新建電學計量檢測實驗室中的節(jié)能應用

/ 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

近年來，節(jié)約能源、保護環(huán)境得到世界各國的關(guān)注，節(jié)能降耗已經(jīng)成為了全世界的共識。與此同時，“綠色建筑”已經(jīng)成為土木工程領(lǐng)域的前沿研究方向。為了提高計量檢測實驗室的節(jié)能性能和長期健康監(jiān)測所需的感知性能，提出了通過“綠色實驗室系統(tǒng)”建造來實現(xiàn)節(jié)能降耗的目標。目前節(jié)能實驗室的關(guān)注焦點主要在于室內(nèi)熱環(huán)境方面，也就是所謂的“綠色節(jié)能建筑”建造工藝的研究探討階段。

在電學計量檢測實驗室的建設(shè)中，積極響應上海市十二五規(guī)劃節(jié)能降耗工作要求，依托新技術(shù)、新材料、新管理，實現(xiàn)節(jié)能降耗目標，打造綠色節(jié)能實驗室系統(tǒng)。

1 實驗室外部結(jié)構(gòu)節(jié)能[1][2]

外部結(jié)構(gòu)建設(shè)直接影響實驗室恒溫恒濕效果，保證外部結(jié)構(gòu)保溫效果，是實現(xiàn)實驗室節(jié)能降耗目標的重要手段之一。

1.1 墻體保溫

所謂外墻外保溫，是指在用磚石、混凝土或新型砌塊材料建造在外墻外表面上的保溫層。這種外保溫，可用于新建墻體，也可以用于既有建筑外墻的改造。該保溫層對外墻的保溫效能增加明顯，其熱阻值超過 1 m2·K/W。

1.2 屋面保溫

屋面保溫采用聚苯顆粒保溫漿料屋面保溫技術(shù)，適用于嚴寒和寒冷地區(qū)、夏熱冬冷地區(qū)，其特性如表1所示。

1.3 門窗保溫

門窗保溫采用三密封平開節(jié)能保溫窗，保溫性能達到8級，特別適用于炎熱、嚴寒地區(qū)的建筑物。

表1 聚苯顆粒保溫材料性能分析表

特點：框、扇、梃等主型材為四腔室、三密封結(jié)構(gòu)，可顯著提高保溫性能和隔聲性能。另外，由于門窗各部分的熱損失中玻璃所占比例最高，因此三密封平開窗在使用三層玻璃后，保溫性能顯著提高。既可節(jié)約能源，又可防止門窗結(jié)霧、結(jié)霜現(xiàn)象。物理性能：三密封平開窗（尺寸1 500 mm×1 500 mm，雙扇平開，中空玻璃 5 mm ＋ 12 mm ＋5 mm）的保溫性能達到 8 級 [K= 2.1 W/(m2·K)]，隔聲性能達到 4 級（RW= 36 dB），抗風性能達到 6 級（p3= 3 500 kPa，-p3= 4 800 kPa），水密性能達到 5級（Δp= 667 kPa），氣密性能（正負風壓）達到 5 級。

節(jié)能建筑主要通過外墻、屋面、門窗等方面提高圍護結(jié)構(gòu)的熱阻值和密閉性，達到節(jié)約建筑物使用能耗的目的，從而降低實驗室空調(diào)系統(tǒng)的用電能耗。

2 內(nèi)部結(jié)構(gòu)節(jié)能

實驗室內(nèi)部門窗框和玻璃扇的傳熱系數(shù)及密閉性是內(nèi)部節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。為保證門窗能達到預期的節(jié)能要求，安裝過程中需特別注意以下幾個問題：

（1）選擇門窗時，復查其抗風壓性、空氣滲透性、雨水滲漏性等性能指標。

（2）安裝門窗框時要反復檢查框角的垂直度。變形嚴重、縫隙超標、密封條不密閉的門窗扇不能安裝。

（3）在框與扇、扇與扇之間須設(shè)密封條，以防滲水、透氣，局部縫隙較大的位置用單組份密封膏擠注。

（4）粘貼密封條或擠注密封膏時，事先將接縫處清理干凈干燥，無灰塵和污物。

（5）實驗室安裝鋼制氣密門，采用機械閉門器，保持實驗室門常閉狀態(tài)，以控制實驗室內(nèi)部溫濕度要求。

3 實驗室環(huán)境控制系統(tǒng)

電學計量檢測實驗室對恒溫恒濕準確度要求較高，一般溫度要求（23±2）℃和濕度要求（50±10）%RH，特殊實驗室溫度準確度要求達到±0.25 ℃，因此實驗室環(huán)境控制系統(tǒng)設(shè)計尤為重要。

3.1 溫濕度獨立控制中央空調(diào)系統(tǒng)（一級控溫）

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)在國外稱為獨立新風系統(tǒng)，簡稱DOAS系統(tǒng)。

主要特征：只要將新風獨立處理到較低的溫度（7 ℃左右），讓新風承擔室內(nèi)全部的濕負荷和部分或全部的顯熱負荷，其余的負荷由室內(nèi)的干工況設(shè)備來承擔。因此室內(nèi)無凝結(jié)水出現(xiàn)，無需凝結(jié)水盤和凝結(jié)水管路，除去了霉菌等細菌滋生環(huán)境，改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。

獨立新風系統(tǒng)與常規(guī)全空調(diào)系統(tǒng)相比具有的優(yōu)點：空氣品質(zhì)好（無回風污染）、安全、風道斷面尺寸小、節(jié)約實驗室空間、空調(diào)房間無凝結(jié)水等。

1）溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的控制方案

溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)較之常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)更為簡單，是通過調(diào)節(jié)送風的含濕量和風量來控制實驗室內(nèi)的溫度。通過調(diào)節(jié)室內(nèi)末端（土干式風機盤管）的制冷量（如調(diào)節(jié)風機盤管的風量）和冷機的出水溫度來控制實驗室內(nèi)的溫度，從而實現(xiàn)準確的室內(nèi)熱環(huán)境控制和調(diào)節(jié)。

2）溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的能效分析

（1）避免冷源浪費和能質(zhì)的不匹配：溫濕度獨立控制空調(diào)，由于除濕任務由除濕系統(tǒng)承擔，顯溫系統(tǒng)的冷水溫度可由常規(guī)冷凝除濕空調(diào)系統(tǒng)中的7 ℃提高到18 ℃左右，為天然冷源的使用提供了條件。即使采用人工制冷，由于制冷溫度的提高，也將帶來制冷機組的性能系數(shù)的大幅度提高，減少了冷源浪費和能質(zhì)的不匹配。

（2）降低空氣處理過程的能耗：溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的除濕與降溫處理過程相互獨立，可以滿足不同實驗室熱濕比不斷變化的要求，克服了常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)中難以同時滿足溫、濕度參數(shù)的要求，避免了實驗室內(nèi)溫度過高（或過低）的現(xiàn)象。由于室內(nèi)相對濕度可以一直維持在60%以下，較高的室溫就可以達到舒適要求。

（3）改善實驗室內(nèi)空氣品質(zhì)：溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)使用性能很好地吸附物質(zhì)對空氣進行除濕處理，這些吸附物質(zhì)在吸濕的同時，對空氣中的微小塵粒，附著在塵粒上的微生物、細菌、病毒等具有很好的捕集作用；除濕過程中空氣的高溫、低溫工況，對一些細菌和病毒也有很好的抑制作用。

（4）改善室內(nèi)末端送風的氣流組織：室溫度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的末端設(shè)備由于不存在凝水問題，可采用靈活、多樣的結(jié)構(gòu)和安裝方式，降低吊頂空間，設(shè)備費和安裝費大幅度降低，也可降低吹風感。

（5）降低輸配能耗：溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)的回風可以通過末端裝置就地處理，無需送回空調(diào)機房，這就大大降低了輸配耗能。

（6）解決熱電聯(lián)供和分布式能源系統(tǒng)的能量平衡問題：溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)可方便實現(xiàn)蓄冷，系統(tǒng)中設(shè)置儲存溶液的容器，負荷小的時候儲存溶液，負荷大的時候用來除濕，從而減小了系統(tǒng)的容量和相應的投資；其單位體積蓄冷能力是冰蓄冷的2～5倍，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，無需其他保溫措施。

3.2 恒溫恒濕精密空調(diào)系統(tǒng)（二級控溫）

基于中央空調(diào)的溫度控制的前提下，通過技術(shù)方案設(shè)計，采取加強的精密空調(diào)機房保溫條件、溫濕度調(diào)節(jié)送回風管道的設(shè)計及保溫處理、加強電磁屏蔽室的隔熱保溫和增加超高精度溫濕度控制的微調(diào)手段等措施，實現(xiàn)內(nèi)部的節(jié)能保溫，將系統(tǒng)設(shè)計要求的二級控溫準確度指標由±0.5 ℃提高到±0.25 ℃，達到工作環(huán)境溫濕度指標的要求。

例如：鐘房實驗室溫控系統(tǒng)

中央空調(diào)系統(tǒng)（一級控溫）：（23±2）℃，精密恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)（二級溫控）（23±0.25）℃，具體實驗室分項明細見表2。

3.3 照明系統(tǒng)節(jié)能

1）燈管的發(fā)光效率

室驗室對燈管要求較高，主要指標有燈具的整體光效，地面照度要達到國家要求，無眩光無頻閃，顯色指數(shù)Ra需達到80以上甚至更高。

普通日光燈的發(fā)光效率大概是53 lm/W左右，LED日光燈（擴散罩）大概是80 lm/W左右，用透明罩的可高達97 lm/W，而且LED白光芯片發(fā)光效率仍在改善中，實驗級芯片已高達150 lm/W以上，其理論最高值可達450 lm/W。 再之，傳統(tǒng)日光燈是全方位（360°）發(fā)光，有一大部分浪費在背面，實際用于照明的總光量只有60%～65%；一般LED日光燈的發(fā)光角在120°～180°，基本上都是有效光。

表2 鐘房實驗室分項明細表

按此方法計算：

一個40 W（外加8 W鎮(zhèn)流器）的傳統(tǒng)燈的發(fā)光量為：53 lm/W×40 W×65%（有效發(fā)光）=1 378 lm。

一個 18 W的 LED燈的發(fā)光量為：80 lm/W×19 W（實耗）×100%（有效發(fā)光）=1 520 lm。

綜上所述，18 W的LED日光燈管的光效全面超過了40 W傳統(tǒng)燈管（實耗48 W），從照明上已經(jīng)可以勝任。

2）節(jié)能情況

見表3。

表3 節(jié)能情況比較

以商業(yè)用電1 kWh電費1元、24 h開燈來計算，LED日光管一年可比普通日光管省256元，比白熾燈省1594元。

4 結(jié)語

通過外部結(jié)構(gòu)節(jié)能、實驗室環(huán)境控制系統(tǒng)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)節(jié)能等措施在滿足電學計量檢測實驗室的建設(shè)要求的基礎(chǔ)上，也實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目標。加大科技創(chuàng)新力度，拓寬節(jié)能降耗思路，推廣應用成熟的新技術(shù)、新設(shè)備、新材料，能促進節(jié)能技術(shù)水平的不斷提高。加強節(jié)能降耗的宣傳力度和日常管理工作才是治本之舉，大力開展多種形式的宣傳教育，樹立節(jié)能意識，普及節(jié)能知識，提高全員對節(jié)能緊迫性重要性的認識，堅持“從我做起、從現(xiàn)在做起、從點滴做起”，增強全民族全社會的低碳環(huán)保意識，樹立節(jié)約資源的觀念，共同建設(shè)資源節(jié)約型社會。