廣東某藥品檢驗所通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及節(jié)能應(yīng)用

許穗民

廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司

0 引言

我國經(jīng)濟及科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展，并隨著市場監(jiān)督管理制度的完善，企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量控制嚴格，配套建設(shè)實驗室的需求激增。實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)是專業(yè)性較強的工藝設(shè)計，伴著對實驗室舒適性要求提高，實驗室通風(fēng)空調(diào)能耗也顯著提升，節(jié)能應(yīng)用空間較大。

以廣東某藥檢所項目為例，該項目通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)由辦公室及實驗室舒適性空調(diào)系統(tǒng)、實驗室新排風(fēng)系統(tǒng)、潔凈空調(diào)系統(tǒng)三部分組成。其中實驗室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)夏季冷負荷4604 kW，占大樓總冷負荷8556 kW的54%，因此，根據(jù)實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的特點，采取相應(yīng)節(jié)能措施，可有效減少新風(fēng)負荷，達到節(jié)能目的。

1 項目概況

大樓建筑總面積為31783 m2，地下2 層，地上11層，總建筑高度63.6m。地下1、2 層為車庫及設(shè)備房，地上11 層為各功能實驗室、辦公室、潔凈室等。

1～11 層辦公室及實驗室設(shè)置空調(diào)供冷/ 供暖系統(tǒng)，總冷負荷為7187 kW，總熱負荷為3225 kW，冷熱源采用螺桿蒸發(fā)式冷凝冷熱水機組（冷凍水溫采用7/12 ℃），共設(shè)兩個獨立的集中空調(diào)水系統(tǒng)：系統(tǒng)1 負擔大樓（除實驗室新風(fēng)外）負荷，系統(tǒng)2 負擔實驗室新風(fēng)負荷。

9～11 層潔凈室單獨設(shè)置一套集中空調(diào)系統(tǒng)，總冷負荷為1387 kW，總熱負荷為1352 kW，冷熱源采用風(fēng)冷螺桿式冷熱水機組（冷凍水溫采用7/12 ℃）。

大樓實驗室共劃分為33 套變風(fēng)量排風(fēng)系統(tǒng)且配套凈化裝置做廢氣處理（末端為通風(fēng)柜、萬向罩）；按7個區(qū)域劃分設(shè)置14 套變風(fēng)量新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，每個區(qū)域各設(shè)1 套高溫新風(fēng)（送風(fēng)溫度26 ℃）系統(tǒng)及1 套低溫新風(fēng)（送風(fēng)溫度18.5 ℃）系統(tǒng)。

2 主要應(yīng)用技術(shù)與節(jié)能分析

2.1 實驗室夏季分設(shè)高低溫新風(fēng)系統(tǒng)

大樓空調(diào)負荷（除潔凈室空調(diào)外）主要由以下幾部分組成：圍護結(jié)構(gòu)負荷，人員負荷，照明負荷，設(shè)備負荷及新風(fēng)負荷等[1]。

其中辦公室新風(fēng)量取保證人員最小需求的新風(fēng)量，而實驗室新風(fēng)量則根據(jù)運行模式可分為：房間人員最小新風(fēng)量，實驗室6 次/h 的最低通風(fēng)換氣要求，通風(fēng)柜開啟時的補風(fēng)量。

實驗室圍護結(jié)構(gòu)負荷、人員負荷、照明負荷、設(shè)備負荷等合計2565 kW，占大樓空調(diào)負荷7187 kW（除潔凈室空調(diào)系統(tǒng)外）的36%，節(jié)能潛力較低。實驗室夏季新風(fēng)冷負荷4604 kW 占大樓空調(diào)負荷（除潔凈室空調(diào)系統(tǒng)外）7187 kW 的比例高達64%，是該大樓常規(guī)人員新風(fēng)負荷558 kW 的8.3 倍，可見實驗室新風(fēng)負荷的節(jié)能潛力較大，把節(jié)能技術(shù)的研究重點落在實驗室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價值。

根據(jù)以上的負荷特性及實驗設(shè)備運行規(guī)律，本項目實驗室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計為：夏季采用高、低溫兩套新風(fēng)系統(tǒng)同時供給（圖1）。低溫新風(fēng)系統(tǒng)（送風(fēng)溫度18.5 ℃）滿足空調(diào)房間人員最小新風(fēng)量、同時保證實驗室最低通風(fēng)換氣次數(shù)。高溫新風(fēng)系統(tǒng)（送風(fēng)溫度26 ℃）則滿足通風(fēng)柜開啟時的補風(fēng)要求，同時保證房間壓差。低溫新風(fēng)系統(tǒng)總新風(fēng)量為195000 m3/h，高溫新風(fēng)系統(tǒng)總新風(fēng)量為250000 m3/h。

圖1 新/排風(fēng)系統(tǒng)示意圖

實驗室低溫新風(fēng)系統(tǒng)處理到室內(nèi)等濕度線上（機器露點取95%），室內(nèi)冷負荷及最小換氣要求（衛(wèi)生、人員新風(fēng)量）的新風(fēng)冷負荷由風(fēng)機盤管及低溫新風(fēng)系統(tǒng)共同承擔，室內(nèi)濕負荷均由風(fēng)機盤管系統(tǒng)承擔。

通風(fēng)柜及萬向罩等實驗設(shè)備工作時，開啟高溫新風(fēng)系統(tǒng)，高溫新風(fēng)處理到室內(nèi)等濕度線上（機器露點取95%），再經(jīng)顯熱回收機組處理至室內(nèi)設(shè)計溫度26 ℃送風(fēng)。該部分新風(fēng)冷負荷及濕負荷均由新風(fēng)換熱組合機組承擔。

2.2 實驗室夏季高溫新風(fēng)系統(tǒng)采用新風(fēng)機組與換熱機組聯(lián)合運行的熱交換技術(shù)

實驗室夏季高溫（送風(fēng)溫度26 ℃）新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用新風(fēng)機組與換熱機組聯(lián)合運行模式（新風(fēng)換熱組合機組）：室外引入的新風(fēng)經(jīng)過換熱機組預(yù)冷卻，然后由新風(fēng)機組冷卻除濕處理，新風(fēng)機組出口的低溫新風(fēng)（t=18.5 ℃，φ=95%）再進入換熱機組，把部分冷量傳遞給室外引入的新風(fēng)，提高送風(fēng)溫度（26 ℃）再送入室內(nèi)，確保實驗設(shè)備運行的新風(fēng)量要求，同時也保證了室內(nèi)環(huán)境的舒適度與溫度穩(wěn)定性。

利用新風(fēng)自身熱量的交換，使通過換熱機組預(yù)冷處理的新風(fēng)冷負荷減少，降低制冷系統(tǒng)能耗。換熱機組的另一側(cè)，則是讓送入室內(nèi)的新風(fēng)得到室外引入新風(fēng)的“自身”再熱處理，可以節(jié)省其他再熱能源，避免能源浪費。

冬季工況則通過閥門切換關(guān)斷換熱模塊，減少阻力損失，新風(fēng)經(jīng)過新風(fēng)空調(diào)機組處理后直接送入室內(nèi)。

2.2.1 夏季新風(fēng)系統(tǒng)處理流程圖及i-d 圖

圖2 為高溫新風(fēng)（26 ℃）系統(tǒng)處理流程圖，圖3、4為常規(guī)新風(fēng)（18.5 ℃露點送風(fēng)）與高溫新風(fēng)（26 ℃）處理過程i-d 圖。

圖2 高溫新風(fēng)（26 ℃）系統(tǒng)處理流程圖

圖3 常規(guī)新風(fēng)（18.5 ℃露點送風(fēng)）處理過程i-d 圖

圖4 高溫新風(fēng)（26 ℃）處理過程i-d 圖

2.2.2 公式及狀態(tài)點

1）計算公式：新風(fēng)與回風(fēng)量相同時，顯熱交換的效率：

本案例計算中，顯熱交換效率取值ηt=60%[2]。

2）處理過程空氣狀態(tài)點

室外空氣計算參數(shù)：tg=34.2 ℃，ts=27.8 ℃；室內(nèi)空氣設(shè)計參數(shù)：tg=26 ℃，φ=60%。

表1 為常規(guī)新風(fēng)（18.5 ℃露點送風(fēng)）處理過程空氣狀態(tài)點。

表1 常規(guī)新風(fēng)（18.5 ℃露點送風(fēng)）處理過程空氣狀態(tài)點

由顯熱交換效率公式，預(yù)冷后的新風(fēng)最低為t=tw-(tw-tl)×60%=34.2-(34.2-18.5)×0.6=24.78 ℃，低于室外新風(fēng)的露點溫度，為冷卻除濕處理過程（已考慮冷凝排水）；送風(fēng)狀態(tài)最大可處理至to=t1+(tw-tl)×60%=18.5+(34.2-18.5)×0.6=27.9 ℃，而實際需求為再熱至26 ℃，通過電動風(fēng)閥開度調(diào)節(jié)高低溫新風(fēng)的混風(fēng)比，可達到26 ℃送風(fēng)狀態(tài)，根據(jù)能量守恒定律，G×(hN-hL)=G×(hw-hw’)，得到表2 各空氣狀態(tài)點。

表2 高溫新風(fēng)（26 ℃）處理過程空氣狀態(tài)點

2.2.3 節(jié)能分析

高溫（送風(fēng)溫度26 ℃）新風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量為L1=250000 m3/h，占實驗室總新風(fēng)量的56.2%；低溫（送風(fēng)溫度18.5 ℃）新風(fēng)系統(tǒng)總風(fēng)量為L2=195000 m3/h，占實驗室總新風(fēng)量的43.8%。

1）高溫新風(fēng)系統(tǒng)總質(zhì)量流量：

低溫新風(fēng)系統(tǒng)總質(zhì)量流量：

低溫新風(fēng)系統(tǒng)采用冷卻除濕處理后送風(fēng)，所需總制冷量為:

按本項目蒸發(fā)冷凝冷水機組COP=4.2，折合為所需制冷功率：

低溫新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)系統(tǒng)能耗（全壓800 Pa，余壓500 Pa，風(fēng)機全壓效率按70%，機械效率按100%）：

2）假設(shè)高溫系統(tǒng)采用常規(guī)的處理方式：冷卻除濕+再熱至26 ℃送風(fēng)，則高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需的總制冷量具體為：

按本項目蒸發(fā)冷凝冷水機組COP=4.2，折合為所需制冷功率：

高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需總再熱量為：

假設(shè)再熱處理的熱源采用風(fēng)冷熱泵機組，COPh=3.5，折合為所需制熱功率：

高溫新風(fēng)的風(fēng)系統(tǒng)能耗（全壓800 Pa，余壓500 Pa，風(fēng)機全壓效率按70%，機械效率按100%）：

3）高溫新風(fēng)系統(tǒng)采用新風(fēng)機組與換熱機組聯(lián)合運行的熱交換技術(shù)，則高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需總制冷量為

按本項目蒸發(fā)冷凝冷水機組COP=4.2，折合為所需制冷功率:

高溫新風(fēng)系統(tǒng)由新風(fēng)自身提供再熱量，無需其他再熱熱源。

高溫新風(fēng)的風(fēng)系統(tǒng)能耗（由于增設(shè)換熱模塊，查詢廠商提供的數(shù)據(jù)，增加的壓力損失按150 Pa×2 考慮，即全壓'=800+150×2 Pa，余壓500 Pa，風(fēng)機全壓效率按70%，機械效率按100%）：

由以上計算可得，高溫新風(fēng)系統(tǒng)采用新風(fēng)機組與換熱機組聯(lián)合運行的熱交換技術(shù)與采用常規(guī)的冷卻除濕+再熱處理方式對比：

可節(jié)約總制冷量650 kW，占常規(guī)處理高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需總制冷量3235 kW 的20%。

可節(jié)約制熱量650 kW，占常規(guī)處理高溫新風(fēng)系統(tǒng)所需制熱量390 kW 的100%。

可節(jié)約耗電功率：N=(770+185.7+79.365)-(616+109.127)=309.938 kW，占常規(guī)處理高溫新風(fēng)系統(tǒng)耗電功率（770+185.7+79.365=1035.065 kW）的30%，占實驗室總新風(fēng)系統(tǒng)耗電功率（1035.065+601+61.905=1698 kW）的18.3%。即采用新風(fēng)機組與換熱機組聯(lián)合運行模式的高溫新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能率為30%，實驗室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率為18.3%。

2.3 采用先進的實驗室變風(fēng)量通風(fēng)控制技術(shù)

實驗室排風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)機采用管道靜壓變頻控制，控制器將持續(xù)監(jiān)測管道靜壓，通過調(diào)整風(fēng)機轉(zhuǎn)速來恒定靜壓。通風(fēng)柜的面風(fēng)速控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置值持續(xù)地監(jiān)測實際面風(fēng)速，并通過風(fēng)閥開度調(diào)整風(fēng)量以恒定面風(fēng)速設(shè)定值，整體為閉路控制。

面風(fēng)速控制值根據(jù)占用情況自動調(diào)整，系統(tǒng)通過紅外線檢測器實現(xiàn)當通風(fēng)柜前有操作人員工作時面風(fēng)速控制在某一設(shè)定值，當通風(fēng)柜前無人操作時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換至低速設(shè)定檔以節(jié)省運行費用。出現(xiàn)異常情況時，緊急鍵將驅(qū)動風(fēng)閥開度最大，該模式下啟用最大排風(fēng)量，不受面風(fēng)速值的控制。

實驗室新風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)房間使用特點分別采用直接壓差控制及流量差控制兩種變風(fēng)量控制方式。

2.3.1 房間流量差控制系統(tǒng)

運行原理：持續(xù)地監(jiān)測實驗室的排風(fēng)風(fēng)量與送新風(fēng)風(fēng)量的流量差，調(diào)整新風(fēng)送風(fēng)量，確保風(fēng)量差控制在設(shè)定的范圍下運行。

使用范圍：適用于實驗室使用規(guī)范較差或泄露率較高很難維持房間的壓差，本項目應(yīng)用于通風(fēng)柜為文丘里閥的實驗室及部分大套間開放實驗室。

2.3.2 房間壓差控制系統(tǒng)

運行原理：持續(xù)地監(jiān)測實驗室與走廊的壓差，調(diào)整新風(fēng)的風(fēng)量，確保實驗室在設(shè)定的壓差范圍下運行。

使用范圍：適用于對壓差要求較高，排風(fēng)腐蝕較大及管道較復(fù)雜，對實驗室使用要求規(guī)范的房間，本項目應(yīng)用于實驗室門需關(guān)閉的房間等其他非流量差控制系統(tǒng)實驗室。

3 結(jié)語

實驗室夏季采用高、低溫兩套新風(fēng)系統(tǒng)同時供給的方式，與實驗室運行規(guī)律相匹配，在滿足衛(wèi)生及舒適的前提下，實現(xiàn)按需供冷，可最大限度節(jié)約實驗室通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)能耗。夏季高溫新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)采用新風(fēng)空調(diào)機組與換熱機組聯(lián)合運行模式，通過新風(fēng)自身熱量的交換，免去再熱能耗，并給新風(fēng)預(yù)冷卻，節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)運行能耗。應(yīng)用該節(jié)能技術(shù)，高溫新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能率為30%。實驗室新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率為18.3%，該值跟高溫新風(fēng)量的比例有關(guān)，高溫新風(fēng)量設(shè)計越大，節(jié)能優(yōu)勢越突出。采用先進的實驗室變風(fēng)量通風(fēng)控制技術(shù)，根據(jù)實驗室實際運行情況調(diào)節(jié)新/排風(fēng)量，具有高品質(zhì)的控制性能和可靠的安全性，也是節(jié)能應(yīng)用必要手段。