二次回風空調系統在某體育館工程中的應用

廖樂陽 劉欽 郭金龍

中建八局西南分公司

大型劇場、體育館類建筑的觀眾席具有空間大、高差大等特點。采用常規的上送風等氣流組織形式，往往難以取得理想的空調效果；而座椅送風等置換通風空調系統可以獲得良好的溫度分布和氣流組織，實現分層空調，節省空調能耗[1]。座椅下送風的出風口離人體較近，送風溫度不宜過低，一般送風溫差不超過5°C。與一次回風系統相比，二次回風系統利用室內回風提高送風溫度，省去再熱過程，是一種節能的空調系統，但是其控制策略與系統比較復雜。實際工程中，由于控制系統的設計或運行方法不合理，系統的節能效果往往較差，甚至導致空調參數偏離設計要求。

1 一/二次回風系統特點

一次回風系統和二次回風系統都屬于全空氣集中式空調系統，是出現最早、最基本、最典型的空調系統[2]。一次回風系統的回風與新風在熱濕處理設備前完成混合，而二次回風系統的新風與回風在熱濕處理設備前混合并經過處理后再次與回風進行混合。就適用范圍而言，一次回風系統適用于室內散濕量大、送風溫差大的場合，比二次回風系統使用更廣泛；二次回風系統的控制系統更為復雜，但是更適合室溫波動小、潔凈級別更高的空調系統[3]。

2 一/二次回風空調系統運行能耗比較

2.1 夏季工況

圖1 為一、二次回風空調夏季工況焓濕圖。

圖1 一、二次回風夏季工況焓濕圖

夏季工況下，采用一次回風系統的熱平衡方程為Q1-Q2+Gwiw+G1iN=Gb；總耗能量Q=Q1+Q2。采用二次回風系統的熱平衡方程為Q/+Gwiw+G/1iN+G2iN=GiO；其中G1=G/1+G2。節能量駐Q=Q-Q/=2Q2，即節能量等于再熱量的2 倍。送風溫差越小，一次回風系統的再熱損失越大，采用二次回風系統的節能效果越好。因此二次回風系統適合較小溫差送風系統，但減小溫差會導致總送風量的增大，風機的能耗也會加大。

2.2 冬季工況

圖2 為一、二次回風冬季工況焓濕圖。

圖2 一、二次回風冬季工況焓濕圖

冬季工況下，一次回風加熱量Q1=G(iO1-iC1)。在總的送風量一定的情況下，二次回風系統的一次回風量更少所以一次混合點比一次回風系統低。二次回風加熱量Q2=(G-G2)(iO-iC)；可以證明[(iO1-iC1)/(iO-iC)]=[(G-G2)/G] ；所以Q2=G2[(iO1-iC1)/(iO-iC)]/(iO-iC)=Q1；由此可知冬季工況下，與一次回風系統相比,二次回風系統其實并不節能。

3 工程實例分析

3.1 工程簡介

成都市鳳凰山體育中心項目是由中建八局西南公司牽頭的EPC 項目。項目主體分為足球場，體育館和商業中心三個部分。其中體育館部分房間眾多、功能復雜，采用的空調形式也比較多樣化。體育館比賽大廳的觀眾席采用座椅送風，通過“置換通風”的氣流組織方式將人員聚集產生的余熱余濕從大廳頂部回風口排出。如圖3 所示，觀眾席座椅送風系統采用二次回風系統，其空調設備主要由粗效過濾段+表冷段+電極過濾段組成，沒有設置加濕段。夏季工況下，可以通過表冷器的冷卻除濕控制濕度。冬季時，室外空氣濕度較高，室內濕度設定為自然濕度。

圖3 二次回風空調系統

3.2 空調系統控制策略及分析

比賽大廳環境溫度分布不均，在垂直方向往往有著較大的溫度梯度，且座椅送風系統出風溫度受人體舒適溫度影響，需要嚴格控制，所以監控送風管內的送風溫度，并以此控制觀眾區的環境溫度。

3.2.1 送風溫度的控制及再設定

制冷工況：當檢測的送風溫度高于設定值時，先通過調小二次回風閥的開度使實際送風溫度達到設定值，若二次回風閥調節至最小，送風溫度仍高于設定值，則根據送風溫度與設定值的偏差進行比例積分計算，調大盤管回水管上的電動二通水閥開度，以保證實際送風溫度達到設定值。當檢測的送風溫度低于設定值時，根據送風溫度與設定值的偏差進行比例積分計算，先調小盤管回水管上的電動二通水閥開度，若水閥調節至最小，送風溫度仍低于設定值，則調大二次回風閥開度，以保證實際送風溫度達到設定值。

該控制方案總是傾向于保持冷負荷下的最小水流量，最大限度地利用二次回風的“再熱量”。同時也可以避免因送風溫度波動造成閥門來回的開閉，影響門的壽命，但是閥門的開度過小，會增加系統的輸送能耗，在實際運行時，應當使閥門保持一定的開度。

制熱工況：當檢測的送風溫度低于設定值時，先通過調大二次回風閥的開度使實際送風溫度達到設定值，若二次回風閥調節至最大，送風溫度仍低于設定值，則根據送風溫度與設定值的偏差進行比例積分計算，調大盤管回水管上的電動二通水閥開度，以保證實際送風溫度達到設定值。當檢測的送風溫度高于設定值時，根據送風溫度與設定值的偏差進行比例積分計算，先調小盤管回水管上的電動二通水閥開度，若水閥調節至最小，送風溫度仍低于設定值，則調小二次回風閥開度，以保證實際送風溫度達到設定值。

根據上文分析可知，對比一次回風系統制熱工況，二次回風系統制熱工況并不節能。而且由于調節參數更多，二次回風系統的調控更為復雜，因此制熱工況下，可以考慮關閉二次回風閥，直接采取一次回風的工作形式。

3.2.2 過渡季節新風量控制

當室外空氣焓值在回風焓值與要求的送風焓值之間，新風閥全開，調節回風閥開度，最大化利用室外新風冷源。當室外空氣焓值低于要求的送風焓值，調節新/回風閥開度，使混風溫度達到要求的送風溫度以控制室溫。

3.3 運行能耗比較

比賽大廳觀眾席共18000 人，夏季室內設計溫度26°C，相對濕度60%。冬季室內設計溫度18°C，室內濕度為自然濕度。經負荷計算，室內冷負荷為1800.57 kW，新風冷負荷2199.5 kW，總冷負荷3926.7 kW，濕負荷為937.44 kg/h。冬季室內人員眾多，余熱量較大，基本不存在制熱工況，因此僅對制冷工況進行比較。

3.3.1 不同送風溫度下工作狀態比較

由上文分析可知，夏季制冷工況下，影響一、二次回風系統耗能量的參數是送風溫度；溫差越大，一次回風的再熱量越小，與二次回風系統能耗越接近。在室內設計參數不變，即室內冷負荷和濕負荷不變的條件下，選取不同的送風溫度，分別計算該溫度下的系統制冷量和送風量，結果如表1。

從表1 中可以看出隨著送風溫度升高時，一次回風系統再熱量有著明顯的增長，而一次回風系統的再熱段一般采用電加熱，其能源利用效率也遠低于壓縮式熱泵機組。二次回風系統的總制冷量未發生變化，僅是二次回風量和總送風量增加。當采取機器露點溫度送風時，一次回風系統的制冷量基本等于房間總冷負荷，而二次回風系統的制冷量始終保持不變，基本上不存在冷量的損失。采用“置換通風”的空調系統，其人員活動區距地0.1 m 處的送風溫度應不小于22°C，而此時的露點溫度為16.5°C，直接送風會使觀眾會產生“吹冷風感”，因此需要提高送風溫度。觀眾席二次回風系統實際設計送風溫度為21°C，考慮到整個系統的路徑較長，存在管道溫升等因素，此送風溫度是比較適宜的，同時總送風量相對于23°C時也減少了約40%，節省了風機能耗。

表1 制冷工況一、二次回風系統運行比較

3.3.2 運行電量比較

就目前體育館上座率、使用頻率和使用時長看，大多數體育館使用狀況遠未達到設計工況[4]。籃球比賽上座率最高，一般能達到70%～80%，使用時間也集中在賽季階段。但大部分賽事上座率僅為30%～50%，全年使用次數少[5]。考慮到該場館為綜合性場館及其功能定位，其上座率取值60%比較合理。大型離心機組的COP 值一般在6.4～6.7 之間。體育館承接比賽時的時長2～4 h，則比賽日空調機組以21°C運行時，節電量最大約為1629～3258 kW·h，二次回風系統相對于一次回風系統，節約再熱能耗約為57.5%。整個制冷季節按30 個比賽日計算，則制冷季節節能量48870～97740 kW·h。

4 結論

該項目的觀眾區空調系統采用二次回風系統比較適合，與一次回風系統比較，節省了調節送風溫度時的再熱量損失。同時其自控系統也總是保持相同負荷下的最小水閥開度，節省了主機運行的能耗。但是，減小水閥的開度同時會導致水泵運行能耗的增加。在加熱工況下，仍采用調節二次風閥的開度來調節送風溫度是難以實現的，不應簡單的復制制冷工況的控制策略。通過分析并結合實際，得出下列結論：

1）制冷工況下，二次回風空調系統的二次回風量與送風溫度存在直接聯系。空調系統運行時，通過調控二次回風量來控制送風溫度可以最大程度利用室內空氣的熱量，而不會增加水側能耗。

2）制熱工況下，調節二次回風閥的開度調節送風溫度的本質是調節總送風量，但是調控的復雜程度更高，而調控一次回風閥的開度更加簡單直接。可以考慮關閉二次回風閥，直接控制一次回風量。

3）過渡季節，關閉二次風閥，測定室內外焓差，調節新風和回風比例，充分利用新風的冷量。