2.5）超出實(shí)驗(yàn)室送風(fēng)背景值的平均濃度曲線。通常，增加最小換氣次數(shù)的閾值為100萬/立方英尺（pcf）。

從圖4中可以看出，用黑色虛線表示的實(shí)驗(yàn)室平均時(shí)間超過100萬pcf閾值的時(shí)間約為0.5%，即平均每周約 30min。從各實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)可知，在從接近于零到大約1.5% 的時(shí)間里，由于顆粒物濃度上升導(dǎo)致氣流需要增加。如果將這段時(shí)間加到TVOC超出控制閾值的時(shí)間上，則平均時(shí)間約為1.2%，對于某些站點(diǎn)則為2%~3%。換句話說，由于平均每周約5h出現(xiàn)TVOC或顆粒物污染事件，在其余97%~99.0%的時(shí)間內(nèi)，最小換氣次數(shù)可維持在2~4h-1。

四、案例研究

亞利桑那州鳳凰城亞利桑那州立大學(xué)的Biodesign A樓、B樓是按需控制和多路傳感應(yīng)用的一個(gè)案例。該建筑備受贊譽(yù)，是《R&D》雜志2006年的年度實(shí)驗(yàn)室，并獲得了USGBC（美國綠色建筑委員會）LEED白金認(rèn)證。該建筑最初設(shè)計(jì)的最小換氣次數(shù)為12h-1，應(yīng)用基于需求的控制方式后，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室空氣清潔時(shí)減少換氣次數(shù)至3~ 4h-1，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室中檢測到污染物時(shí)增加換氣量至16h-1。在2007年成功測試了一個(gè)試點(diǎn)項(xiàng)目后，2009年在超過200個(gè)實(shí)驗(yàn)室區(qū)域和90個(gè)動(dòng)物房區(qū)域也采用了此方式。2009 年的改造工程所獲得的結(jié)果是：這個(gè)約 35,000m2（376,000平方英尺）的建筑每年可節(jié)省約100萬美元的能耗。

此次改造不僅節(jié)省了能源，由于當(dāng)實(shí)驗(yàn)室區(qū)域出現(xiàn)污染物時(shí)用于稀釋污染物的新風(fēng)量隨之增加，使 得室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量（IEQ）也得到了改善。由此可見，相比固定的最小換氣次數(shù) 12h-1，由于使用按需控制（動(dòng)態(tài)控制換氣次數(shù)），超過TVOC閾值的時(shí)間更短，按需控制能夠?qū)崿F(xiàn)顯著節(jié)能，同時(shí)改善 IEQ。

除了在實(shí)驗(yàn)室和動(dòng)物房中實(shí)現(xiàn)安全地節(jié)能，多路復(fù)用傳感技術(shù)也被用于非實(shí)驗(yàn)室建筑。在亞利桑那州立大學(xué)的辦公室、教室、圖書館、體育場、學(xué)生中心和許多其他建筑都采用了按需求控制新風(fēng)的控制方式，用作節(jié)能的重要手段。亞利桑那州立大學(xué)已經(jīng)在超過25個(gè)實(shí)驗(yàn)室和非實(shí)驗(yàn)室建筑中實(shí)施了這項(xiàng)技術(shù)。

按需控制的第二個(gè)案例研究是位于阿聯(lián)酋阿布扎比馬斯達(dá)爾市的馬斯達(dá)爾科學(xué)技術(shù)研究所（MIST）。MIST的 1A 和 1B 樓被設(shè)計(jì)成世界上可持續(xù)性最好的建筑之一，碳排 放幾乎為零。這兩個(gè)建筑包括混合用途的實(shí)驗(yàn)室、辦公室、教室和住宅空間，面積超過15萬m2（161.4萬平方英尺）。MIST 的 1A 樓部分如圖6和圖7所示。該地區(qū)氣候惡劣，高溫高濕。

MIST 在教室和辦公區(qū)域使用按需控制，通過檢測二氧化碳來確定人員占用率從而減少通風(fēng)量。在MIST的實(shí)驗(yàn)室，結(jié)合冷梁或風(fēng)機(jī)盤管應(yīng)用按需控制，無論晝夜，當(dāng)檢 測到實(shí)驗(yàn)室空氣清潔時(shí)減少實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)至 2h-1。而當(dāng)檢測到污染物時(shí)提升送風(fēng)量至 14 h-1，相對于固定的最小換氣次數(shù)（6~8 h-1），此時(shí)的稀釋通風(fēng)量更大，從而獲得更安全的操作環(huán)境。實(shí)驗(yàn)室的變風(fēng)量通風(fēng)柜在關(guān)閉柜門時(shí)最初設(shè)計(jì)最小排風(fēng)量 為 150L/s (318 cfm)，但根據(jù)新的ANSI Z9.5-2012標(biāo)準(zhǔn)，變風(fēng)量通風(fēng)柜的最小排風(fēng)量設(shè)為 45L/s (95 cfm)以進(jìn)一步提高節(jié)能效果。 

按需控制為 MIST 的 1A 和 1B 樓每年節(jié)省約 9000MW·h 的能耗， 同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)室和非實(shí)驗(yàn)室區(qū)域的 IEQ。此外，實(shí)驗(yàn)室和辦公室送風(fēng)量的減少降低了項(xiàng)目 HVAC 系 統(tǒng)的容量需求，從而顯著降低了初投資。這是通過減小 HVAC 系統(tǒng)的主要設(shè)備如空氣處理機(jī)、排風(fēng)機(jī)、制冷機(jī)、熱回收系統(tǒng)等的設(shè)備容量來實(shí)現(xiàn)的。由于每年減少約 9000MW·h 的能源費(fèi)用，太陽能光伏電池板所需的使用量減少 4MW 即可滿足接近零能耗的能力，僅太陽能光伏電池板的投資節(jié)省就超過2000萬美元。

第三個(gè)案例研究是加州大學(xué)爾灣分校（UCI），UCI 在十幾個(gè)實(shí)驗(yàn)室建筑中采用了按需控制，作為其智慧實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的一部分。圖8顯示了其中 10 個(gè)改造工程的結(jié)果，平均節(jié)省電力 57%，平均節(jié)省燃?xì)?72%，節(jié)省建筑能源平均總量為 61%。值得注意的是，其中許多建筑在改造之前已經(jīng)優(yōu)于加州的能源規(guī)范。

UCI 智能實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目還包括照明、動(dòng)態(tài)靜壓重置、更有效的排風(fēng)機(jī)運(yùn)行等節(jié)能措施，但是按需控制使 UCI 實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行在占用狀態(tài)最小 4h-1、非占用狀態(tài)最小 2h-1，所節(jié)省能耗占節(jié)能總量的 50%~75%。

五、結(jié)語

這項(xiàng)研究是迄今為止針對變換氣次數(shù)對實(shí)驗(yàn)室、動(dòng)物房 IEQ 和能耗的影響的規(guī)模最大、最全面的大數(shù)據(jù)研究，在采用按需控制的建筑物中使用多路傳感的方法完成。研 究表明，雖然每周會發(fā)生幾個(gè)小時(shí)的顆粒數(shù)和 TVOC 污染事件，此時(shí)需要較高的通氣量來換氣，但自動(dòng)換氣次數(shù)控制系統(tǒng)可以在97%以上的時(shí)間內(nèi)大幅降低通風(fēng)量。鑒于目前許多組織在減少碳足跡和能源使用方面面臨挑戰(zhàn)，本研究和相關(guān)案例研究提供了充足的證據(jù)，證明基于需求的實(shí)驗(yàn)室換氣次數(shù)控制可以為安全實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)做出重大貢獻(xiàn)。