試析某高校體育館中央空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)改造應(yīng)用

史 震，朱曉立，董建波

(國(guó)際關(guān)系學(xué)院 后勤服務(wù)中心，北京 100091)

0 引 言

針對(duì)當(dāng)前已建成的公共建筑中所使用的中央空調(diào)系統(tǒng)，特別是全空氣系統(tǒng)或是新風(fēng)系統(tǒng)，如何利用已有設(shè)備進(jìn)行改造升級(jí)，實(shí)現(xiàn)空氣凈化的功能，進(jìn)而全面改善公共建筑的室內(nèi)空氣質(zhì)量是擺在管理部門面前的一大課題。在此，筆者以某高校體育館中央空調(diào)空氣凈化系統(tǒng)改造工程為例，從可持續(xù)、低能耗、低維護(hù)的技術(shù)角度做一些探討。

某高校體育館是進(jìn)行體育教學(xué)的重要場(chǎng)所，該場(chǎng)所的空氣質(zhì)量是廣大師生最為關(guān)心首要大事，是保障師生教學(xué)和身體健康的重要工作內(nèi)容，同時(shí)節(jié)能減排也是創(chuàng)建節(jié)能型高等院校永恒不變的課題，因此一方面提供優(yōu)質(zhì)的空氣質(zhì)量保障正常的教學(xué)、另一方面進(jìn)行節(jié)能減排是管理運(yùn)行部門的首要任務(wù)。

1 體育館中央空調(diào)系統(tǒng)的配置以及存在的問(wèn)題

某高校體育館建于2001年，總建筑面積：4 563 m2(其中地下面積：1 780 m2)，建筑層數(shù)主體部分為一層大空間分為綜合館和網(wǎng)球館，輔助配樓為五層用于教學(xué)科研用房。

(1)地上大空間綜合訓(xùn)練館、網(wǎng)球館空調(diào)設(shè)計(jì)為全空氣系統(tǒng)，現(xiàn)狀空調(diào)機(jī)組2臺(tái)，單臺(tái)風(fēng)量40 000 m3/h)。空調(diào)機(jī)組規(guī)格型號(hào)FY-40-UGBR。

(2)地下室綜合訓(xùn)練館為風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，現(xiàn)狀新風(fēng)機(jī)組1臺(tái)，風(fēng)量10 000 m3/h。空調(diào)機(jī)組規(guī)格型號(hào)FY-10-JGSR。

經(jīng)調(diào)查，地上大空間的兩個(gè)場(chǎng)館夏季采用中央空調(diào)全空氣系統(tǒng)時(shí)，制冷效果雖能夠滿足要求，但空氣質(zhì)量無(wú)法滿足師生教學(xué)的需求，空氣質(zhì)量下降。

(3)原有空調(diào)機(jī)組和新風(fēng)機(jī)組為定頻系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)控制，耗電量較大。

(4)原有水系統(tǒng)上，無(wú)法根據(jù)室內(nèi)溫濕度變化，調(diào)節(jié)水流量，能耗大。

(5)原有風(fēng)道系統(tǒng)上沒(méi)有比例調(diào)節(jié)閥，無(wú)法根據(jù)室外室內(nèi)空氣變化特點(diǎn)，調(diào)節(jié)新風(fēng)和回風(fēng)的混合比例。

(6)春秋冬三季無(wú)法使用空調(diào)系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)。

2 確定改造原則

管理部門與設(shè)計(jì)部門經(jīng)過(guò)研究，確定了空調(diào)新風(fēng)系統(tǒng)改造原則：

即以保障體育館中央空調(diào)制冷需求為基本前提，以提升空氣凈化質(zhì)量需求和舒適滿意度為主要目的，綜合考慮節(jié)能環(huán)保的整體改造，確保空調(diào)系統(tǒng)的制冷均衡，在滿足北京市空氣凈化標(biāo)準(zhǔn)的前提下，立足長(zhǎng)遠(yuǎn)，達(dá)到社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益的統(tǒng)一。

(1)更換位于屋頂?shù)氖褂昧耸吣曛玫膬膳_(tái)401 kW的風(fēng)冷式制冷機(jī)組(冷媒為R22)，采用環(huán)保冷媒R134A的兩臺(tái)438 kW變頻風(fēng)冷式制冷機(jī)組，確保制冷系統(tǒng)的冷源供應(yīng)，考慮最佳、合理的能源使用。

(2)將位于地下空調(diào)機(jī)房的空調(diào)機(jī)組和新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行變頻調(diào)速改造，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。并在減少風(fēng)量損耗的前提下對(duì)機(jī)組前端加裝前置凈化裝置(分初效、中效、高效三級(jí)凈化)，實(shí)現(xiàn)空氣凈化的目標(biāo)。根據(jù)上述使用功能、使用時(shí)間等因素對(duì)于系統(tǒng)能耗的影響，達(dá)到整體系統(tǒng)綜合節(jié)能及降低能耗的效果。

(3)針對(duì)地下室的四個(gè)獨(dú)立訓(xùn)練場(chǎng)地各加裝吊頂式全熱回收式新風(fēng)機(jī)(空氣熱交換、非電加熱)，補(bǔ)充室外新風(fēng)。

(4)在水系統(tǒng)上增加調(diào)節(jié)閥，根據(jù)室內(nèi)溫濕度變化，調(diào)節(jié)水流量。

(5)在風(fēng)道系統(tǒng)上增加比例調(diào)節(jié)閥，根據(jù)室外室內(nèi)空氣變化特點(diǎn)，調(diào)節(jié)新風(fēng)和回風(fēng)的混合比例。

3 實(shí)現(xiàn)體育館空調(diào)、新風(fēng)凈化設(shè)備技術(shù)成果

3.1 初效、中效、高效組合式的空氣凈化

一層綜合訓(xùn)練館、網(wǎng)球館空調(diào)設(shè)計(jì)為全空氣系統(tǒng)，組合式空調(diào)機(jī)組2臺(tái)，單臺(tái)風(fēng)量40 000 m3/h，最小回風(fēng)量為32 000 m3/h，最大新風(fēng)量為8 000 m3/h。

3.1.1 初效過(guò)濾

為了節(jié)省空間，在新風(fēng)豎井入口處前置安裝采用粗濾網(wǎng)與電子除塵一體化結(jié)構(gòu)的模塊設(shè)備，單臺(tái)潔凈空氣量>3 400 m3/h，PM2.5凈化效率>95%，風(fēng)壓30 Pa，臭氧濃度0.003 mg/m3，共計(jì)八臺(tái)。

可過(guò)濾小至0.001微米的顆粒物、氣溶膠和細(xì)菌病毒等空氣污染物，高效除塵殺毒。可以通過(guò)清洗的方式消除聚集的灰塵，風(fēng)吹干之后又恢復(fù)高效凈化性能。通過(guò)清洗實(shí)現(xiàn)重復(fù)使用。

該設(shè)備單元模塊利用靜電除塵技術(shù)，每個(gè)模塊可獨(dú)立外接220V電源并聯(lián)運(yùn)行，配備供電電源開關(guān)和限位安全開關(guān)雙重保護(hù)，以確保在檢修時(shí)及時(shí)切斷電源、保證檢修人員的人身安全。

3.1.2 中效過(guò)濾

中效過(guò)濾網(wǎng)，采用摩擦電納米空氣凈化技術(shù): 采用多殼層復(fù)合納米顆粒(MSCD)，利用摩擦發(fā)電原理， 使納米材料之間形成高強(qiáng)度的摩擦靜電場(chǎng)， 當(dāng)空氣中顆粒物經(jīng)過(guò)摩擦靜電場(chǎng)時(shí)被吸附來(lái)凈化空氣。高效去除PM2.5，高效物理性滅殺細(xì)菌病毒等微生物; 針對(duì)40 000 m3/h的組合式空調(diào)機(jī)組單臺(tái)機(jī)組安裝15個(gè)。 針對(duì)10 000 m3/h的新風(fēng)機(jī)組安裝5個(gè)。

3.1.3 高效過(guò)濾器。

(1)與前置嵌入式的中效過(guò)濾網(wǎng)組合使用，實(shí)現(xiàn)高效的空氣過(guò)濾，過(guò)濾效果達(dá)到不低于H10的凈化效果。

(2)針對(duì)40 000 m3/h的組合式空調(diào)機(jī)組，在混合段道安裝HMV2424-5V過(guò)濾器9個(gè)(額定風(fēng)量4 200 m3/h，初始?jí)航?80 pa)，HMV2412-3V過(guò)濾器6個(gè)(額定風(fēng)量4 200 m3/h，初始?jí)航?80 pa)，單臺(tái)機(jī)組共計(jì)15個(gè)。

針對(duì)10 000 m3/h的新風(fēng)機(jī)組，在原來(lái)中效過(guò)濾網(wǎng)的位置加上2個(gè)HMV2424-5V(額定風(fēng)4 200 m3/h，初始?jí)航?80 pa)和3個(gè)HMV1212-2VF25過(guò)濾器(額定風(fēng)量800 m3/h，初始?jí)航?80 pa)。

3.1.4 地下室房間全熱交換新風(fēng)

針對(duì)地下室部分區(qū)域僅為新風(fēng)，無(wú)回風(fēng)的問(wèn)題，通風(fēng)換氣不暢，濕度大。在乒乓球、形體訓(xùn)練室、健身房、體能訓(xùn)練室房間各增加一臺(tái)吊頂式雙向全熱交換新風(fēng)凈化一體機(jī)AH500(空氣熱交換、非電加熱)，高速風(fēng)量500 m3/h，最大噪聲≤60 dB，換熱效率≥80%，凈化效率≥95%。利用全熱交換器將室內(nèi)排出的污濁空氣和室外送入的新鮮空氣既通過(guò)傳熱板交換溫度，同時(shí)又通過(guò)板上的微孔交換濕度，從而達(dá)到既通風(fēng)換氣又保持室內(nèi)溫、濕度穩(wěn)定的效果。當(dāng)全熱交換器在夏季制冷期運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)從排風(fēng)中獲得冷量，使溫度降低，同時(shí)被排風(fēng)干燥，使新風(fēng)濕度降低;在冬季運(yùn)行時(shí)，新風(fēng)從排風(fēng)中獲得熱量，使溫度升高，同時(shí)被排風(fēng)加濕。初效濾網(wǎng)為前置金屬濾網(wǎng)，復(fù)合濾芯采用靜電除霾殺菌技術(shù)，過(guò)濾PM2.5與細(xì)菌病毒。濾芯可水洗重復(fù)使用。

3.2 節(jié)能升級(jí)

(1)原有空調(diào)和新風(fēng)機(jī)組為定頻系統(tǒng)，不能實(shí)現(xiàn)風(fēng)量的調(diào)節(jié)控制，啟動(dòng)方式為星-角啟動(dòng)，耗電量較大。本次對(duì)原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行變頻節(jié)能升級(jí)。采用PLC自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)如下功能：相關(guān)控制部件實(shí)現(xiàn)3套機(jī)組風(fēng)機(jī)的變頻調(diào)速功能，對(duì)機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)化控制。同時(shí)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)新風(fēng)和回風(fēng)的比例，對(duì)機(jī)組進(jìn)行自動(dòng)化控制，共3套變頻控制系統(tǒng)。(不增加原有用電負(fù)荷，不改變前端配電柜的開關(guān)容量)。

(1)組合式空調(diào)器、新風(fēng)機(jī)組的風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻控制。

(2)組合式空調(diào)器的新風(fēng)、回風(fēng)風(fēng)發(fā)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)PID自動(dòng)控制。

(3)組合式空調(diào)器(新風(fēng)機(jī)組)的冷凍水(熱水)流量實(shí)現(xiàn)PID自動(dòng)調(diào)節(jié)。

(4)預(yù)留4個(gè)AI接點(diǎn)用于后期控制系統(tǒng)升級(jí)(如在控制系統(tǒng)中增加CO2、TVOC、PM2.5等傳感器)。

(5)具備四種運(yùn)行模式：全新風(fēng)模式、內(nèi)循環(huán)模式、新風(fēng)回風(fēng)混合模式和熱回收模式。

(6)具有Modbus RTU(RS485)遠(yuǎn)傳接口。

3.3 變頻器控制要求

其中兩套為22 kW，一套為11 kW,進(jìn)行訂制。

由于中央空調(diào)系統(tǒng)都是按大負(fù)載并增加一定余量設(shè)計(jì)，而實(shí)際上在體育館全年滿負(fù)載下運(yùn)行只有二十余天，幾乎絕大部分時(shí)間負(fù)載都在70%以下運(yùn)行。中央空調(diào)系統(tǒng)中冷凍主機(jī)能隨末端設(shè)備的負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，而作為末端設(shè)備的組合式空調(diào)機(jī)組(新風(fēng)機(jī)組)采用的是工頻風(fēng)機(jī)不能自動(dòng)調(diào)節(jié)負(fù)載，長(zhǎng)期在100%負(fù)載下運(yùn)行，造成了能量的極大浪費(fèi)，也惡化了中央空調(diào)的運(yùn)行環(huán)境和運(yùn)行質(zhì)量。 隨著變頻技術(shù)的日益成熟，利用變頻器、PLC、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機(jī)結(jié)合，構(gòu)成溫差閉環(huán)自動(dòng)控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)組合式空調(diào)器(新風(fēng)機(jī)組)的頻率。

采用變頻調(diào)速技術(shù)不僅能使體育館室溫維持在所期望的狀態(tài)，讓人感到舒適滿意，可使整個(gè)系統(tǒng)工作狀態(tài)平緩穩(wěn)定，更重要的是其節(jié)能效果高達(dá)30%以上，能帶來(lái)很好的經(jīng)濟(jì)效益。

變頻器控制柜采用ABB變頻器實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)的軟啟動(dòng)和頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)。

原有水系統(tǒng)上，增加比例式調(diào)節(jié)閥，根據(jù)室內(nèi)溫濕度變化，調(diào)節(jié)水流量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

原有風(fēng)道系統(tǒng)上增加比例調(diào)節(jié)閥，根據(jù)室外室內(nèi)空氣變化特點(diǎn)，調(diào)節(jié)新風(fēng)和回風(fēng)的混合比例。

在風(fēng)量為40 000 m3/h的兩臺(tái)空調(diào)機(jī)組的送風(fēng)前端與回風(fēng)末端管道中配置二套空氣熱交換系統(tǒng)(包括排風(fēng)管道、排風(fēng)風(fēng)箱、降噪消音系統(tǒng))，換熱效率不低于40% 。每臺(tái)機(jī)組的排風(fēng)量為8 000 m3/h，排風(fēng)機(jī)選擇直連離心風(fēng)機(jī)，全壓350 pa，換熱效率50%，為防止熱回收系統(tǒng)中的溶液凍結(jié)，溶液采用濃度為30%的乙二醇溶液。

冬季，對(duì)三臺(tái)空調(diào)新風(fēng)機(jī)組實(shí)現(xiàn)防凍結(jié)功能，同時(shí)不影響新風(fēng)的進(jìn)入。

4 空調(diào)機(jī)組及新風(fēng)系統(tǒng)改造后的效果

體育館空調(diào)及新風(fēng)機(jī)組系統(tǒng)改造完成后。截至目前，系統(tǒng)已正常使用一年半。通過(guò)此次改造，實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的改造目標(biāo)。據(jù)調(diào)研，學(xué)校師生普遍反映比改造前溫度舒適，不定期監(jiān)測(cè)室內(nèi)空氣質(zhì)量明顯提高(凈化后的數(shù)值區(qū)間：PM2.5 3～15 μg/m3, PM10 6～33 μg/m3)。同時(shí)每個(gè)制冷季節(jié)約電能39 600度，可以說(shuō)，空調(diào)及新風(fēng)機(jī)組系統(tǒng)改造達(dá)到了空氣凈化和節(jié)能減排提升雙實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)，取得了較好的效果。

改善空氣質(zhì)量和節(jié)能減排關(guān)乎民生。隨著人民群眾對(duì)美好生活向往的日益提升以及國(guó)家對(duì)環(huán)境和大氣質(zhì)量的要求愈來(lái)愈高，全國(guó)高校都在挖掘空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)升級(jí)改造的技術(shù)潛力。隨著科技的發(fā)展，新技術(shù)、新設(shè)備、新方法更會(huì)層出不窮，總結(jié)某高校體育館中央空調(diào)及新風(fēng)系統(tǒng)改造的原則、方法和成效，主要目的在于拋磚引玉，以期更好的提升工作效果，滿足教學(xué)和科研需要。