實驗室建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制與節(jié)能分析

/試驗室建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化限制和節(jié)能分析摘要： 為更好地滿足建筑內(nèi)舒適、健康、平安的人工環(huán)境以及生產(chǎn)工藝的要求并達(dá)到節(jié)能降耗，越來越多的試驗室、藥廠、化工企業(yè)等既有建筑亟需對集中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。本文以美國德州農(nóng)工高校（TexasA&MUniversity）某綜合試驗樓節(jié)能技術(shù)改造工程為例，介紹試驗樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)常見的運行和限制問題、技術(shù)解決方案、節(jié)能效果以及節(jié)能效果的可持續(xù)性。該課題的探討對我國同類試驗室、藥廠、化工企業(yè)等建筑節(jié)能技術(shù)改造、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化以及關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)的研發(fā)具有確定的參考價值?；痦椖浚夯痦椖浚航K省建設(shè)廳科技項目（編號JS2007JH01）作者簡介：劉成剛（1958－），男，副教授，工學(xué)碩士，1998年～2006年美國德州農(nóng)工高校高級訪問學(xué)者，主要從事建筑節(jié)能技術(shù)與DSM探討。關(guān)鍵詞：試驗室建筑；建筑節(jié)能；通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化在我國的民用和工業(yè)建筑中，試驗室、藥廠、化工企業(yè)等建筑的高能耗問題特別突出，因為這類建筑大多設(shè)有集中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以滿足健康、平安的人工環(huán)境和生產(chǎn)工藝的要求。人們都比較關(guān)注這類建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運行的平安性和牢靠性，卻往往忽視了其能耗問題。本文以美國德州農(nóng)工高校（TexasA&MUniversity）某綜合試驗樓節(jié)能技術(shù)改造工程為例，介紹試驗樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)常見的運行和限制問題、技術(shù)解決方案、節(jié)能效果以及節(jié)能效果的可持續(xù)性，這些探討成果對我國同類試驗室、藥廠、化工企業(yè)等建筑的節(jié)能技術(shù)改造、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化以及關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)的研發(fā)具有確定的參考價值。試驗樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)案例簡介美國德州農(nóng)工高校內(nèi)一綜合試驗樓建于上世紀(jì)80年頭，是帶有一層地下室的四層建筑，地下室包括一個動物標(biāo)本室和計算機(jī)房，一樓主要為教室，二樓為物理試驗室，三樓為辦公用房，四樓是化學(xué)試驗室，總建筑面積約為8，600m2。該綜合試驗樓共有12臺空調(diào)機(jī)組（AHU）。AHU-3、AHU-8、AHU-11和AHU-12是單風(fēng)道變風(fēng)量末端再熱空調(diào)機(jī)組，并由計算機(jī)遠(yuǎn)程限制，分別服務(wù)于一至四樓的主體部分；其余8臺空調(diào)機(jī)組均為當(dāng)?shù)貧鈩酉拗疲篈HU-4和AHU-7分別服務(wù)地下室的計算機(jī)房和動物標(biāo)本室，AHU-5和AHU-6服務(wù)于一樓的階梯教室，AHU-9和AHU-10服務(wù)于三樓的階梯教室，AHU-2是一臺新風(fēng)機(jī)組，向AHU-3、AHU-8、AHU-11和AHU-12供處理過的室外空氣，AHU-1是只帶熱水加熱盤管的補(bǔ)風(fēng)（通風(fēng)）機(jī)組，向四樓化學(xué)試驗室的通風(fēng)柜和吊式排風(fēng)罩供應(yīng)室外空氣。該樓屋頂頂上裝有46臺排風(fēng)機(jī)，其中36臺用于四樓化學(xué)試驗室排風(fēng)，其余10臺用于衛(wèi)生間和其它房間排風(fēng)，樓內(nèi)空調(diào)機(jī)組和排風(fēng)機(jī)常年不間斷運行。該試驗樓的冷凍水和供熱熱水由校內(nèi)內(nèi)冷熱水管網(wǎng)供應(yīng)，并設(shè)有兩臺二級冷凍水泵和兩臺二級熱水泵。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)存在的問題和優(yōu)化解決方案在經(jīng)過多年運用之后，該樓工作人員對樓內(nèi)人工環(huán)境的埋怨時常發(fā)生。另外，依據(jù)能耗監(jiān)測系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)顯示，該樓的空調(diào)用冷量、供熱量和用電量均超高。因此，在2000年3月和4月對通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了全面完整的檢測，并據(jù)此實行了維護(hù)和限制系統(tǒng)的優(yōu)化措施。在這次節(jié)能技術(shù)改造過程中發(fā)覺系統(tǒng)存在的主要問題和解決方案如下：用于四樓化學(xué)試驗室排風(fēng)柜的補(bǔ)風(fēng)機(jī)組AHU-1從1995年至2000年始終停運。運行管理人員反映：假如開補(bǔ)風(fēng)機(jī)組大量室外空氣會進(jìn)入試驗室，使試驗室夏季室內(nèi)溫度上升，冬季室內(nèi)溫度下降。經(jīng)過細(xì)致檢查發(fā)覺造成這一問題的真正緣由是許多化學(xué)試驗室的排風(fēng)機(jī)沒有正常工作，如有些排風(fēng)機(jī)的皮帶日久松弛，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，排風(fēng)量削減；而有些風(fēng)機(jī)的皮帶斷裂脫落，電機(jī)轉(zhuǎn)，但風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)；另外，補(bǔ)風(fēng)機(jī)風(fēng)量限制閥被卡住，不能調(diào)整風(fēng)量，這些都致使排風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于補(bǔ)風(fēng)量，大量室外空氣滯留在室內(nèi)。解決方案：更換排風(fēng)機(jī)皮帶；修復(fù)補(bǔ)風(fēng)機(jī)風(fēng)量限制閥；開啟補(bǔ)風(fēng)機(jī)組；達(dá)到四樓化學(xué)試驗室的空氣平衡。新風(fēng)機(jī)組AHU-2的預(yù)熱盤管限制閥失靈，并處于開啟狀態(tài)。導(dǎo)致空氣在夏季照舊被不必要的加熱，不僅奢侈大量的熱量，而且須要額外的冷量來抵消加熱。解決方案：更換預(yù)熱盤管限制閥。新風(fēng)機(jī)組AHU-2是氣動限制，表冷器限制閥的限制器失靈導(dǎo)致閥門處于常開狀態(tài)。該新風(fēng)機(jī)組的送風(fēng)設(shè)計溫度為15?C，但事實上可達(dá)到10?C，這增加了冷量的消耗。解決方案：更換限制器，并將送風(fēng)溫度設(shè)定在設(shè)計值15?C。服務(wù)于階梯教室的空調(diào)機(jī)組AHU-6的加熱盤管熱水限制閥失靈，并處于開啟狀態(tài)。這導(dǎo)致送風(fēng)溫度過高，同時須要額外的冷量來抵消這一熱量。在檢測過程中，當(dāng)關(guān)閉加熱盤管的手動閥，送風(fēng)溫度則由原來的20?C下降到13?C。解決方案：更換加熱盤管熱水限制閥。房間溫度由氣動溫控器限制，檢測發(fā)覺在總數(shù)87個溫控器當(dāng)中有34個須要校對，36個須要更換。表1給出了溫控器檢測和修理狀況。表1一至四樓末端裝置檢測和修理狀況Table1樓層1層2層3層4層總數(shù)末端溫控器總數(shù)2518232187需校對數(shù)1647734需更換數(shù)9109836解決方案：校對和更換失靈的溫控器。冷凍水泵的電機(jī)由變頻器限制，使冷凍水系統(tǒng)供回水壓差滿足空調(diào)負(fù)荷變更的須要。優(yōu)化前依據(jù)冷凍水流量供回水壓差設(shè)在100kpa～370kpa，偏高；優(yōu)化后的供回水壓差則是依據(jù)室外溫度設(shè)在35kpa～175kpa，見表2。由于供回水壓差降低了，節(jié)約了水泵電機(jī)用電量。表2冷凍水供回水壓差和室外溫度關(guān)系Table2室外溫度(?C)<10162228>34優(yōu)化壓差(kpa)3570105140175優(yōu)化前AHU-3、AHU-8、AHU-11和AHU-12的送風(fēng)溫度在整個夏季都是13?C，這個溫度值是設(shè)計值，即滿足最大設(shè)計負(fù)荷要求。但從節(jié)能角度考慮，送風(fēng)溫度應(yīng)當(dāng)隨空調(diào)負(fù)荷變更，即在部分負(fù)荷時適當(dāng)提高送風(fēng)溫度，以節(jié)約冷量。優(yōu)化后的送風(fēng)溫度和室外溫度間的關(guān)系見表3。表3冷風(fēng)道溫度設(shè)定值和室外溫度的關(guān)系Table3室外溫度(?C)<152025>30送風(fēng)溫度(?C)16151413空調(diào)機(jī)組AHU-3、AHU-8、AHU-11和AHU-12風(fēng)機(jī)設(shè)有變頻器，優(yōu)化前送風(fēng)靜壓限制值為0.68kpa，這確定值對和大多數(shù)部分負(fù)荷狀況下是偏高的。優(yōu)化后的送風(fēng)靜壓和室外溫度的關(guān)系見表4。周末和晚上樓內(nèi)人員較少，送風(fēng)靜壓見表5。由于靜壓降低了，風(fēng)機(jī)的用電量也隨之降低。表4送風(fēng)靜壓值和室外溫度的關(guān)系Table4室外溫度(?C)5152128送風(fēng)靜壓(kpa)AHU-30.250.320.320.37AHU-80.370.500.500.62AHU-110.370.500.500.74AHU-120.440.570.570.70表5周末和夜晚的送風(fēng)靜壓值Table5空調(diào)機(jī)組AHU-3AHU-8AHU-11AHU-12送風(fēng)靜壓(kpa)0.250.370.370.44節(jié)能量分析和節(jié)能效果的可持續(xù)性德州農(nóng)工高校共有200多棟建筑，學(xué)校能源辦擁有一個強(qiáng)大的能量數(shù)據(jù)庫（LoanSTAR數(shù)據(jù)庫），收集、存儲和分析大部分建筑的能耗狀況，包括冷凍水能耗、供熱熱水能耗和用電量等，綜合試驗樓節(jié)能改造前后的能耗數(shù)據(jù)即取自該數(shù)據(jù)庫。節(jié)能改造從2000年3月20日起先，2000年6月30日結(jié)束，歷時3個多月。為了更好地說明通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的節(jié)能效果和可持續(xù)性，圖1和圖2分別給出了節(jié)能改造前后冷凍水能耗和電耗以及改造后第4年相應(yīng)能耗監(jiān)測狀況。節(jié)能改造前（Pre-CC）的數(shù)據(jù)時段為1999年1月1日至2000年3月20日；節(jié)能改造后（Post-CC）的數(shù)據(jù)時段為2000年4月20日至2000年6月30日；節(jié)能改造后第4年檢測（CCFollow-up）的數(shù)據(jù)時段為2004年1月1日至2004年8月23日。通過對這些能耗數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論：該試驗樓的節(jié)能技術(shù)改造的節(jié)能效果明顯。其中冷凍水平均每天節(jié)能21x106kJ（20mmBtu/day），約占每日總量25%；每天節(jié)電約1500kWh，約為每日總電量20%，總體節(jié)能效果在20%以上。該節(jié)能成果都是來自“無、低費”節(jié)能技術(shù)，包括：新的優(yōu)化限制程序、空氣平衡、修理限制閥、更換溫控器以及啟動試驗室補(bǔ)風(fēng)機(jī)組等?！盁o、低費”節(jié)能技術(shù)的主要特點是：成本低，投資回報快，一般不超過6個月。曾有人對以優(yōu)化系統(tǒng)運行為主的“無、低費”節(jié)能技術(shù)（節(jié)能方案）的許久性持懷疑看法，認(rèn)為改造后過不了幾年能耗還會回到原來的水平，對節(jié)能來說不如接受“中、高費”方案（如更換大型設(shè)備）實現(xiàn)一勞永逸。由圖1和圖2可以看出，這種擔(dān)憂是沒必要的：試驗樓改造4年后的2004年，其節(jié)能量（包括冷凍水和電能節(jié)約量兩方面）仍基本保持在2000年技術(shù)改造剛完成后的水平。圖1節(jié)能技術(shù)改造前后冷凍水能耗與室外空氣溫度的關(guān)系Figure1圖1節(jié)能技術(shù)改造前后冷凍水能耗與室外空氣溫度的關(guān)系Figure1圖2節(jié)能技術(shù)改造前后用電量電與室外空氣溫度的關(guān)系Figure2結(jié)語國外綜合試驗樓節(jié)能改造實例及其節(jié)能量分析說明，以對系統(tǒng)運行優(yōu)化為主的“無、低費”節(jié)能技術(shù)（節(jié)能方案）的節(jié)能效果顯著、見效快。這種技術(shù)除包括對建筑能耗系統(tǒng)的正常維護(hù)、更換失靈限制器和限制閥等措施外，更主要的是對能耗限制系統(tǒng)的綜合優(yōu)化，這對我國同類建筑的節(jié)能改造也具有較好的參考價值。參考文獻(xiàn)C.Liu,S.Deng,H.Bruneretal．TheTemperatureandRelativeHumidityControlinCushingLibrary．The2ndICEBOInternationalConferenceonEnhanceBuildingoperation,Dallas,TX,Oct.,2002W.D.Turner,D.E.Claridge,S.Deng,S.Cho,etal．PersistenceofSavingsObtainedfromContinuousCommissioningSM．NationalConferenceonBuildingCommissioning,SanFrancisco,CA,2001劉拴強(qiáng),劉曉華,江億．溫濕度獨立限制空調(diào)系統(tǒng)在醫(yī)院建筑中的應(yīng)用[J]．暖通空調(diào)，2009,4：68-73宋清弟．綜合辦公大樓中心空調(diào)整能措施的經(jīng)濟(jì)效益分析．制冷和空調(diào)[J]，2009，1：61-63蔣普生,許學(xué)年,張韋達(dá)等．某生物平安試驗室節(jié)能限制方案．暖通空調(diào)[J]，2009，5：147-149OptimizationandAnalysisofVentilationandAirConditioningSystemsforaLaboratoryChenggangLiu, 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