陜西實驗室建筑通風空調(diào)系統(tǒng)

在我國的民用與工業(yè)建筑中,實驗室、藥廠、化工企業(yè)等建筑的高能耗問題十分突出，因為這類建筑大多設有集中通風空調(diào)系統(tǒng)以滿足健康、安全的人工環(huán)境和生產(chǎn)工藝的要求。人們都比較關注這類建筑通風空調(diào)系統(tǒng)運行的安全性和可靠性，卻往往忽略了其能耗問題。本文以美國德州農(nóng)工大學(Texas A&M University）某綜合實驗樓節(jié)能技術改造工程為例,介紹實驗樓通風空調(diào)系統(tǒng)常見的運行與控制問題、技術解決方案、節(jié)能效果以及節(jié)能效果的可持續(xù)性，這些研究成果對我國同類實驗室、藥廠、化工企業(yè)等建筑的節(jié)能技術改造、通風空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化以及關鍵節(jié)能技術的研發(fā)具有一定的參考價值。
 實驗樓通風空調(diào)系統(tǒng)案例簡介

美國德州農(nóng)工大學內(nèi)一綜合實驗樓建于上世紀80年代，是帶有一層地下室的四層建筑,地下室包括一個動物標本室和計算機房，一樓主要為教室，二樓為物理實驗室，三樓為辦公用房，四樓是化學實驗室，總建筑面積約為8,600m2。

該綜合實驗樓共有12臺空調(diào)機組(AHU）.AHU—3、AHU—8、AHU—11和AHU—12是單風道變風量末端再熱空調(diào)機組，并由計算機遠程控制，分別服務于一至四樓的主體部分；其余8臺空調(diào)機組均為當?shù)貧鈩涌刂疲篈HU—4 和AHU—7分別服務地下室的計算機房和動物標本室，AHU—5和AHU-6服務于一樓的階梯教室，AHU-9和AHU—10服務于三樓的階梯教室，AHU-2是一臺新風機組，向AHU-3、AHU—8、AHU—11和AHU-12供處理過的室外空氣，AHU—1是只帶熱水加熱盤管的補風（通風）機組，向四樓化學實驗室的通風柜和吊式排風罩提供室外空氣。該樓屋頂頂上裝有46臺排風機，其中36臺用于四樓化學實驗室排風，其余10臺用于衛(wèi)生間和其它房間排風，樓內(nèi)空調(diào)機組和排風機常年不間斷運行。該實驗樓的冷凍水和供熱熱水由校園內(nèi)冷熱水管網(wǎng)提供,并設有兩臺二級冷凍水泵和兩臺二級熱水泵。

通風空調(diào)系統(tǒng)存在的問題和優(yōu)化解決方案

在經(jīng)過多年使用之后，該樓工作人員對樓內(nèi)人工環(huán)境的抱怨時常發(fā)生。另外,根據(jù)能耗監(jiān)測系統(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月對通風空調(diào)系統(tǒng)進行了全面完整的檢測,并據(jù)此采取了維護和控制系統(tǒng)的優(yōu)化措施。在這次節(jié)能技術改造過程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的主要問題和解決方案如下：

1)用于四樓化學實驗室排風柜的補風機組AHU-1從1995年至2000年一直停運。運行管理人員反映:如果開補風機組大量室外空氣會進入實驗室，使實驗室夏季室內(nèi)溫度升高，冬季室內(nèi)溫度下降.經(jīng)過仔細檢查發(fā)現(xiàn)造成這一問題的真正原因是許多化學實驗室的排風機沒有正常工作，如有些排風機的皮帶日久松弛，風機轉(zhuǎn)速下降，排風量減少；而有些風機的皮帶斷裂脫落，電機轉(zhuǎn)，但風機不轉(zhuǎn)；另外，補風機風量控制閥被卡住，不能調(diào)節(jié)風量，這些都致使排風量遠遠小于補風量，大量室外空氣滯留在室內(nèi)。

解決方案：更換排風機皮帶；修復補風機風量控制閥;開啟補風機組；達到四樓化學實驗室的空氣平衡。

2)新風機組AHU—2的預熱盤管控制閥失靈,并處于開啟狀態(tài).導致空氣在夏季仍然被不必要的加熱，不僅浪費大量的熱量，而且需要額外的冷量來抵消加熱。

解決方案：更換預熱盤管控制閥.

3)新風機組AHU—2是氣動控制，表冷器控制閥的控制器失靈導致閥門處于常開狀態(tài)。該新風機組的送風設計溫度為15?C,但實際上可達到10?C,這增加了冷量的消耗。

解決方案：更換控制器,并將送風溫度設定在設計值15?C.

4)服務于階梯教室的空調(diào)機組AHU—6的加熱盤管熱水控制閥失靈,并處于開啟狀態(tài)。這導致送風溫度過高,同時需要額外的冷量來抵消這一熱量。在檢測過程中，當關閉加熱盤管的手動閥,送風溫度則由原來的20?C下降到13?C。

解決方案：更換加熱盤管熱水控制閥。

5)房間溫度由氣動溫控器控制,檢測發(fā)現(xiàn)在總數(shù)87個溫控器當中有34個需要校對,36個需要更換.表1給出了溫控器檢測和維修情況。

表1 一至四樓末端裝置檢測與維修情況

解決方案：校對和更換失靈的溫控器。

6)冷凍水泵的電機由變頻器控制,使冷凍水系統(tǒng)供回水壓差滿足空調(diào)負荷變化的需要。優(yōu)化前根據(jù)冷凍水流量供回水壓差設在100kpa~370kpa，偏高；優(yōu)化后的供回水壓差則是根據(jù)室外溫度設在35kpa～175kpa，見表2。由于供回水壓差降低了，節(jié)約了水泵電機用電量。

表2  冷凍水供回水壓差與室外溫度關系

7)優(yōu)化前AHU—3、AHU—8、AHU-11和AHU-12的送風溫度在整個夏季都是13?C，這個溫度值是設計值，即滿足最大設計負荷要求。但從節(jié)能角度考慮，送風溫度應該隨空調(diào)負荷變化,即在部分負荷時適當提高送風溫度，以節(jié)約冷量。優(yōu)化后的送風溫度與室外溫度間的關系見表3。

表3  冷風道溫度設定值與室外溫度的關系

8)空調(diào)機組AHU—3、AHU—8、AHU-11和AHU—12風機設有變頻器,優(yōu)化前送風靜壓控制值為0。68kpa，這一定值對與大多數(shù)部分負荷情況下是偏高的.優(yōu)化后的送風靜壓與室外溫度的關系見表4.周末和晚上樓內(nèi)人員較少,送風靜壓見表5。由于靜壓降低了，風機的用電量也隨之降低。

表4  送風靜壓值與室外溫度的關系

表5  周末與夜晚的送風靜壓值

節(jié)能量分析與節(jié)能效果的可持續(xù)性

德州農(nóng)工大學共有200多棟建筑，學校能源辦擁有一個強大的能量數(shù)據(jù)庫(LoanSTAR數(shù)據(jù)庫)，收集、存儲和分析大部分建筑的能耗情況，包括冷凍水能耗、供熱熱水能耗和用電量等,綜合實驗樓節(jié)能改造前后的能耗數(shù)據(jù)即取自該數(shù)據(jù)庫。節(jié)能改造從2000年3月20日開始,2000年6月30日結(jié)束，歷時3個多月。

為了更好地說明通風空調(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年相應能耗監(jiān)測情況。節(jié)能改造前（Pre-CC）的數(shù)據(jù)時段為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（CC Follow—up）的數(shù)據(jù)時段為2004年1月1日至2004年8月23日。通過對這些能耗數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論：

1）該實驗樓的節(jié)能技術改造的節(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。

2）該節(jié)能成果都是來自“無、低費”節(jié)能技術，包括：新的優(yōu)化控制程序、空氣平衡、維修控制閥、更換溫控器以及啟動實驗室補風機組等?！盁o、低費”節(jié)能技術的主要特點是:成本低,投資回報快,一般不超過6個月。

3）曾有人對以優(yōu)化系統(tǒng)運行為主的“無、低費”節(jié)能技術（節(jié)能方案）的持久性持懷疑態(tài)度，認為改造后過不了幾年能耗還會回到原來的水平，對節(jié)能來說不如采用“中、高費”方案（如更換大型設備)實現(xiàn)一勞永逸。這種擔心是沒必要的：實驗樓改造4年后的2004年，其節(jié)能量(包括冷凍水和電能節(jié)約量兩方面）仍基本保持在2000年技術改造剛完成后的水平