余熱利用及其控制技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用

文｜同方泰德國際科技（北京）有限公司 韓素燕

余熱利用及其控制技術(shù)在智能建筑中的應(yīng)用

文｜同方泰德國際科技（北京）有限公司 韓素燕

余熱利用在鋼鐵、建材、化工等高能耗行業(yè)中得到大力支持和發(fā)展，取得了顯著的節(jié)能降耗效果；然而在智能建筑中的應(yīng)用卻比較少見。通過大膽的設(shè)想、精確的計(jì)算，合理地利用余熱，實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用，對(duì)建設(shè)綠色建筑、創(chuàng)新節(jié)能方式具有重要的意義。

本文將介紹余熱利用控制技術(shù)在某新建客運(yùn)專線調(diào)度中心中的成功應(yīng)用。

1 工程概況與使用功能分析

某新建客運(yùn)專線調(diào)度中心大樓，建筑面積80000m2，地下二層，地上七層，建成后將成為所屬路局的調(diào)度指揮中心。

大樓內(nèi)的主要功能用房為：辦公用房、調(diào)度指揮中心、設(shè)備機(jī)房。

一方面，廣大辦公人員和調(diào)度員作為運(yùn)輸生產(chǎn)的指揮員，崗位關(guān)鍵；空調(diào)系統(tǒng)必須為他們提供安全舒適的辦公環(huán)境。另一方面，調(diào)度指揮中心是路局的神經(jīng)中樞，各專業(yè)系統(tǒng)設(shè)備繁多，機(jī)房遍布各層，機(jī)房?jī)?nèi)的設(shè)備肩負(fù)重任，是確保路局安全生產(chǎn)和提高運(yùn)輸效率的核心；因此，空調(diào)系統(tǒng)還必須為這些設(shè)備提供安全穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。

綜上所述，大樓內(nèi)人工環(huán)境的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：為路局調(diào)度指揮各級(jí)工作崗位上的工作人員提供安全、舒適的調(diào)度和辦公環(huán)境；為各個(gè)運(yùn)調(diào)專業(yè)機(jī)房設(shè)備提供穩(wěn)定安全的運(yùn)行環(huán)境。

2 余熱利用可行性分析

（1）能量平衡分析

為達(dá)到新建客運(yùn)專線調(diào)度中心大樓人工環(huán)境的設(shè)計(jì)目標(biāo)，大樓內(nèi)設(shè)計(jì)兩套空調(diào)系統(tǒng)，即舒適性中央空調(diào)系統(tǒng)和機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)，分別用于為大樓內(nèi)的“人”和“設(shè)備”營造其所需的工作環(huán)境。余熱利用正是這兩個(gè)系統(tǒng)之間能量的釋放和吸收的循環(huán)利用。

夏季，舒適性空調(diào)系統(tǒng)通過向辦公區(qū)域注入冷氣，同時(shí)帶走多余的熱量，來營造涼爽舒適的溫度環(huán)境；機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)輸送冷氣、帶走自然環(huán)境和機(jī)器設(shè)備產(chǎn)生的余熱——在夏季，這兩套系統(tǒng)都需制冷，降低環(huán)境溫度來維系適宜的溫度環(huán)境，彼此間并不存在能量的互補(bǔ)。

冬季的情況則有很大不同。在冬季，我國北方城市過低的溫度（可達(dá)到-10℃），使得辦公區(qū)域必須吸收熱量才能保證溫度保持在與“人”的需求相符的水平。此時(shí)，舒適性空調(diào)系統(tǒng)需要制熱。而與此同時(shí)，機(jī)房設(shè)備產(chǎn)生的高熱量仍然使得環(huán)境溫度過高；為保證設(shè)備的正常運(yùn)行，仍然需要降低環(huán)境溫度，帶走設(shè)備產(chǎn)生的多余熱量——機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)仍然需要制冷。

在冬季，舒適性空調(diào)系統(tǒng)需要供熱，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)需要制冷；這一“熱”一“冷”，使得兩個(gè)系統(tǒng)的能量循環(huán)利用成為可能。

（2）熱量計(jì)算

經(jīng)暖通專業(yè)和水專業(yè)計(jì)算，冬季舒適性空調(diào)總熱負(fù)荷為4470kW，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)總冷負(fù)荷為6696kW。由于冬季機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱大于舒適性空調(diào)的供熱量；因此從兩個(gè)系統(tǒng)能量需求的角度來看，機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱完全可以滿足舒適性空調(diào)系統(tǒng)對(duì)熱源的要求，也就是說舒適性空調(diào)冬季熱源可以不依賴城市熱網(wǎng)，而完全由機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱來供應(yīng)。

（3）余熱利用的主要設(shè)備

實(shí)現(xiàn)機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)冬季余熱利用的關(guān)鍵設(shè)備為水環(huán)熱泵螺桿機(jī)組。目前水環(huán)熱泵螺桿機(jī)組技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，系統(tǒng)效率高，完全能夠滿足要求。

3 余熱利用設(shè)計(jì)

（1）舒適性空調(diào)冷熱源設(shè)計(jì)

根據(jù)項(xiàng)目所在地能源與資源狀況以及節(jié)能環(huán)保的原則，采用“城市熱網(wǎng)＋水環(huán)熱泵系統(tǒng)”，即由水環(huán)熱泵提供系統(tǒng)冷熱源，冬季不足部分由城市熱網(wǎng)提供的冷熱源形式。水環(huán)熱泵的水源，夏季為冷卻塔，冬季為機(jī)房專用空調(diào)系統(tǒng)冷卻水。水環(huán)熱泵系統(tǒng)夏季提供7/12℃的冷水作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源，冬季提供45/38℃的熱水作為空調(diào)系統(tǒng)的熱源。冬季供熱量不足和水溫不能滿足要求時(shí)，補(bǔ)充城市熱網(wǎng)供熱。

計(jì)算總冷負(fù)荷為5972kW，計(jì)算總熱負(fù)荷為4470kW。

選用三臺(tái)水環(huán)熱泵螺桿制冷機(jī)組（單臺(tái)制冷量為1930kW）作為空調(diào)冷源主要設(shè)備。

夏季冷凍水設(shè)計(jì)供回水溫度為7/12℃，冬季熱水設(shè)計(jì)供回水溫度為45/38℃。

冷卻水設(shè)計(jì)供回水溫度在夏季為32/37℃，在冬季高于15/10℃。

（2）冷卻水設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目冷卻水循環(huán)系統(tǒng)分為兩部分，即舒適性空調(diào)冷卻循環(huán)水系統(tǒng)和機(jī)房專用空調(diào)冷卻水循環(huán)系統(tǒng)。舒適性空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用開式壓力回流系統(tǒng)，冷卻塔設(shè)在屋頂，冷卻塔進(jìn)出水溫度分別為37℃和32℃。機(jī)房專用空調(diào)冷卻水循環(huán)水系統(tǒng)采用閉式系統(tǒng)，冷卻塔為閉式冷卻塔；在冬季低溫時(shí)，冷卻循環(huán)水作為水環(huán)熱泵機(jī)組的熱源，不通過冷卻塔進(jìn)行循環(huán)。

（3）主要冷熱源設(shè)備

主要冷熱源設(shè)備如表1所示。

表1 主要冷熱源設(shè)備表

（4）冬季工況余熱利用工藝流程

冬季工況時(shí)，檢測(cè)機(jī)房空調(diào)冷卻水回水總管上的溫度、流量參數(shù)；在冷卻水回水溫度、流量滿足舒適性空調(diào)應(yīng)用條件，且達(dá)到水環(huán)熱泵機(jī)組的開啟參數(shù)要求時(shí)，余熱利用控制系統(tǒng)關(guān)閉冷卻塔方向閥門，開啟余熱利用閥門，開啟余熱利用循環(huán)水泵，使得冷卻水流入舒適性空調(diào)，成為水環(huán)熱泵機(jī)組熱源。

水環(huán)熱泵機(jī)組利用機(jī)房空調(diào)冷卻水余熱，制備45℃熱水供舒適性空調(diào)使用。

機(jī)房空調(diào)冷卻水經(jīng)過水環(huán)熱泵機(jī)組，釋放多余熱量后，重新流入機(jī)房冷卻水供水管，供機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)使用。

4 余熱利用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)冷熱源控制采用集散型設(shè)備自動(dòng)化控制系統(tǒng)（BAS）實(shí)現(xiàn)，控制與管理的對(duì)象包括機(jī)房空調(diào)冷卻水系統(tǒng)、舒適性空調(diào)冷熱源系統(tǒng)，以及此二系統(tǒng)間的余熱利用系統(tǒng)。

（1）系統(tǒng)架構(gòu)

BAS系統(tǒng)設(shè)計(jì)為兩層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

管理層網(wǎng)絡(luò)由BAS系統(tǒng)主機(jī)、操作站、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等構(gòu)成，采用B/S結(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)整個(gè)冷熱源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和控制管理。

現(xiàn)場(chǎng)層網(wǎng)絡(luò)由DDC控制器組成，采用標(biāo)準(zhǔn)開放的BACnet協(xié)議。DDC控制器就近安置在被控設(shè)備附近，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控設(shè)備的控制與管理。

（2）余熱利用的數(shù)據(jù)采集與控制管理

為了實(shí)現(xiàn)冬季工況時(shí)的余熱利用，需要對(duì)舒適性空調(diào)冷熱源系統(tǒng)和機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)冷熱源系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行全面采集，并根據(jù)余熱的利用條件開啟、動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)余熱利用相關(guān)設(shè)備?？刂婆c管理的主要對(duì)象包括水環(huán)熱泵機(jī)組、開式塔、冷凍水循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、閉式塔、機(jī)房空調(diào)冷卻水循環(huán)泵、熱泵機(jī)組循環(huán)泵等設(shè)備，以及兩個(gè)系統(tǒng)的流量、壓力、溫度等主要參數(shù)。余熱利用控制流程如圖2所示。

針對(duì)余熱利用的實(shí)現(xiàn)，監(jiān)測(cè)與控制的內(nèi)容如下：

◆ 通過水環(huán)熱泵機(jī)組的第三方接口取得機(jī)組運(yùn)行的主要參數(shù)；

◆ 在機(jī)房空調(diào)冷卻水系統(tǒng)總管上安裝水道溫度傳感器、水道流量傳感器和水道壓力傳感器，檢測(cè)冷卻水總管的溫度、流量和壓力；

◆ 在熱泵機(jī)組循環(huán)泵出口安裝水流開關(guān)，檢測(cè)水泵的水流狀態(tài)；

◆ 自動(dòng)檢測(cè)熱泵機(jī)組循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)和手/自動(dòng)狀態(tài)，并自動(dòng)控制其啟停；

◆ 檢測(cè)熱水循環(huán)泵的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)和手自動(dòng)狀態(tài)，并自動(dòng)控制水泵的啟停；

◆ 自動(dòng)控制開式冷卻塔供回水總管閥門（MV1、MV2）的啟閉；

◆ 自動(dòng)控制閉式塔供回水閥門（MV6、MV7）的啟閉；

◆ 自動(dòng)控制閉式塔供回水總管間旁通閥（MV5）的啟閉；

◆ 自動(dòng)控制機(jī)房空調(diào)冷卻水和水環(huán)熱泵機(jī)組之間的閥門（MV3、MV4）的啟閉。

（3）余熱利用控制點(diǎn)

余熱利用控制點(diǎn)如表2所示。

表2 余熱利用控制點(diǎn)表

（4）控制策略

根據(jù)室外溫度條件和時(shí)間計(jì)劃確定冬季運(yùn)行工況。

冬季工況時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉開式冷卻塔供回水閥門MV1、MV2，停止使用開式塔相關(guān)設(shè)備；檢測(cè)機(jī)房空調(diào)冷卻水溫度T，當(dāng)T低于15℃時(shí)，自動(dòng)關(guān)閉閉式塔供回水閥門MV6、MV7，打開冷卻塔供回水旁通閥門MV5——機(jī)房空調(diào)冷卻水不再經(jīng)過閉式冷卻塔循環(huán)。

自動(dòng)檢測(cè)機(jī)房空調(diào)冷卻水溫度、壓力和流量。當(dāng)溫度高于10℃，且流量不低于1100m3時(shí)，打開余熱利用閥門MV3、MV4；自動(dòng)打開水環(huán)熱泵機(jī)組循環(huán)泵。機(jī)房空調(diào)冷卻水通過熱泵機(jī)組進(jìn)行循環(huán)。

熱泵機(jī)組一次側(cè)各設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常后，按預(yù)定程序打開熱泵機(jī)組熱水供水側(cè)各設(shè)備，并檢測(cè)其運(yùn)行是否正常，最后啟動(dòng)水環(huán)熱泵機(jī)組。熱泵機(jī)組利用機(jī)房余熱制備45℃熱水供舒適性空調(diào)使用。

目前，該客運(yùn)專線大樓設(shè)備自動(dòng)化系統(tǒng)和余熱利用系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)施完畢，各系統(tǒng)試運(yùn)行正在緊張進(jìn)行中。待機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)全部投入定運(yùn)行，并達(dá)到穩(wěn)定后，余熱利用系統(tǒng)將會(huì)按計(jì)劃逐步投入使用。

5 余熱利用的思考

舒適性空調(diào)系統(tǒng)在未啟用機(jī)房空調(diào)余熱利用的情況下，全部熱源由城市熱網(wǎng)提供。我國北方地區(qū)冬季漫長(zhǎng)，供暖季節(jié)長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月，供暖費(fèi)用在樓宇物業(yè)支出中所占比例相當(dāng)大。合理利用機(jī)房空調(diào)余熱后，整個(gè)大樓在漫長(zhǎng)的冬季中將不再依靠城市供暖，可以節(jié)省全部的冬季取暖費(fèi)用。

余熱利用節(jié)能空間巨大，但并不適用于所有建筑。通過前文的分析可知，應(yīng)用余熱利用必須建立在保證系統(tǒng)間能量供需平衡，即一個(gè)系統(tǒng)的余熱完全能夠滿足另一個(gè)系統(tǒng)的熱量需求的基礎(chǔ)上。如果只能少部分滿足，即使加以利用，也必須補(bǔ)充城市熱網(wǎng)提供的熱能；這種情況下雖然可以節(jié)省一定量的能源，但是因配備熱泵機(jī)組，增加余熱應(yīng)用管道、閥門、泵等設(shè)備會(huì)導(dǎo)致投資增加，最終很可能會(huì)造成“節(jié)能不節(jié)資”的狀況。因此，系統(tǒng)間余熱利用只能應(yīng)用于特定類型的建筑，如生產(chǎn)辦公性質(zhì)的樓宇，實(shí)驗(yàn)樓，數(shù)據(jù)中心，鐵路、軌道交通等行業(yè)的指揮中心，廣播電視大樓等。本文涉及的新建客運(yùn)專線分布于各地的調(diào)度中心均引入了余熱利用。

6 結(jié)束語

《中共中央關(guān)于制定國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十二個(gè)五年規(guī)劃的建議》倡導(dǎo)綠色發(fā)展，強(qiáng)調(diào)建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。將余熱利用應(yīng)用于建筑物中，通過能源的梯級(jí)利用，達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)，無疑會(huì)成為建筑節(jié)能的又一個(gè)有力的手段。