空調系統節能技術在中國網通業務樓中的應用

張 哲

我國建筑用能已超過全國能源消費總量的1/4,并將隨著人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上。公共建筑用能數量巨大,浪費嚴重。工程設計人員在建筑設計中應用節能技術,有利于改善公共建筑的熱環境,提高暖通空調系統的能源利用效率,從根本上扭轉公共建筑用能嚴重浪費的狀況,為實現國家節約能源和環境保護的戰略,貫徹有關政策和法規做出應有的貢獻。

1 建筑概況

1.1 建筑基本信息

北京市通信公司綜合業務樓工程位于新改造的騾馬市大街與菜市口大街十字路口的東北部,本建筑為高層辦公樓,總建筑面積59 998 m2。本建筑地下3層、地上南樓15層、北樓8層,建筑總高度60 m。地下2層,3層為車庫和冷凍站、水泵房等設備用房,其中地下3層車庫戰時為人防物資庫;地下1層為變配電室、傳輸機房、廚房等附屬用房;首層、2層為電信博物館;3層中庭東側部分為報告廳;北樓3層,4層為會議室,5層,6層為辦公室,7層為餐廳,8層為多功能廳;南樓5層為職工俱樂部,6層～15層均為辦公室。

1.2 冷熱負荷需求

根據北京市室外氣象參數,經過計算,本工程夏季空調總冷負荷為6 645 kW,冬季空調總熱負荷為6 636 kW。

2 系統節能技術應用

2.1 變頻冷水機組的應用

2.1.1 冷水機組的設置

地下3層的冷凍站內設置兩臺離心式冷水機組,每臺制冷量為3 000 kW,冷凍水供回水溫度為6℃/11℃。另設置一臺螺桿式冷水機組,制冷量為700 kW,冷凍水供回水溫度為7℃/12℃。變風量空調系統的冷量由離心式冷水機組提供。螺桿式冷水機組負擔內區配電間的負荷,全年供冷,冬季工況時單獨運行,夏季及過渡季工況與兩臺離心式冷水機組聯合運行。

2.1.2 采用變頻冷水機組的意義

其中一臺離心式冷水機組和螺桿式冷水機組配變頻調速啟動裝置,以便于低負荷運行,節省能源。

在非額定工況時,變頻式離心冷水機組將導流葉片控制與變頻控制有機結合,共同控制壓縮機,既能擴大機組的運行范圍,又能達到良好的節能目的。變頻系統不同于普通變頻器的簡單控制,其了解冷水機組的運行情況,機組能測定現在的工作點,選擇相應的容量調節模式,并能準確預測離心機的喘振區,從而可以在10%～100%負荷范圍內絕對避免喘振的發生,允許機組在喘振點附近正常工作。一般說來,與定頻機組相比,采用變頻控制的離心機組每年可節約20%～30%的運行費用。

變頻式離心冷水機組可有效利用低溫冷卻水,提高機組的能效比。冷卻水溫度越低,電機允許的轉速越低,越節能。在有晝夜溫差和四季溫差,冷卻水溫度低于設計值,非額定工況下長時間運行時,采用變頻式離心冷水機組可達到節能目的。

變頻系統可實現真正的軟啟動。電機在不同電源頻率下,如果電壓/頻率比保持恒定,電機的扭矩和電流特性基本不變。配置變頻系統的機組在電機啟動時電源頻率調得很低,隨后頻率逐漸提高,電機單位電流的扭矩很高,而使啟動電流最小。啟動電流不會超過滿負荷電流(FLA),防止電源沖擊,增加了電機壽命。

離心式冷水機組的大部分噪聲是由制冷劑高速排氣造成的。變頻系統在機組部分負荷運行時降低壓縮機的轉速,從而降低了制冷劑氣體的速度,大大降低了機組噪聲。

2.2 VAV系統的應用

2.2.1 變風量系統概念及構成

與定風量空調系統一樣,變風量空調系統也是全空氣空調系統的一種形式。變風量空調系統,亦稱VAV系統(Variable Air Volume System),其工作原理是當空調房間負荷發生變化時,系統末端裝置自動調節送入房間的風量,確保房間溫度保持在設計要求范圍內。同時,空調機組將根據各末端裝置風量的變化,通過自動控制調節送風機的風量,達到節能的目的。

本工程變風量空調系統的主要設備包括串聯型風機動力型VAV末端裝置(Fan Powered Box,簡稱 FPB)、變風量集中空調機組、變風量空調樓宇自控系統等。

2.2.2 末端裝置的選擇

本工程選用的串聯型FPB是指在該變風量箱內一次風既通過一次風閥,又通過增壓風機。它將較低溫度的一次風同溫暖的頂棚內空氣混合成所需溫度的空氣送到空調房間內。一次風的溫度低、風量小,可使集中空調機組的規格和送回風管及其配件的尺寸減小,節省設備初投資費用和減少吊頂空間。串聯型FPB始終以恒定風量運行,因此適用于本工程需要一定換氣次數的大開間辦公室。

2.2.3 系統控制及風機變頻

本工程采用的是外區再熱型單風道變風量空調系統,其適用于進深較大,需要設置內、外區的大開間辦公室。從風系統來看,它與不分內、外區的單風道系統無多大區別。系統中各串聯型FPB按內、外區分別設置,外區串聯型FPB帶有熱水再熱盤管。

系統運行時,變風量集中空調機組為了滿足內區的要求,常年送冷風(即送風溫度低于空調房間的設計溫度),在冬季,外區需要供熱時,由外區串聯型FPB再熱盤管進行加熱,保證外區的溫度要求。

本工程變風量集中空調機組風機的電動機由變頻裝置驅動,可適應系統風量變化,達到節能之目的。其送風量根據系統中各房間的逐時負荷最大值確定;區域送風量按區域逐時負荷最大值確定;房間送風量按房間逐時負荷最大值確定。

2.3 排風能量回收新技術的應用

2.3.1 排風能量回收系統的意義

在空調負荷中,新風負荷占的比例很大,利用全熱交換器或顯熱交換器回收排風中的能量,節約新風負荷是空調系統節能的一項有利措施。

采用排風熱回收進行空氣處理,提供更加完善的空氣質量的同時,節省了大量能源的消耗,運行和維護簡單可靠,大量節省系統投資和運行費用。它滿足公共建筑節能設計標準的規定,在節省建筑能源消耗過程中,起到了很大的作用,成為解決我國日益嚴峻的能源與環境問題的有效途徑之一。

2.3.2 排風能量回收系統的分類

目前,我們在市場上常見的能量回收系統主要有以下幾種形式(見圖1)。

1)中間熱媒式熱回收。采用普通的盤管式換熱器,利用水泵驅動熱媒溶液作為介質在兩個換熱器中循環,實現能量的回收。中間熱媒通常為水,為了降低水的冰點,一般在水中加入一定比例的乙二醇。這種方式送排風完全隔離,在衛生場合應用較多。

2)叉流板式熱回收。這是一種靜止式熱交換器。通過相互錯排的換熱通道進行送風與回風熱交換。熱回收效率可達75%。從換熱原理上講,換熱介質逆流運動效率是最高的,但逆流換熱器的結構復雜而且難于實現氣密性,故常采用叉流交換方式。

3)熱管式熱回收。熱能通過蒸發器從外部熱源經管壁傳給工作流體,并流至凝結器,冷凝成液體,并將潛熱傳給外界冷源。冷凝后的液體通過吸液芯的毛細孔和溝槽返回至蒸發段,重新蒸發吸熱。

4)轉輪式熱回收。通過轉輪的旋轉,使送排風的熱量進行交換,從而達到能量回收的目的。其材質主要為鋁箔。轉輪由軸承支撐安裝在軸上,轉輪內交互式填充多層平直或波形鋁箔,以形成通風通道,使換熱器保持最高的換熱效率,在一定運行條件下,熱回收效率可達85%以上。

為了實現高效的能源回收,本工程變風量集中空調機組選用的即是回收效率較高的轉輪式熱回收方式。

利用排風進行能量回收可以有效降低整個空調系統的能源需求。以冬季為例,室外新風經過轉輪熱回收預熱后,溫度可以升高23.2℃,其節能效果詳見圖2。

2.3.3 一體化機組的設置

本工程選用的轉輪式熱回收機組配置的轉輪,可以處理的新風比例不是固定的30%或40%,而是在30%～100%范圍內任意可調,在不耗費更多能量的情況下,充分滿足室內的新風需求。

3 結語

民用建筑的供暖、通風與空氣調節系統工程量大面廣,其能耗在建筑總能耗中占有相當大的比例,為了大力推行和實施建筑節能,建設資源節約型社會和環境友好型社會,在工程建設中進一步貫徹落實建筑節能標準,工程設計人員應正確選擇和應用成熟的節能技術,進行建筑節能設計,以響應國家的政策和號召,達到合理有效地使用能源,促進能源、經濟與環境的協調和可持續性發展。

[1] 趙榮義.空氣調節[M].第3版.北京:中國建筑工業出版社,2007.

[2] 趙榮義.簡明空調設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

[3] 路延魁.空氣調節設計手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[4] 唐文波.變頻器在安裝中應注意的幾個問題[J].山西建筑,2008,34(16):185-186.

[5] GB 50189-2005,公共建筑節能設計標準[S].

[6] DBJ 01-621-2005,公共建筑節能設計標準[S].