沈彥驊 李海磊
(上海仁會(huì)生物制藥股份有限公司,上海 201321)
當(dāng)今社會(huì)科技迅速發(fā)展,企業(yè)也逐漸意識(shí)到,唯有從自身的消耗出發(fā),尋求良好的節(jié)能降耗措施,才能創(chuàng)造更好的利益。因此,各式各樣的節(jié)能方法也在世界各地衍生出來(lái)。在廠(chǎng)區(qū),辦公樓,商場(chǎng)樓宇日常運(yùn)行的設(shè)施中HVAC系統(tǒng)是耗能最大的系統(tǒng)。在需要大量改造時(shí)間和投資成本的條件下,如冷凍水系統(tǒng)變頻控制,水蓄冷,冷卻水熱回收等針對(duì)HVAC系統(tǒng)的節(jié)能方法都需要進(jìn)行較大的投資和改造。同時(shí)考慮到改造時(shí)影響運(yùn)營(yíng)和生產(chǎn)時(shí)間,及改造項(xiàng)目的投資回收率,已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)在企業(yè)節(jié)能的迫切需要,那么通過(guò)在過(guò)渡季變新風(fēng)量的方法來(lái)減少冷熱能源消耗,對(duì)于企業(yè)廠(chǎng)區(qū),特別是辦公樓和研發(fā)中心來(lái)說(shuō)是迅速且較容易達(dá)到節(jié)能效果的措施。
傳統(tǒng)集中式空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于冬、夏兩季的典型室外工況和最小新風(fēng)量的設(shè)計(jì)。在空調(diào)系統(tǒng)驗(yàn)收時(shí),按冬、夏季設(shè)計(jì)工況進(jìn)行調(diào)試,達(dá)到設(shè)計(jì)要求即可交付使用。因此傳統(tǒng)集中式空調(diào)系統(tǒng)有以下三大缺陷:
(1)往往在冬夏季使用工況下空調(diào)系統(tǒng)控制運(yùn)行正常,但是在過(guò)渡季使用時(shí)按工況設(shè)計(jì)選用的冷熱源設(shè)備容量較大,小負(fù)荷下運(yùn)行能耗大、控制難[1]。
(2)為了達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范的節(jié)能要求,現(xiàn)在建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能較好,故在過(guò)渡季節(jié)室內(nèi)的回風(fēng)溫度還是相對(duì)較高的。如在維持設(shè)計(jì)新風(fēng)比的情況下,為了滿(mǎn)足空調(diào)系統(tǒng)的送風(fēng)溫度達(dá)到人的舒適要求,就必須在適當(dāng)時(shí)段開(kāi)啟冷熱源。頻繁的使用冷熱源就會(huì)增加能耗。
(3)按最小新風(fēng)量設(shè)計(jì)的空調(diào)系統(tǒng),新風(fēng)量有限;過(guò)渡季時(shí),空調(diào)系統(tǒng)不能同時(shí)滿(mǎn)足內(nèi)外區(qū)的不同溫濕度等舒適要求;同時(shí)出于美觀(guān)、安全、節(jié)能等多因素考慮,建筑物可開(kāi)啟外窗的面積較??;因此,員工普遍感到悶熱、頭昏等不適,工作效率下降[1]。
變新風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)采用回風(fēng)CO2傳感器反饋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)新風(fēng)量設(shè)計(jì)來(lái)解決傳統(tǒng)集中式空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量有限的缺陷,通過(guò)在新、回、排風(fēng)管路上設(shè)置電動(dòng)風(fēng)閥,風(fēng)機(jī)頻率根據(jù)送、排風(fēng)管內(nèi)的靜壓自動(dòng)調(diào)整來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)渡季節(jié)新風(fēng)最大化的措施。設(shè)計(jì)變新風(fēng)量系統(tǒng)的前端冷熱源時(shí)需考慮大容量和小容量的設(shè)備適當(dāng)搭配,在過(guò)渡季節(jié)負(fù)荷變化較大的情況下減少能耗。如冷水系統(tǒng)可采用離心機(jī)和螺桿機(jī)搭配使用,且螺桿機(jī)設(shè)計(jì)為雙機(jī)頭(即兩個(gè)壓縮機(jī))制冷劑雙回路方式。
由圖1變新風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)流程圖所示,變新風(fēng)量系統(tǒng)溫濕度控制原理如下:
新風(fēng)處理機(jī)組(以下簡(jiǎn)稱(chēng)新風(fēng)機(jī)組)功能段組合順序?yàn)椋盒嘛L(fēng)、初效過(guò)濾段、轉(zhuǎn)輪熱交換器(與排風(fēng)處理機(jī)組的排風(fēng)進(jìn)行熱交換)、表冷器、風(fēng)機(jī)段、均流段、加熱段、加濕段、中效過(guò)濾段。在新風(fēng)機(jī)組階段,保證送風(fēng)露點(diǎn)達(dá)到辦公區(qū)域要求的露點(diǎn)溫度值,送風(fēng)溫度只是進(jìn)行預(yù)處理,由空調(diào)機(jī)組進(jìn)行送風(fēng)溫度的最終處理(達(dá)到21~23℃的送風(fēng)溫度),再通過(guò)房間溫度傳感器的反饋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變風(fēng)量閥的送風(fēng)量,使區(qū)域溫度達(dá)到控制值。由于送風(fēng)露點(diǎn)溫度在新風(fēng)機(jī)組處理階段已經(jīng)達(dá)到了辦公區(qū)濕度控制的要求值,房間內(nèi)無(wú)散濕量,所以達(dá)到設(shè)定的房間溫度后,對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度也符合需求。
其變新風(fēng)量控制原理如下:
→排風(fēng)處理機(jī)組變頻器變化(圖中5)
過(guò)渡季節(jié)新風(fēng)最大化的措施如下:
將空調(diào)機(jī)組新風(fēng)電動(dòng)風(fēng)閥(圖中2)和空調(diào)機(jī)組排風(fēng)電動(dòng)風(fēng)閥(圖中4)手動(dòng)設(shè)為100% (可多臺(tái)空調(diào)機(jī)組一起設(shè)置)→密切觀(guān)察新風(fēng)機(jī)組的送風(fēng)靜壓(圖中6)和風(fēng)機(jī)頻率(圖中3)的變化→如果新風(fēng)機(jī)組風(fēng)機(jī)頻率未達(dá)到滿(mǎn)頻,則可手動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組回風(fēng)電動(dòng)風(fēng)閥變化(圖中7)直至風(fēng)機(jī)滿(mǎn)頻→對(duì)空調(diào)機(jī)組控制辦公區(qū)域進(jìn)行巡查,發(fā)現(xiàn)房間壓差過(guò)大及時(shí)調(diào)整該區(qū)域?qū)?yīng)空調(diào)機(jī)組的回風(fēng)電動(dòng)風(fēng)閥(圖中7)。
壓差梯度是由該房間的送風(fēng)減去回風(fēng)和排風(fēng)的余風(fēng)量值來(lái)建立。由于系統(tǒng)總送風(fēng)是由總新風(fēng)和總回風(fēng)組成,新風(fēng)量變化需防止集中式空調(diào)總回風(fēng)量的變化,避免影響到房間的余風(fēng)量,造成壓差梯度的變化。所以在潔凈室或?qū)嶒?yàn)區(qū)運(yùn)行時(shí),變新風(fēng)量系統(tǒng)在冬夏季模式和過(guò)渡季模式的兩種運(yùn)行模式有以下控制方法:
圖1 變新風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)流程圖Fig. 1 Variable fresh air volume air-conditioning system fl ow fi gure
(1)冬夏季模式:變新風(fēng)量系統(tǒng)在冬夏季模式時(shí),只要根據(jù)達(dá)到設(shè)計(jì)新風(fēng)比風(fēng)量平衡后的交付使用狀態(tài)運(yùn)行。由于通常潔凈室或?qū)嶒?yàn)區(qū)的人員也比較少,所以空調(diào)機(jī)組回風(fēng)CO2濃度傳感器應(yīng)保持在很低的濃度(甚至控制區(qū)域?yàn)闈崈羰业目照{(diào)考慮到傳感器不易清潔和需要消毒的緣故,可以不安裝回風(fēng)CO2濃度傳感器)。
(2)過(guò)渡季模式:對(duì)于潔凈室或?qū)嶒?yàn)區(qū)來(lái)說(shuō),在過(guò)渡季模式實(shí)現(xiàn)新風(fēng)最大化有三個(gè)前提條件:空調(diào)機(jī)組排風(fēng)管與空調(diào)機(jī)組新風(fēng)管的尺寸要匹配;空調(diào)機(jī)組送風(fēng)機(jī)風(fēng)量及風(fēng)壓需要有一定的余量;設(shè)計(jì)時(shí)采用定風(fēng)量控制的空調(diào)自控系統(tǒng)。定風(fēng)量控制的空調(diào)自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須包括空調(diào)箱新風(fēng)管與排風(fēng)管安裝聯(lián)鎖控制的電動(dòng)風(fēng)閥;采用送風(fēng)靜壓與空調(diào)箱送風(fēng)機(jī)變頻聯(lián)鎖及末端送風(fēng)口安裝定風(fēng)量閥;增加回風(fēng)箱采用回風(fēng)靜壓與回風(fēng)箱風(fēng)機(jī)變頻聯(lián)鎖及末端回風(fēng)口安裝定風(fēng)量閥。當(dāng)在空調(diào)自控系統(tǒng)中手動(dòng)開(kāi)大新風(fēng)閥增大空調(diào)機(jī)組送風(fēng)的新風(fēng)比后,與新風(fēng)閥聯(lián)鎖的排風(fēng)閥也會(huì)自動(dòng)調(diào)整到相應(yīng)的開(kāi)度,通過(guò)空調(diào)箱送風(fēng)機(jī)的頻率變化和末端送風(fēng)定風(fēng)量閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)保持送風(fēng)量幾乎不變,通過(guò)回風(fēng)箱風(fēng)機(jī)的頻率變化和末端排風(fēng)定風(fēng)量閥的自動(dòng)調(diào)節(jié)保持區(qū)域房間的回風(fēng)量、空調(diào)機(jī)組的總回風(fēng)量幾乎不變,不影響原有的壓差梯度。鑒于過(guò)渡季白天和晚上溫差較大,建議晚上恢復(fù)到冬夏季模式。
在辦公區(qū)運(yùn)行時(shí),變新風(fēng)量系統(tǒng)在冬夏季模式和過(guò)渡季模式的兩種運(yùn)行模式可以參照3中具體描述的變新風(fēng)量控制方法。變新風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)流程圖(圖1)中參與控制的傳感器和電動(dòng)風(fēng)閥必須在空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮。由于辦公區(qū)集中式空調(diào)系統(tǒng)一般在晚上處于停止?fàn)顟B(tài),所以無(wú)需切換回冬夏季模式。
4.1.1 以室外環(huán)境溫濕度范圍大小來(lái)確定適合現(xiàn)場(chǎng)的最大化新風(fēng)比值。室外環(huán)境溫濕度范圍越大,實(shí)際新風(fēng)比最大化使用時(shí)間越長(zhǎng),節(jié)能量越多。
4.1.2 最大化新風(fēng)比值越高,安裝施工投資越大,日常運(yùn)行時(shí)排風(fēng)風(fēng)機(jī)耗能越多。所以在設(shè)計(jì)中合理地確定最大化新風(fēng)比值尤為重要。
首先根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范在焓濕圖上設(shè)立兩個(gè)辦公區(qū)過(guò)渡季節(jié)室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)(假設(shè)辦公區(qū)的維護(hù)結(jié)構(gòu)保溫較好),N(25.5℃,45%)為非雨季環(huán)境控制點(diǎn),N’(25.5℃,65%)為雨季環(huán)境控制的極限點(diǎn)。
在設(shè)計(jì)中根據(jù)辦公區(qū)發(fā)熱量及維護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷推算出送風(fēng)狀態(tài)兩個(gè)點(diǎn),這兩點(diǎn)的溫度應(yīng)在21~23℃之間,露點(diǎn)溫度接近室內(nèi)溫度點(diǎn)。如S(22℃,54.6%),S’(22℃,78.1%)
根據(jù)10%新風(fēng)比,30%新風(fēng)比比較,確立30%新風(fēng)比下,節(jié)能的室外環(huán)境溫濕度范圍,如圖2所示紅色框內(nèi)區(qū)域?yàn)?0%新風(fēng)比比10%新風(fēng)比節(jié)能的室外環(huán)境溫濕度范圍。
根據(jù)10%新風(fēng)比,50%新風(fēng)比比較,確立50%新風(fēng)比下,節(jié)能的室外環(huán)境溫濕度范圍,如圖3所示藍(lán)色框內(nèi)區(qū)域采用50%新風(fēng)比比10%新風(fēng)比節(jié)能的室外環(huán)境溫濕度范圍。另圖3中紅色的陰影區(qū)域?yàn)?0%新風(fēng)比值比50%新風(fēng)比值適用室外環(huán)境溫濕度范圍多出的部分。由此可見(jiàn),新風(fēng)比值30%比新風(fēng)比值50%應(yīng)用的室外環(huán)境溫度范圍更大。
將BMS中2013年3月~2014年3月室外環(huán)境趨勢(shì)圖截?。ㄒ?jiàn)圖4)。比較后發(fā)現(xiàn),圖4中紅色區(qū)域的溫度和露點(diǎn)溫度范圍與圖2所示紅色框內(nèi)區(qū)域的室外環(huán)境溫濕度范圍相符合,故過(guò)渡季節(jié)采取新風(fēng)比30%措施是可行的,且節(jié)能時(shí)間段可達(dá)到半年。
由于較快的風(fēng)速會(huì)對(duì)測(cè)溫濕度進(jìn)行干擾,宜選取新風(fēng)預(yù)處理的新風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)初效過(guò)濾段設(shè)置溫濕度傳感器。
圖2 過(guò)渡季節(jié)新風(fēng)比最大化30%與10%比較分析圖Fig. 2 The fresh air ratio 30% and 10% of fresh air maximization in transition season comparative analysis fi gure
圖3 過(guò)渡季節(jié)新風(fēng)比最大化50%,30%與10%比較分析圖Fig. 3 The fresh air ratio 50%, 30% and 10% of fresh air maximization in transition season comparative analysis fi gure
在BMS系統(tǒng)中增加冬夏季模式和過(guò)渡季節(jié)新風(fēng)比最大化模式的自動(dòng)切換程序,設(shè)置自動(dòng)切換條件。以30%新風(fēng)比為例,當(dāng)白天8:30~17:30時(shí)間段室外環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)達(dá)到溫度在13~24℃,露點(diǎn)溫度在0~20℃的兩個(gè)條件后,即可開(kāi)啟新風(fēng)比最大化模式。相應(yīng)地當(dāng)室外環(huán)境溫濕度監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)達(dá)到溫度在22℃以上,相對(duì)濕度在90%以上的兩個(gè)條件后,則切換為冬夏季模式。并設(shè)置24℃為極限溫度(節(jié)能量很低,可能還耗能),一旦達(dá)到溫度超過(guò)24℃的單一條件也必須切換為冬夏季模式。由于考慮到避免壓差和冷熱源負(fù)荷的頻繁變化,在BMS程序中設(shè)置兩種模式之間每天只能切換一次。
上海某辦公樓為3層,總面積為20 000 m2。空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為集中式中央空調(diào),空調(diào)開(kāi)啟時(shí)間為8:30~18:30。夏季冷媒采用7℃冷媒水工況,加熱采用55℃熱水工況,加濕采用蒸汽降壓0.1MPa進(jìn)行處理,冷媒水、熱水和蒸汽由公用工程集中處理供應(yīng)。
圖4 2013年3月~2014年3月室外環(huán)境趨勢(shì)圖Fig. 4 outdoor climates trend fi gure from Mar. 2013 to Mar.2014
辦公區(qū)溫度控制要求18 ~ 26℃,相對(duì)濕度控制要求40% ~ 70%。
空調(diào)系統(tǒng)采用新風(fēng)預(yù)處理,空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)總送風(fēng)量為290 000 m3/h,日常運(yùn)行時(shí)新風(fēng)比10%。
在新風(fēng)預(yù)處理階段,保證送風(fēng)露點(diǎn)達(dá)到辦公區(qū)域要求的露點(diǎn)溫度值,送風(fēng)溫度只是進(jìn)行預(yù)處理,由空調(diào)機(jī)組進(jìn)行送風(fēng)溫度的最終處理,達(dá)到22℃的送風(fēng)溫度。再通過(guò)房間溫度傳感器的反饋實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)變新風(fēng)量閥的送風(fēng)量,使區(qū)域溫度達(dá)到溫度需求值。
5.5.1 冬夏季模式:回風(fēng)CO2濃度傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)新風(fēng)比。
5.5.2 過(guò)渡季節(jié)模式:新風(fēng)比手動(dòng)設(shè)置為30%。運(yùn)行時(shí)間段為2013年3月1日~5月31日,2013年9月15日~12月15日。
新風(fēng)量最大化措施是依靠冷熱源系統(tǒng)及其輔助設(shè)備與歷年運(yùn)行的節(jié)省電能來(lái)進(jìn)行節(jié)能,故主要節(jié)能量會(huì)體現(xiàn)在公用系統(tǒng)動(dòng)力中心的用電量上。
2012年3月1日~5月31日,2012年9月15日~ 12月15日冷熱源系統(tǒng)及其輔助設(shè)備在8:30~18:30時(shí)間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)為:56天螺桿式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率低于70%;20天螺桿式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率高于70%;38天離心式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率低于50%;50天離心式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率低于70%;20天離心式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率高于70%。
2013年同期冷熱源系統(tǒng)及其輔助設(shè)備在8:30~18:30時(shí)間段的運(yùn)行數(shù)據(jù)為:75天螺桿式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率低于50%;48天螺桿式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率低于70%;18天螺桿式冷凍機(jī)90%以上加載;21天離心式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率低于50%;16天離心式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率低于70%;6天離心式冷凍機(jī)開(kāi)啟,加載率高于70%。
根據(jù)公用系統(tǒng)動(dòng)力中心電表歷年數(shù)據(jù)比較,2013年采用變新風(fēng)量系統(tǒng)措施后年總節(jié)能費(fèi)用約17萬(wàn)元,且辦公樓員工對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的滿(mǎn)意度提高。
(1)要采用變新風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)時(shí),建議設(shè)計(jì)新風(fēng)集中預(yù)處理,不設(shè)計(jì)每臺(tái)AHU 單獨(dú)新風(fēng)處理。
(2)設(shè)計(jì)新風(fēng)預(yù)處理系統(tǒng)時(shí),可以適當(dāng)增大風(fēng)機(jī)電機(jī)選型以達(dá)到30%~40%的新風(fēng)量(最大頻率時(shí)達(dá)到)。且新風(fēng)總管和通往各空調(diào)箱的新風(fēng)管都必須根據(jù)最大化新風(fēng)量設(shè)計(jì)尺寸,以滿(mǎn)足新風(fēng)比最大化要求。
(3)需考慮新風(fēng)總管的尺寸和空調(diào)機(jī)房新風(fēng)進(jìn)風(fēng)百葉窗的進(jìn)風(fēng)量,避免由于負(fù)壓產(chǎn)生空調(diào)機(jī)房噪音。
(4)需考慮設(shè)計(jì)如何在新風(fēng)比增大的情況下保證霧霾天氣不影響空調(diào)出風(fēng)口空氣質(zhì)量。在霧霾天氣盡量不要采用新風(fēng)最大化模式,防止過(guò)濾器的快速堵塞。
(1)通過(guò)巡檢記錄每月平均送風(fēng)溫度,平均回風(fēng)溫度值及冷熱源開(kāi)啟情況的數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)在焓濕圖上分析過(guò)渡季節(jié)新風(fēng)最大化的新風(fēng)比值。
(2)可考慮與排風(fēng)余熱回收節(jié)能措施同時(shí)使用,節(jié)能效果更好。
(3)在霧霾天氣盡量不要采用新風(fēng)比最大化模式,避免過(guò)濾器的快速堵塞。
傳統(tǒng)集中式空調(diào)系統(tǒng)由于基于冬、夏兩季的典型工況和最小新風(fēng)量的設(shè)計(jì),而現(xiàn)在樓層的圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫較好,導(dǎo)致在過(guò)渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)仍在大量使用冷熱水,大量冷熱水的使用導(dǎo)致冷熱源及輔助設(shè)備增加能耗及無(wú)法進(jìn)行停機(jī)大修。本方案采用變新風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),冬夏季時(shí)依靠回風(fēng)CO2濃度傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)新風(fēng)比以滿(mǎn)足人員舒適度要求,過(guò)渡季采用新風(fēng)最大化措施,可減少或者甚至不使用冷熱源,最終達(dá)到節(jié)能的效果。
[1] 楊純?nèi)A,邱相武.全年運(yùn)行空調(diào)系統(tǒng)變新風(fēng)控制策略的探討[M].