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        二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在某體育館工程中的應(yīng)用

        2021-10-06 08:55:54廖樂(lè)陽(yáng)劉欽郭金龍
        關(guān)鍵詞:風(fēng)閥水閥設(shè)定值

        廖樂(lè)陽(yáng) 劉欽 郭金龍

        中建八局西南分公司

        大型劇場(chǎng)、體育館類(lèi)建筑的觀眾席具有空間大、高差大等特點(diǎn)。采用常規(guī)的上送風(fēng)等氣流組織形式,往往難以取得理想的空調(diào)效果;而座椅送風(fēng)等置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可以獲得良好的溫度分布和氣流組織,實(shí)現(xiàn)分層空調(diào),節(jié)省空調(diào)能耗[1]。座椅下送風(fēng)的出風(fēng)口離人體較近,送風(fēng)溫度不宜過(guò)低,一般送風(fēng)溫差不超過(guò)5°C。與一次回風(fēng)系統(tǒng)相比,二次回風(fēng)系統(tǒng)利用室內(nèi)回風(fēng)提高送風(fēng)溫度,省去再熱過(guò)程,是一種節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng),但是其控制策略與系統(tǒng)比較復(fù)雜。實(shí)際工程中,由于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或運(yùn)行方法不合理,系統(tǒng)的節(jié)能效果往往較差,甚至導(dǎo)致空調(diào)參數(shù)偏離設(shè)計(jì)要求。

        1 一/二次回風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)

        一次回風(fēng)系統(tǒng)和二次回風(fēng)系統(tǒng)都屬于全空氣集中式空調(diào)系統(tǒng),是出現(xiàn)最早、最基本、最典型的空調(diào)系統(tǒng)[2]。一次回風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)與新風(fēng)在熱濕處理設(shè)備前完成混合,而二次回風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)與回風(fēng)在熱濕處理設(shè)備前混合并經(jīng)過(guò)處理后再次與回風(fēng)進(jìn)行混合。就適用范圍而言,一次回風(fēng)系統(tǒng)適用于室內(nèi)散濕量大、送風(fēng)溫差大的場(chǎng)合,比二次回風(fēng)系統(tǒng)使用更廣泛;二次回風(fēng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)更為復(fù)雜,但是更適合室溫波動(dòng)小、潔凈級(jí)別更高的空調(diào)系統(tǒng)[3]。

        2 一/二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗比較

        2.1 夏季工況

        圖1 為一、二次回風(fēng)空調(diào)夏季工況焓濕圖。

        圖1 一、二次回風(fēng)夏季工況焓濕圖

        夏季工況下,采用一次回風(fēng)系統(tǒng)的熱平衡方程為Q1-Q2+Gwiw+G1iN=Gb;總耗能量Q=Q1+Q2。采用二次回風(fēng)系統(tǒng)的熱平衡方程為Q/+Gwiw+G/1iN+G2iN=GiO;其中G1=G/1+G2。節(jié)能量駐Q=Q-Q/=2Q2,即節(jié)能量等于再熱量的2 倍。送風(fēng)溫差越小,一次回風(fēng)系統(tǒng)的再熱損失越大,采用二次回風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果越好。因此二次回風(fēng)系統(tǒng)適合較小溫差送風(fēng)系統(tǒng),但減小溫差會(huì)導(dǎo)致總送風(fēng)量的增大,風(fēng)機(jī)的能耗也會(huì)加大。

        2.2 冬季工況

        圖2 為一、二次回風(fēng)冬季工況焓濕圖。

        圖2 一、二次回風(fēng)冬季工況焓濕圖

        冬季工況下,一次回風(fēng)加熱量Q1=G(iO1-iC1)。在總的送風(fēng)量一定的情況下,二次回風(fēng)系統(tǒng)的一次回風(fēng)量更少所以一次混合點(diǎn)比一次回風(fēng)系統(tǒng)低。二次回風(fēng)加熱量Q2=(G-G2)(iO-iC);可以證明[(iO1-iC1)/(iO-iC)]=[(G-G2)/G] ;所以Q2=G2[(iO1-iC1)/(iO-iC)]/(iO-iC)=Q1;由此可知冬季工況下,與一次回風(fēng)系統(tǒng)相比,二次回風(fēng)系統(tǒng)其實(shí)并不節(jié)能。

        3 工程實(shí)例分析

        3.1 工程簡(jiǎn)介

        成都市鳳凰山體育中心項(xiàng)目是由中建八局西南公司牽頭的EPC 項(xiàng)目。項(xiàng)目主體分為足球場(chǎng),體育館和商業(yè)中心三個(gè)部分。其中體育館部分房間眾多、功能復(fù)雜,采用的空調(diào)形式也比較多樣化。體育館比賽大廳的觀眾席采用座椅送風(fēng),通過(guò)“置換通風(fēng)”的氣流組織方式將人員聚集產(chǎn)生的余熱余濕從大廳頂部回風(fēng)口排出。如圖3 所示,觀眾席座椅送風(fēng)系統(tǒng)采用二次回風(fēng)系統(tǒng),其空調(diào)設(shè)備主要由粗效過(guò)濾段+表冷段+電極過(guò)濾段組成,沒(méi)有設(shè)置加濕段。夏季工況下,可以通過(guò)表冷器的冷卻除濕控制濕度。冬季時(shí),室外空氣濕度較高,室內(nèi)濕度設(shè)定為自然濕度。

        圖3 二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

        3.2 空調(diào)系統(tǒng)控制策略及分析

        比賽大廳環(huán)境溫度分布不均,在垂直方向往往有著較大的溫度梯度,且座椅送風(fēng)系統(tǒng)出風(fēng)溫度受人體舒適溫度影響,需要嚴(yán)格控制,所以監(jiān)控送風(fēng)管內(nèi)的送風(fēng)溫度,并以此控制觀眾區(qū)的環(huán)境溫度。

        3.2.1 送風(fēng)溫度的控制及再設(shè)定

        制冷工況:當(dāng)檢測(cè)的送風(fēng)溫度高于設(shè)定值時(shí),先通過(guò)調(diào)小二次回風(fēng)閥的開(kāi)度使實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值,若二次回風(fēng)閥調(diào)節(jié)至最小,送風(fēng)溫度仍高于設(shè)定值,則根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行比例積分計(jì)算,調(diào)大盤(pán)管回水管上的電動(dòng)二通水閥開(kāi)度,以保證實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)檢測(cè)的送風(fēng)溫度低于設(shè)定值時(shí),根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行比例積分計(jì)算,先調(diào)小盤(pán)管回水管上的電動(dòng)二通水閥開(kāi)度,若水閥調(diào)節(jié)至最小,送風(fēng)溫度仍低于設(shè)定值,則調(diào)大二次回風(fēng)閥開(kāi)度,以保證實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。

        該控制方案總是傾向于保持冷負(fù)荷下的最小水流量,最大限度地利用二次回風(fēng)的“再熱量”。同時(shí)也可以避免因送風(fēng)溫度波動(dòng)造成閥門(mén)來(lái)回的開(kāi)閉,影響門(mén)的壽命,但是閥門(mén)的開(kāi)度過(guò)小,會(huì)增加系統(tǒng)的輸送能耗,在實(shí)際運(yùn)行時(shí),應(yīng)當(dāng)使閥門(mén)保持一定的開(kāi)度。

        制熱工況:當(dāng)檢測(cè)的送風(fēng)溫度低于設(shè)定值時(shí),先通過(guò)調(diào)大二次回風(fēng)閥的開(kāi)度使實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值,若二次回風(fēng)閥調(diào)節(jié)至最大,送風(fēng)溫度仍低于設(shè)定值,則根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行比例積分計(jì)算,調(diào)大盤(pán)管回水管上的電動(dòng)二通水閥開(kāi)度,以保證實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)檢測(cè)的送風(fēng)溫度高于設(shè)定值時(shí),根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行比例積分計(jì)算,先調(diào)小盤(pán)管回水管上的電動(dòng)二通水閥開(kāi)度,若水閥調(diào)節(jié)至最小,送風(fēng)溫度仍低于設(shè)定值,則調(diào)小二次回風(fēng)閥開(kāi)度,以保證實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。

        根據(jù)上文分析可知,對(duì)比一次回風(fēng)系統(tǒng)制熱工況,二次回風(fēng)系統(tǒng)制熱工況并不節(jié)能。而且由于調(diào)節(jié)參數(shù)更多,二次回風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)控更為復(fù)雜,因此制熱工況下,可以考慮關(guān)閉二次回風(fēng)閥,直接采取一次回風(fēng)的工作形式。

        3.2.2 過(guò)渡季節(jié)新風(fēng)量控制

        當(dāng)室外空氣焓值在回風(fēng)焓值與要求的送風(fēng)焓值之間,新風(fēng)閥全開(kāi),調(diào)節(jié)回風(fēng)閥開(kāi)度,最大化利用室外新風(fēng)冷源。當(dāng)室外空氣焓值低于要求的送風(fēng)焓值,調(diào)節(jié)新/回風(fēng)閥開(kāi)度,使混風(fēng)溫度達(dá)到要求的送風(fēng)溫度以控制室溫。

        3.3 運(yùn)行能耗比較

        比賽大廳觀眾席共18000 人,夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26°C,相對(duì)濕度60%。冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18°C,室內(nèi)濕度為自然濕度。經(jīng)負(fù)荷計(jì)算,室內(nèi)冷負(fù)荷為1800.57 kW,新風(fēng)冷負(fù)荷2199.5 kW,總冷負(fù)荷3926.7 kW,濕負(fù)荷為937.44 kg/h。冬季室內(nèi)人員眾多,余熱量較大,基本不存在制熱工況,因此僅對(duì)制冷工況進(jìn)行比較。

        3.3.1 不同送風(fēng)溫度下工作狀態(tài)比較

        由上文分析可知,夏季制冷工況下,影響一、二次回風(fēng)系統(tǒng)耗能量的參數(shù)是送風(fēng)溫度;溫差越大,一次回風(fēng)的再熱量越小,與二次回風(fēng)系統(tǒng)能耗越接近。在室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)不變,即室內(nèi)冷負(fù)荷和濕負(fù)荷不變的條件下,選取不同的送風(fēng)溫度,分別計(jì)算該溫度下的系統(tǒng)制冷量和送風(fēng)量,結(jié)果如表1。

        從表1 中可以看出隨著送風(fēng)溫度升高時(shí),一次回風(fēng)系統(tǒng)再熱量有著明顯的增長(zhǎng),而一次回風(fēng)系統(tǒng)的再熱段一般采用電加熱,其能源利用效率也遠(yuǎn)低于壓縮式熱泵機(jī)組。二次回風(fēng)系統(tǒng)的總制冷量未發(fā)生變化,僅是二次回風(fēng)量和總送風(fēng)量增加。當(dāng)采取機(jī)器露點(diǎn)溫度送風(fēng)時(shí),一次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷量基本等于房間總冷負(fù)荷,而二次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷量始終保持不變,基本上不存在冷量的損失。采用“置換通風(fēng)”的空調(diào)系統(tǒng),其人員活動(dòng)區(qū)距地0.1 m 處的送風(fēng)溫度應(yīng)不小于22°C,而此時(shí)的露點(diǎn)溫度為16.5°C,直接送風(fēng)會(huì)使觀眾會(huì)產(chǎn)生“吹冷風(fēng)感”,因此需要提高送風(fēng)溫度。觀眾席二次回風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度為21°C,考慮到整個(gè)系統(tǒng)的路徑較長(zhǎng),存在管道溫升等因素,此送風(fēng)溫度是比較適宜的,同時(shí)總送風(fēng)量相對(duì)于23°C時(shí)也減少了約40%,節(jié)省了風(fēng)機(jī)能耗。

        表1 制冷工況一、二次回風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行比較

        3.3.2 運(yùn)行電量比較

        就目前體育館上座率、使用頻率和使用時(shí)長(zhǎng)看,大多數(shù)體育館使用狀況遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)工況[4]。籃球比賽上座率最高,一般能達(dá)到70%~80%,使用時(shí)間也集中在賽季階段。但大部分賽事上座率僅為30%~50%,全年使用次數(shù)少[5]。考慮到該場(chǎng)館為綜合性場(chǎng)館及其功能定位,其上座率取值60%比較合理。大型離心機(jī)組的COP 值一般在6.4~6.7 之間。體育館承接比賽時(shí)的時(shí)長(zhǎng)2~4 h,則比賽日空調(diào)機(jī)組以21°C運(yùn)行時(shí),節(jié)電量最大約為1629~3258 kW·h,二次回風(fēng)系統(tǒng)相對(duì)于一次回風(fēng)系統(tǒng),節(jié)約再熱能耗約為57.5%。整個(gè)制冷季節(jié)按30 個(gè)比賽日計(jì)算,則制冷季節(jié)節(jié)能量48870~97740 kW·h。

        4 結(jié)論

        該項(xiàng)目的觀眾區(qū)空調(diào)系統(tǒng)采用二次回風(fēng)系統(tǒng)比較適合,與一次回風(fēng)系統(tǒng)比較,節(jié)省了調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度時(shí)的再熱量損失。同時(shí)其自控系統(tǒng)也總是保持相同負(fù)荷下的最小水閥開(kāi)度,節(jié)省了主機(jī)運(yùn)行的能耗。但是,減小水閥的開(kāi)度同時(shí)會(huì)導(dǎo)致水泵運(yùn)行能耗的增加。在加熱工況下,仍采用調(diào)節(jié)二次風(fēng)閥的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度是難以實(shí)現(xiàn)的,不應(yīng)簡(jiǎn)單的復(fù)制制冷工況的控制策略。通過(guò)分析并結(jié)合實(shí)際,得出下列結(jié)論:

        1)制冷工況下,二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的二次回風(fēng)量與送風(fēng)溫度存在直接聯(lián)系??照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),通過(guò)調(diào)控二次回風(fēng)量來(lái)控制送風(fēng)溫度可以最大程度利用室內(nèi)空氣的熱量,而不會(huì)增加水側(cè)能耗。

        2)制熱工況下,調(diào)節(jié)二次回風(fēng)閥的開(kāi)度調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度的本質(zhì)是調(diào)節(jié)總送風(fēng)量,但是調(diào)控的復(fù)雜程度更高,而調(diào)控一次回風(fēng)閥的開(kāi)度更加簡(jiǎn)單直接??梢钥紤]關(guān)閉二次回風(fēng)閥,直接控制一次回風(fēng)量。

        3)過(guò)渡季節(jié),關(guān)閉二次風(fēng)閥,測(cè)定室內(nèi)外焓差,調(diào)節(jié)新風(fēng)和回風(fēng)比例,充分利用新風(fēng)的冷量。

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