實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(lái)越多的試驗(yàn)室、藥廠、化工企業(yè)等既有建筑亟需對(duì)集中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造。本文以美國(guó)德州農(nóng)工高校（TexasA&MUniversity）某綜合試驗(yàn)樓節(jié)能技術(shù)改造工程為例，介紹試驗(yàn)樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)常見(jiàn)的運(yùn)行和限制問(wèn)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(duì)我國(guó)同類試驗(yàn)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(jià)值?；痦?xiàng)目：基金項(xiàng)目：江蘇省建設(shè)廳科技項(xiàng)目（編號(hào)JS2007JH01）作者簡(jiǎn)介：劉成剛（1958－），男，副教授，工學(xué)碩士，1998年～2006年美國(guó)德州農(nóng)工高校高級(jí)訪問(wèn)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(yàn)室建筑；建筑節(jié)能；通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化在我國(guó)的民用和工業(yè)建筑中，試驗(yàn)室、藥廠、化工企業(yè)等建筑的高能耗問(wèn)題特別突出，因?yàn)檫@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(yùn)行的平安性和牢靠性，卻往往忽視了其能耗問(wèn)題。本文以美國(guó)德州農(nóng)工高校（TexasA&MUniversity）某綜合試驗(yàn)樓節(jié)能技術(shù)改造工程為例，介紹試驗(yàn)樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)常見(jiàn)的運(yùn)行和限制問(wèn)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(duì)我國(guó)同類試驗(yàn)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(jià)值。試驗(yàn)樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)案例簡(jiǎn)介美國(guó)德州農(nóng)工高校內(nèi)一綜合試驗(yàn)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(gè)動(dòng)物標(biāo)本室和計(jì)算機(jī)房，一樓主要為教室，二樓為物理試驗(yàn)室，三樓為辦公用房，四樓是化學(xué)試驗(yàn)室，總建筑面積約為8，600m2。該綜合試驗(yàn)樓共有12臺(tái)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(jì)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(tái)空調(diào)機(jī)組均為當(dāng)?shù)貧鈩?dòng)限制：AHU-4和AHU-7分別服務(wù)地下室的計(jì)算機(jī)房和動(dòng)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(tái)新風(fēng)機(jī)組，向AHU-3、AHU-8、AHU-11和AHU-12供處理過(guò)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(yàn)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(tái)排風(fēng)機(jī)，其中36臺(tái)用于四樓化學(xué)試驗(yàn)室排風(fēng)，其余10臺(tái)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(yùn)行。該試驗(yàn)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(tái)二級(jí)冷凍水泵和兩臺(tái)二級(jí)熱水泵。通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題和優(yōu)化解決方案在經(jīng)過(guò)多年運(yùn)用之后，該樓工作人員對(duì)樓內(nèi)人工環(huán)境的埋怨時(shí)常發(fā)生。另外，依據(jù)能耗監(jiān)測(cè)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(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了全面完整的檢測(cè)，并據(jù)此實(shí)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(guò)程中發(fā)覺(jué)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題和解決方案如下：用于四樓化學(xué)試驗(yàn)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(yùn)。運(yùn)行管理人員反映：假如開(kāi)補(bǔ)風(fēng)機(jī)組大量室外空氣會(huì)進(jìn)入試驗(yàn)室，使試驗(yàn)室夏季室內(nèi)溫度上升，冬季室內(nèi)溫度下降。經(jīng)過(guò)細(xì)致檢查發(fā)覺(jué)造成這一問(wèn)題的真正緣由是許多化學(xué)試驗(yàn)室的排風(fēng)機(jī)沒(méi)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(kāi)啟補(bǔ)風(fēng)機(jī)組；達(dá)到四樓化學(xué)試驗(yàn)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(kāi)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(lái)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(dòng)限制，表冷器限制閥的限制器失靈導(dǎo)致閥門處于常開(kāi)狀態(tài)。該新風(fēng)機(jī)組的送風(fēng)設(shè)計(jì)溫度為15?C，但事實(shí)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(jì)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(kāi)啟狀態(tài)。這導(dǎo)致送風(fēng)溫度過(guò)高，同時(shí)須要額外的冷量來(lái)抵消這一熱量。在檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)關(guān)閉加熱盤管的手動(dòng)閥，送風(fēng)溫度則由原來(lái)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(dòng)溫控器限制，檢測(cè)發(fā)覺(jué)在總數(shù)87個(gè)溫控器當(dāng)中有34個(gè)須要校對(duì)，36個(gè)須要更換。表1給出了溫控器檢測(cè)和修理狀況。表1一至四樓末端裝置檢測(cè)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(duì)數(shù)1647734需更換數(shù)9109836解決方案：校對(duì)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(jiàn)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(gè)夏季都是13?C，這個(gè)溫度值是設(shè)計(jì)值，即滿足最大設(shè)計(jì)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(shí)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(jiàn)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(duì)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(jiàn)表4。周末和晚上樓內(nèi)人員較少，送風(fēng)靜壓見(jiàn)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(gè)強(qiáng)大的能量數(shù)據(jù)庫(kù)（LoanSTAR數(shù)據(jù)庫(kù)），收集、存儲(chǔ)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(yàn)樓節(jié)能改造前后的能耗數(shù)據(jù)即取自該數(shù)據(jù)庫(kù)。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(shí)3個(gè)多月。為了更好地說(shuō)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(cè)狀況。節(jié)能改造前（Pre-CC）的數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)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(cè)（CCFollow-up）的數(shù)據(jù)時(shí)段為2004年1月1日至2004年8月23日。通過(guò)對(duì)這些能耗數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論：該試驗(yàn)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(lái)自“無(wú)、低費(fèi)”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(dòng)試驗(yàn)室補(bǔ)風(fēng)機(jī)組等?！盁o(wú)、低費(fèi)”節(jié)能技術(shù)的主要特點(diǎn)是：成本低，投資回報(bào)快，一般不超過(guò)6個(gè)月。曾有人對(duì)以優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行為主的“無(wú)、低費(fèi)”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(guò)不了幾年能耗還會(huì)回到原來(lái)的水平，對(duì)節(jié)能來(lái)說(shuō)不如接受“中、高費(fèi)”方案（如更換大型設(shè)備）實(shí)現(xiàn)一勞永逸。由圖1和圖2可以看出，這種擔(dān)憂是沒(méi)必要的：試驗(yàn)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?jī)煞矫妫┤曰颈３衷?000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(yǔ)國(guó)外綜合試驗(yàn)樓節(jié)能改造實(shí)例及其節(jié)能量分析說(shuō)明，以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化為主的“無(wú)、低費(fèi)”節(jié)能技術(shù)（節(jié)能方案）的節(jié)能效果顯著、見(jiàn)效快。這種技術(shù)除包括對(duì)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(duì)能耗限制系統(tǒng)的綜合優(yōu)化，這對(duì)我國(guó)同類建筑的節(jié)能改造也具有較好的參考價(jià)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(dú)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(yàn)室節(jié)能限制方案．暖通空調(diào)[J]，2009，5：147-149OptimizationandAnalysisofVentilationandAirConditioningSystemsforaLaboratoryChenggangLiu, 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