一、背景

目前，關于在實驗室和動物房減少或改變換氣次數對環境和節能的影響的客觀數據很少。本文試圖用一項重大的研究結果彌補這方面數據的空白。該研究結果基于在應用了動態控制（或稱按需控制）換氣次數的實驗室及動物房采集的大量室內環境質量 （IEQ）的客觀數據。基于需求的控制方法也被證明對降低實驗室的能源消耗具有最大影響。

按需控制方法已被加州大學爾灣分校（UCI）作為其非常成功的智能實驗室項目的核心及最具影響力的組成部分，該控制方法已經為其校園內的十幾座實驗室建筑降低了 50% 以上的能耗。事實上，主要是由于這些實驗樓的節能，UCI 2013年整個校區的能耗與2008年相比減少了23%。UCI 也因此被奧巴馬總統譽為美國第一所滿足他所設立的“更好的建筑挑戰”獎的大學，該獎項的目標是到2020年將大學或其他組織的場地范圍內的建筑能耗至少降低20%。

具體來看，本文將專注于一個被認為是目前為止最大規模的實驗室 IEQ 數據研究的研究結果，該研究結果來自于對使用了按需控制或實時監控 IEQ 的實驗室、動物房的超過150萬小時運行數據的分析，總共收集和分析了超過2000萬個傳感器讀數值，包括TVOC、0.3~2.5μm顆粒物顆粒數、二氧化碳和露點溫度（含濕量）的數據。研究對象為18個不同實驗設施中的超過300個實驗室區域，研究結果表明盡管實驗室會定期發生一些污染事件，此時為了清除污染物會增加換氣次數，而在超過97%~98% 的時間里平均換氣次數依然可以維持在2~4h-1 的最低水平，同時仍然保持優秀的 IEQ。

二、測試方法

在大多數實驗室（特別是生命科學實驗室）和動物房中，通風量經常取決于房間的最小換氣次數，動物房通常是12~20h-1，實驗室通常是6~12h-1。雖然有時高熱負荷、 大量地使用通風柜或有大量補風需求的動物籠架會成為主導而決定房間的通風量，但大部分情況還是最小換氣次數決定通風量。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，就不需要一個較高的換氣次數。

在實驗室和動物房中，有一種方法已經被證明可以有效、安全地改變換氣次數，即檢測空氣中揮發性有機化合物（VOC）、氨、顆粒物及其他一些化學蒸汽、氣味等污染 物濃度。這些是實驗室和動物房中人們所關注的污染物，產生于一些易揮發性的釋放源，同時，它們也是便于用稀釋通風來控制的污染物。當室內空氣中沒有這些污染物時，房間的換氣次數可以降低，例如動物房可降低至 4~6h-1，實驗室可以降低到 2~4h-1。

為了經濟、可靠地實現對設施內眾多實驗室和動物房的環境進行感測，該研究采用了一種多路傳感的新型傳感結構。該方法采用一套集中的傳感器，以多路復用的方式來檢測眾多不同的房間或區域。該網絡系統不是在每個房間中放置多個傳感器，而是以多路復用的方式將空氣樣本按順序抽取到共用的一組傳感器進行檢測。每隔30秒，從不同區域采集的空氣樣本通過由空心結構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）進行檢測。然后對這些順序測量數據進行分別處理，為每個采樣區域創建不同的傳感器信號用于傳統監控。根據不同空間的情況，通常一組傳感器可以對最多30個區域大約每15分鐘進行一次采樣。多種不同類型的傳感器可用于對空氣樣本的多種參數進行分析。圖1顯示了用于該多路傳感系統的體系結構示例。

除了大幅減少傳感器數量（例如減少15到20倍）之外，這種多路復用傳感概念與使用分散的單個傳感器相比還有另一個優勢。一般來說，為了控制實驗室的氣流和 IEQ，最好著眼于室內污染物濃度的增量，換句話說，需要從排風或室內空氣的污染物濃度中減去送風的污染物濃度。這樣，如果送風中的污染物濃度比如顆粒數很高，就不會錯誤地要求輸送更多的送風量，因為這只會通過送風系統向室內輸送更多的顆粒物，稀釋通風只能稀釋房間自身產生的污染物。使用多路傳感方法的一個顯著優點是，它 可以比單個傳感器更準確、可靠地測量污染物的偏差。這是因為如果使用兩個不同的傳感器，一個用于檢測室內空氣或排風，另一個用于檢測送風，這樣會使傳感器的漂移誤差加倍。一個傳感器可能漂移為負偏差，而另一個可能漂移為正偏差，從而使誤差加倍。在多路傳感系統中，用同一套集中設置的傳感器來測量送風和室內空氣的污染物濃度。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，當用室內空氣數值減去送風數值時，測量的漂移誤差就抵消了。因此，與使用單個傳感器相比，多路傳感結構可以生成更精確的差值測量。

該研究所使用的環境數據來源于橫跨美國和加拿大的18個不同實驗建筑、動物設施的300多個實驗室和動物房區域，這些區域均采用了上述多路傳感系統進行換氣次數的動態控制。其中包括生命科學和 生物相關領域，以及一些化學、物理科學實驗室和三個動物設施。

這項研究對大約150萬小時的實驗室數據和約10萬小時的動物房數據進行了分析。換句話說，如果只研究一個實驗室而不是300多個的話，那么這項工作的時間將跨越180年。研究數據采集自不同的監測區域，時間長短依監測區域上線時間而不同，共采集分析了2000多萬個傳感器值，包括TVOC，0.3~2.5μm 顆粒物顆粒數、二氧化 碳、露點（含濕量）等數據。

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）或讀數的2.5%（取其大者）。顆粒數傳感器為激光粒子計數器，對象范圍在0.3~2.5μm，精度為讀數的±25%。所有顆粒數和TVOC的取值均為實驗室或動物房的房間測量值減去送風測量值的差值。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進行測量，對房間環境和送風的測量都是用同一套傳感器進行檢測的，因此能夠生成精確的測量差值。

為了簡化分析，對所有代表某參數超過某特定閾值時的計數或次數的傳感器數據進行收集。然后將這些數據進行標準化，生成數據超過閾值的時間百分比，并把這些值繪制成圖形，形成一個累計曲線，顯示每個超過閾值的時間百分比。

三、研究結果

圖2為所有實驗室現場的TVOC平均值曲線，顯示了約150萬h的運行數據。如前所述，這是一個累積曲線，所以在0.10ppm時的百分數0.84%就表示實驗室的TVOC平均值大于等于0.10ppm的總時間。由于它反映的是平均情況，有些位置可能遠高于這個值而其它的可能接近于零，但這個平均值依然很好地說明了這些不同場所潛在的節能空間。 

從圖2可以看出，就大多數的化學污染物而言，實驗室通常在99.2%時間里是“干凈”的。這意味著在實驗室中，僅使用TVOC傳感器就可在99.2%的時間里降低最小換氣次數從而節省能源。從另一個角度來看這些數據，每周平均有1.5個小時發生TVOC污染事件，占正常每周工作40個小時的3%。

為了體現這些數據在不同場合之間的變化，圖3顯示的同樣是TVOC曲線，但是每個實驗室分別顯示，黑色虛線代表平均曲線。值得注意的是，即使在發生TVOC污染事件最多的現場，使用動態控制理念仍可在97%的時間里減小能耗，同時為了確保安全，系統對基于TVOC的污染事件做出了響應，有近6h提高了房間的最小換氣次數。

另一個可以引起最小換氣次數增加的參數是實驗室中顆粒數，例如，由于反應失控或酸泄漏導致煙霧或氣溶膠進入實驗室。圖3顯示了各研究地點0.3~2.5μm顆粒數（PM2.5）超出實驗室送風背景值的平均濃度曲線。通常，增加最小換氣次數的閾值為100萬/立方英尺（pcf）。

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

四、案例研究

亞利桑那州鳳凰城亞利桑那州立大學的Biodesign A樓、B樓是按需控制和多路傳感應用的一個案例。該建筑備受贊譽，是《R&D》雜志2006年的年度實驗室，并獲得了USGBC（美國綠色建筑委員會）LEED白金認證。該建筑最初設計的最小換氣次數為12h-1，應用基于需求的控制方式后，當實驗室空氣清潔時減少換氣次數至3~ 4h-1，當實驗室中檢測到污染物時增加換氣量至16h-1。在2007年成功測試了一個試點項目后，2009年在超過200個實驗室區域和90個動物房區域也采用了此方式。2009 年的改造工程所獲得的結果是：這個約 35,000m2（376,000平方英尺）的建筑每年可節省約100萬美元的能耗。

此次改造不僅節省了能源，由于當實驗室區域出現污染物時用于稀釋污染物的新風量隨之增加，使 得室內環境質量（IEQ）也得到了改善。由此可見，相比固定的最小換氣次數 12h-1，由于使用按需控制（動態控制換氣次數），超過TVOC閾值的時間更短，按需控制能夠實現顯著節能，同時改善 IEQ。

除了在實驗室和動物房中實現安全地節能，多路復用傳感技術也被用于非實驗室建筑。在亞利桑那州立大學的辦公室、教室、圖書館、體育場、學生中心和許多其他建筑都采用了按需求控制新風的控制方式，用作節能的重要手段。亞利桑那州立大學已經在超過25個實驗室和非實驗室建筑中實施了這項技術。

按需控制的第二個案例研究是位于阿聯酋阿布扎比馬斯達爾市的馬斯達爾科學技術研究所（MIST）。MIST的 1A 和 1B 樓被設計成世界上可持續性最好的建筑之一，碳排 放幾乎為零。這兩個建筑包括混合用途的實驗室、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。該地區氣候惡劣，高溫高濕。

MIST 在教室和辦公區域使用按需控制，通過檢測二氧化碳來確定人員占用率從而減少通風量。在MIST的實驗室，結合冷梁或風機盤管應用按需控制，無論晝夜，當檢 測到實驗室空氣清潔時減少實驗室換氣次數至 2h-1。而當檢測到污染物時提升送風量至 14 h-1，相對于固定的最小換氣次數（6~8 h-1），此時的稀釋通風量更大，從而獲得更安全的操作環境。實驗室的變風量通風柜在關閉柜門時最初設計最小排風量 為 150L/s (318 cfm)，但根據新的ANSI Z9.5-2012標準，變風量通風柜的最小排風量設為 45L/s (95 cfm)以進一步提高節能效果。 

按需控制為 MIST 的 1A 和 1B 樓每年節省約 9000MW·h 的能耗， 同時也提高了實驗室和非實驗室區域的 IEQ。此外，實驗室和辦公室送風量的減少降低了項目 HVAC 系 統的容量需求，從而顯著降低了初投資。這是通過減小 HVAC 系統的主要設備如空氣處理機、排風機、制冷機、熱回收系統等的設備容量來實現的。由于每年減少約 9000MW·h 的能源費用，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省就超過2000萬美元。

第三個案例研究是加州大學爾灣分校（UCI），UCI 在十幾個實驗室建筑中采用了按需控制，作為其智慧實驗室項目的一部分。圖8顯示了其中 10 個改造工程的結果，平均節省電力 57%，平均節省燃氣 72%，節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優于加州的能源規范。

UCI 智能實驗室項目還包括照明、動態靜壓重置、更有效的排風機運行等節能措施，但是按需控制使 UCI 實驗室運行在占用狀態最小 4h-1、非占用狀態最小 2h-1，所節省能耗占節能總量的 50%~75%。

五、結語

這項研究是迄今為止針對變換氣次數對實驗室、動物房 IEQ 和能耗的影響的規模最大、最全面的大數據研究，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，雖然每周會發生幾個小時的顆粒數和 TVOC 污染事件，此時需要較高的通氣量來換氣，但自動換氣次數控制系統可以在97%以上的時間內大幅降低通風量。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，本研究和相關案例研究提供了充足的證據，證明基于需求的實驗室換氣次數控制可以為安全實現這些目標做出重大貢獻。