許穗民
廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司
我國(guó)經(jīng)濟(jì)及科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展,并隨著市場(chǎng)監(jiān)督管理制度的完善,企業(yè)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制嚴(yán)格,配套建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的需求激增。實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是專業(yè)性較強(qiáng)的工藝設(shè)計(jì),伴著對(duì)實(shí)驗(yàn)室舒適性要求提高,實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)能耗也顯著提升,節(jié)能應(yīng)用空間較大。
以廣東某藥檢所項(xiàng)目為例,該項(xiàng)目通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由辦公室及實(shí)驗(yàn)室舒適性空調(diào)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)室新排風(fēng)系統(tǒng)、潔凈空調(diào)系統(tǒng)三部分組成。其中實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)夏季冷負(fù)荷4604 kW,占大樓總冷負(fù)荷8556 kW的54%,因此,根據(jù)實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的特點(diǎn),采取相應(yīng)節(jié)能措施,可有效減少新風(fēng)負(fù)荷,達(dá)到節(jié)能目的。
大樓建筑總面積為31783 m2,地下2 層,地上11層,總建筑高度63.6m。地下1、2 層為車庫(kù)及設(shè)備房,地上11 層為各功能實(shí)驗(yàn)室、辦公室、潔凈室等。
1~11 層辦公室及實(shí)驗(yàn)室設(shè)置空調(diào)供冷/ 供暖系統(tǒng),總冷負(fù)荷為7187 kW,總熱負(fù)荷為3225 kW,冷熱源采用螺桿蒸發(fā)式冷凝冷熱水機(jī)組(冷凍水溫采用7/12 ℃),共設(shè)兩個(gè)獨(dú)立的集中空調(diào)水系統(tǒng):系統(tǒng)1 負(fù)擔(dān)大樓(除實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)外)負(fù)荷,系統(tǒng)2 負(fù)擔(dān)實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)負(fù)荷。
9~11 層潔凈室單獨(dú)設(shè)置一套集中空調(diào)系統(tǒng),總冷負(fù)荷為1387 kW,總熱負(fù)荷為1352 kW,冷熱源采用風(fēng)冷螺桿式冷熱水機(jī)組(冷凍水溫采用7/12 ℃)。
大樓實(shí)驗(yàn)室共劃分為33 套變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)且配套凈化裝置做廢氣處理(末端為通風(fēng)柜、萬(wàn)向罩);按7個(gè)區(qū)域劃分設(shè)置14 套變風(fēng)量新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),每個(gè)區(qū)域各設(shè)1 套高溫新風(fēng)(送風(fēng)溫度26 ℃)系統(tǒng)及1 套低溫新風(fēng)(送風(fēng)溫度18.5 ℃)系統(tǒng)。
大樓空調(diào)負(fù)荷(除潔凈室空調(diào)外)主要由以下幾部分組成:圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷,人員負(fù)荷,照明負(fù)荷,設(shè)備負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷等[1]。
其中辦公室新風(fēng)量取保證人員最小需求的新風(fēng)量,而實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)量則根據(jù)運(yùn)行模式可分為:房間人員最小新風(fēng)量,實(shí)驗(yàn)室6 次/h 的最低通風(fēng)換氣要求,通風(fēng)柜開(kāi)啟時(shí)的補(bǔ)風(fēng)量。
實(shí)驗(yàn)室圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷、人員負(fù)荷、照明負(fù)荷、設(shè)備負(fù)荷等合計(jì)2565 kW,占大樓空調(diào)負(fù)荷7187 kW(除潔凈室空調(diào)系統(tǒng)外)的36%,節(jié)能潛力較低。實(shí)驗(yàn)室夏季新風(fēng)冷負(fù)荷4604 kW 占大樓空調(diào)負(fù)荷(除潔凈室空調(diào)系統(tǒng)外)7187 kW 的比例高達(dá)64%,是該大樓常規(guī)人員新風(fēng)負(fù)荷558 kW 的8.3 倍,可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)負(fù)荷的節(jié)能潛力較大,把節(jié)能技術(shù)的研究重點(diǎn)落在實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng),具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
根據(jù)以上的負(fù)荷特性及實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行規(guī)律,本項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為:夏季采用高、低溫兩套新風(fēng)系統(tǒng)同時(shí)供給(圖1)。低溫新風(fēng)系統(tǒng)(送風(fēng)溫度18.5 ℃)滿足空調(diào)房間人員最小新風(fēng)量、同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)室最低通風(fēng)換氣次數(shù)。高溫新風(fēng)系統(tǒng)(送風(fēng)溫度26 ℃)則滿足通風(fēng)柜開(kāi)啟時(shí)的補(bǔ)風(fēng)要求,同時(shí)保證房間壓差。低溫新風(fēng)系統(tǒng)總新風(fēng)量為195000 m3/h,高溫新風(fēng)系統(tǒng)總新風(fēng)量為250000 m3/h。
圖1 新/排風(fēng)系統(tǒng)示意圖
實(shí)驗(yàn)室低溫新風(fēng)系統(tǒng)處理到室內(nèi)等濕度線上(機(jī)器露點(diǎn)取95%),室內(nèi)冷負(fù)荷及最小換氣要求(衛(wèi)生、人員新風(fēng)量)的新風(fēng)冷負(fù)荷由風(fēng)機(jī)盤管及低溫新風(fēng)系統(tǒng)共同承擔(dān),室內(nèi)濕負(fù)荷均由風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)承擔(dān)。
通風(fēng)柜及萬(wàn)向罩等實(shí)驗(yàn)設(shè)備工作時(shí),開(kāi)啟高溫新風(fēng)系統(tǒng),高溫新風(fēng)處理到室內(nèi)等濕度線上(機(jī)器露點(diǎn)取95%),再經(jīng)顯熱回收機(jī)組處理至室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26 ℃送風(fēng)。該部分新風(fēng)冷負(fù)荷及濕負(fù)荷均由新風(fēng)換熱組合機(jī)組承擔(dān)。
實(shí)驗(yàn)室夏季高溫(送風(fēng)溫度26 ℃)新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用新風(fēng)機(jī)組與換熱機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行模式(新風(fēng)換熱組合機(jī)組):室外引入的新風(fēng)經(jīng)過(guò)換熱機(jī)組預(yù)冷卻,然后由新風(fēng)機(jī)組冷卻除濕處理,新風(fēng)機(jī)組出口的低溫新風(fēng)(t=18.5 ℃,φ=95%)再進(jìn)入換熱機(jī)組,把部分冷量傳遞給室外引入的新風(fēng),提高送風(fēng)溫度(26 ℃)再送入室內(nèi),確保實(shí)驗(yàn)設(shè)備運(yùn)行的新風(fēng)量要求,同時(shí)也保證了室內(nèi)環(huán)境的舒適度與溫度穩(wěn)定性。
利用新風(fēng)自身熱量的交換,使通過(guò)換熱機(jī)組預(yù)冷處理的新風(fēng)冷負(fù)荷減少,降低制冷系統(tǒng)能耗。換熱機(jī)組的另一側(cè),則是讓送入室內(nèi)的新風(fēng)得到室外引入新風(fēng)的“自身”再熱處理,可以節(jié)省其他再熱能源,避免能源浪費(fèi)。
冬季工況則通過(guò)閥門切換關(guān)斷換熱模塊,減少阻力損失,新風(fēng)經(jīng)過(guò)新風(fēng)空調(diào)機(jī)組處理后直接送入室內(nèi)。
2.2.1 夏季新風(fēng)系統(tǒng)處理流程圖及i-d 圖
圖2 為高溫新風(fēng)(26 ℃)系統(tǒng)處理流程圖,圖3、4為常規(guī)新風(fēng)(18.5 ℃露點(diǎn)送風(fēng))與高溫新風(fēng)(26 ℃)處理過(guò)程i-d 圖。
圖2 高溫新風(fēng)(26 ℃)系統(tǒng)處理流程圖
圖3 常規(guī)新風(fēng)(18.5 ℃露點(diǎn)送風(fēng))處理過(guò)程i-d 圖
圖4 高溫新風(fēng)(26 ℃)處理過(guò)程i-d 圖
2.2.2 公式及狀態(tài)點(diǎn)
1)計(jì)算公式:新風(fēng)與回風(fēng)量相同時(shí),顯熱交換的效率:
本案例計(jì)算中,顯熱交換效率取值ηt=60%[2]。
2)處理過(guò)程空氣狀態(tài)點(diǎn)
室外空氣計(jì)算參數(shù):tg=34.2 ℃,ts=27.8 ℃;室內(nèi)空氣設(shè)計(jì)參數(shù):tg=26 ℃,φ=60%。
表1 為常規(guī)新風(fēng)(18.5 ℃露點(diǎn)送風(fēng))處理過(guò)程空氣狀態(tài)點(diǎn)。
表1 常規(guī)新風(fēng)(18.5 ℃露點(diǎn)送風(fēng))處理過(guò)程空氣狀態(tài)點(diǎn)
由顯熱交換效率公式,預(yù)冷后的新風(fēng)最低為t=tw-(tw-tl)×60%=34.2-(34.2-18.5)×0.6=24.78 ℃,低于室外新風(fēng)的露點(diǎn)溫度,為冷卻除濕處理過(guò)程(已考慮冷凝排水);送風(fēng)狀態(tài)最大可處理至to=t1+(tw-tl)×60%=18.5+(34.2-18.5)×0.6=27.9 ℃,而實(shí)際需求為再熱至26 ℃,通過(guò)電動(dòng)風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)節(jié)高低溫新風(fēng)的混風(fēng)比,可達(dá)到26 ℃送風(fēng)狀態(tài),根據(jù)能量守恒定律,G×(hN-hL)=G×(hw-hw’),得到表2 各空氣狀態(tài)點(diǎn)。
表2 高溫新風(fēng)(26 ℃)處理過(guò)程空氣狀態(tài)點(diǎn)
2.2.3 節(jié)能分析
高溫(送風(fēng)溫度26 ℃)新風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量為L(zhǎng)1=250000 m3/h,占實(shí)驗(yàn)室總新風(fēng)量的56.2%;低溫(送風(fēng)溫度18.5 ℃)新風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量為L(zhǎng)2=195000 m3/h,占實(shí)驗(yàn)室總新風(fēng)量的43.8%。
1)高溫新風(fēng)系統(tǒng)總質(zhì)量流量:
低溫新風(fēng)系統(tǒng)總質(zhì)量流量:
低溫新風(fēng)系統(tǒng)采用冷卻除濕處理后送風(fēng),所需總制冷量為:
按本項(xiàng)目蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組COP=4.2,折合為所需制冷功率:
低溫新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)系統(tǒng)能耗(全壓800 Pa,余壓500 Pa,風(fēng)機(jī)全壓效率按70%,機(jī)械效率按100%):
2)假設(shè)高溫系統(tǒng)采用常規(guī)的處理方式:冷卻除濕+再熱至26 ℃送風(fēng),則高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需的總制冷量具體為:
按本項(xiàng)目蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組COP=4.2,折合為所需制冷功率:
高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需總再熱量為:
假設(shè)再熱處理的熱源采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組,COPh=3.5,折合為所需制熱功率:
高溫新風(fēng)的風(fēng)系統(tǒng)能耗(全壓800 Pa,余壓500 Pa,風(fēng)機(jī)全壓效率按70%,機(jī)械效率按100%):
3)高溫新風(fēng)系統(tǒng)采用新風(fēng)機(jī)組與換熱機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行的熱交換技術(shù),則高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需總制冷量為
按本項(xiàng)目蒸發(fā)冷凝冷水機(jī)組COP=4.2,折合為所需制冷功率:
高溫新風(fēng)系統(tǒng)由新風(fēng)自身提供再熱量,無(wú)需其他再熱熱源。
高溫新風(fēng)的風(fēng)系統(tǒng)能耗(由于增設(shè)換熱模塊,查詢廠商提供的數(shù)據(jù),增加的壓力損失按150 Pa×2 考慮,即全壓'=800+150×2 Pa,余壓500 Pa,風(fēng)機(jī)全壓效率按70%,機(jī)械效率按100%):
由以上計(jì)算可得,高溫新風(fēng)系統(tǒng)采用新風(fēng)機(jī)組與換熱機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行的熱交換技術(shù)與采用常規(guī)的冷卻除濕+再熱處理方式對(duì)比:
可節(jié)約總制冷量650 kW,占常規(guī)處理高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需總制冷量3235 kW 的20%。
可節(jié)約制熱量650 kW,占常規(guī)處理高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需制熱量390 kW 的100%。
可節(jié)約耗電功率:N=(770+185.7+79.365)-(616+109.127)=309.938 kW,占常規(guī)處理高溫新風(fēng)系統(tǒng)耗電功率(770+185.7+79.365=1035.065 kW)的30%,占實(shí)驗(yàn)室總新風(fēng)系統(tǒng)耗電功率(1035.065+601+61.905=1698 kW)的18.3%。即采用新風(fēng)機(jī)組與換熱機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行模式的高溫新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能率為30%,實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率為18.3%。
實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機(jī)采用管道靜壓變頻控制,控制器將持續(xù)監(jiān)測(cè)管道靜壓,通過(guò)調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)恒定靜壓。通風(fēng)柜的面風(fēng)速控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置值持續(xù)地監(jiān)測(cè)實(shí)際面風(fēng)速,并通過(guò)風(fēng)閥開(kāi)度調(diào)整風(fēng)量以恒定面風(fēng)速設(shè)定值,整體為閉路控制。
面風(fēng)速控制值根據(jù)占用情況自動(dòng)調(diào)整,系統(tǒng)通過(guò)紅外線檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)當(dāng)通風(fēng)柜前有操作人員工作時(shí)面風(fēng)速控制在某一設(shè)定值,當(dāng)通風(fēng)柜前無(wú)人操作時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)轉(zhuǎn)換至低速設(shè)定檔以節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。出現(xiàn)異常情況時(shí),緊急鍵將驅(qū)動(dòng)風(fēng)閥開(kāi)度最大,該模式下啟用最大排風(fēng)量,不受面風(fēng)速值的控制。
實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)房間使用特點(diǎn)分別采用直接壓差控制及流量差控制兩種變風(fēng)量控制方式。
2.3.1 房間流量差控制系統(tǒng)
運(yùn)行原理:持續(xù)地監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)風(fēng)量與送新風(fēng)風(fēng)量的流量差,調(diào)整新風(fēng)送風(fēng)量,確保風(fēng)量差控制在設(shè)定的范圍下運(yùn)行。
使用范圍:適用于實(shí)驗(yàn)室使用規(guī)范較差或泄露率較高很難維持房間的壓差,本項(xiàng)目應(yīng)用于通風(fēng)柜為文丘里閥的實(shí)驗(yàn)室及部分大套間開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室。
2.3.2 房間壓差控制系統(tǒng)
運(yùn)行原理:持續(xù)地監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)室與走廊的壓差,調(diào)整新風(fēng)的風(fēng)量,確保實(shí)驗(yàn)室在設(shè)定的壓差范圍下運(yùn)行。
使用范圍:適用于對(duì)壓差要求較高,排風(fēng)腐蝕較大及管道較復(fù)雜,對(duì)實(shí)驗(yàn)室使用要求規(guī)范的房間,本項(xiàng)目應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室門需關(guān)閉的房間等其他非流量差控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室。
實(shí)驗(yàn)室夏季采用高、低溫兩套新風(fēng)系統(tǒng)同時(shí)供給的方式,與實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行規(guī)律相匹配,在滿足衛(wèi)生及舒適的前提下,實(shí)現(xiàn)按需供冷,可最大限度節(jié)約實(shí)驗(yàn)室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗。夏季高溫新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用新風(fēng)空調(diào)機(jī)組與換熱機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行模式,通過(guò)新風(fēng)自身熱量的交換,免去再熱能耗,并給新風(fēng)預(yù)冷卻,節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗。應(yīng)用該節(jié)能技術(shù),高溫新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能率為30%。實(shí)驗(yàn)室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率為18.3%,該值跟高溫新風(fēng)量的比例有關(guān),高溫新風(fēng)量設(shè)計(jì)越大,節(jié)能優(yōu)勢(shì)越突出。采用先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)室變風(fēng)量通風(fēng)控制技術(shù),根據(jù)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)節(jié)新/排風(fēng)量,具有高品質(zhì)的控制性能和可靠的安全性,也是節(jié)能應(yīng)用必要手段。