空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)在中國(guó)網(wǎng)通業(yè)務(wù)樓中的應(yīng)用

張 哲

我國(guó)建筑用能已超過(guò)全國(guó)能源消費(fèi)總量的1/4,并將隨著人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上。公共建筑用能數(shù)量巨大,浪費(fèi)嚴(yán)重。工程設(shè)計(jì)人員在建筑設(shè)計(jì)中應(yīng)用節(jié)能技術(shù),有利于改善公共建筑的熱環(huán)境,提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的能源利用效率,從根本上扭轉(zhuǎn)公共建筑用能?chē)?yán)重浪費(fèi)的狀況,為實(shí)現(xiàn)國(guó)家節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)的戰(zhàn)略,貫徹有關(guān)政策和法規(guī)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。

1 建筑概況

1.1 建筑基本信息

北京市通信公司綜合業(yè)務(wù)樓工程位于新改造的騾馬市大街與菜市口大街十字路口的東北部,本建筑為高層辦公樓,總建筑面積59 998 m2。本建筑地下3層、地上南樓15層、北樓8層,建筑總高度60 m。地下2層,3層為車(chē)庫(kù)和冷凍站、水泵房等設(shè)備用房,其中地下3層車(chē)庫(kù)戰(zhàn)時(shí)為人防物資庫(kù);地下1層為變配電室、傳輸機(jī)房、廚房等附屬用房;首層、2層為電信博物館;3層中庭東側(cè)部分為報(bào)告廳;北樓3層,4層為會(huì)議室,5層,6層為辦公室,7層為餐廳,8層為多功能廳;南樓5層為職工俱樂(lè)部,6層～15層均為辦公室。

1.2 冷熱負(fù)荷需求

根據(jù)北京市室外氣象參數(shù),經(jīng)過(guò)計(jì)算,本工程夏季空調(diào)總冷負(fù)荷為6 645 kW,冬季空調(diào)總熱負(fù)荷為6 636 kW。

2 系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)應(yīng)用

2.1 變頻冷水機(jī)組的應(yīng)用

2.1.1 冷水機(jī)組的設(shè)置

地下3層的冷凍站內(nèi)設(shè)置兩臺(tái)離心式冷水機(jī)組,每臺(tái)制冷量為3 000 kW,冷凍水供回水溫度為6℃/11℃。另設(shè)置一臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組,制冷量為700 kW,冷凍水供回水溫度為7℃/12℃。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的冷量由離心式冷水機(jī)組提供。螺桿式冷水機(jī)組負(fù)擔(dān)內(nèi)區(qū)配電間的負(fù)荷,全年供冷,冬季工況時(shí)單獨(dú)運(yùn)行,夏季及過(guò)渡季工況與兩臺(tái)離心式冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行。

2.1.2 采用變頻冷水機(jī)組的意義

其中一臺(tái)離心式冷水機(jī)組和螺桿式冷水機(jī)組配變頻調(diào)速啟動(dòng)裝置,以便于低負(fù)荷運(yùn)行,節(jié)省能源。

在非額定工況時(shí),變頻式離心冷水機(jī)組將導(dǎo)流葉片控制與變頻控制有機(jī)結(jié)合,共同控制壓縮機(jī),既能擴(kuò)大機(jī)組的運(yùn)行范圍,又能達(dá)到良好的節(jié)能目的。變頻系統(tǒng)不同于普通變頻器的簡(jiǎn)單控制,其了解冷水機(jī)組的運(yùn)行情況,機(jī)組能測(cè)定現(xiàn)在的工作點(diǎn),選擇相應(yīng)的容量調(diào)節(jié)模式,并能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)離心機(jī)的喘振區(qū),從而可以在10%～100%負(fù)荷范圍內(nèi)絕對(duì)避免喘振的發(fā)生,允許機(jī)組在喘振點(diǎn)附近正常工作。一般說(shuō)來(lái),與定頻機(jī)組相比,采用變頻控制的離心機(jī)組每年可節(jié)約20%～30%的運(yùn)行費(fèi)用。

變頻式離心冷水機(jī)組可有效利用低溫冷卻水,提高機(jī)組的能效比。冷卻水溫度越低,電機(jī)允許的轉(zhuǎn)速越低,越節(jié)能。在有晝夜溫差和四季溫差,冷卻水溫度低于設(shè)計(jì)值,非額定工況下長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí),采用變頻式離心冷水機(jī)組可達(dá)到節(jié)能目的。

變頻系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)真正的軟啟動(dòng)。電機(jī)在不同電源頻率下,如果電壓/頻率比保持恒定,電機(jī)的扭矩和電流特性基本不變。配置變頻系統(tǒng)的機(jī)組在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)電源頻率調(diào)得很低,隨后頻率逐漸提高,電機(jī)單位電流的扭矩很高,而使啟動(dòng)電流最小。啟動(dòng)電流不會(huì)超過(guò)滿負(fù)荷電流(FLA),防止電源沖擊,增加了電機(jī)壽命。

離心式冷水機(jī)組的大部分噪聲是由制冷劑高速排氣造成的。變頻系統(tǒng)在機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)降低壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速,從而降低了制冷劑氣體的速度,大大降低了機(jī)組噪聲。

2.2 VAV系統(tǒng)的應(yīng)用

2.2.1 變風(fēng)量系統(tǒng)概念及構(gòu)成

與定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)一樣,變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)也是全空氣空調(diào)系統(tǒng)的一種形式。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),亦稱VAV系統(tǒng)(Variable Air Volume System),其工作原理是當(dāng)空調(diào)房間負(fù)荷發(fā)生變化時(shí),系統(tǒng)末端裝置自動(dòng)調(diào)節(jié)送入房間的風(fēng)量,確保房間溫度保持在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。同時(shí),空調(diào)機(jī)組將根據(jù)各末端裝置風(fēng)量的變化,通過(guò)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)送風(fēng)機(jī)的風(fēng)量,達(dá)到節(jié)能的目的。

本工程變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的主要設(shè)備包括串聯(lián)型風(fēng)機(jī)動(dòng)力型VAV末端裝置(Fan Powered Box,簡(jiǎn)稱 FPB)、變風(fēng)量集中空調(diào)機(jī)組、變風(fēng)量空調(diào)樓宇自控系統(tǒng)等。

2.2.2 末端裝置的選擇

本工程選用的串聯(lián)型FPB是指在該變風(fēng)量箱內(nèi)一次風(fēng)既通過(guò)一次風(fēng)閥,又通過(guò)增壓風(fēng)機(jī)。它將較低溫度的一次風(fēng)同溫暖的頂棚內(nèi)空氣混合成所需溫度的空氣送到空調(diào)房間內(nèi)。一次風(fēng)的溫度低、風(fēng)量小,可使集中空調(diào)機(jī)組的規(guī)格和送回風(fēng)管及其配件的尺寸減小,節(jié)省設(shè)備初投資費(fèi)用和減少吊頂空間。串聯(lián)型FPB始終以恒定風(fēng)量運(yùn)行,因此適用于本工程需要一定換氣次數(shù)的大開(kāi)間辦公室。

2.2.3 系統(tǒng)控制及風(fēng)機(jī)變頻

本工程采用的是外區(qū)再熱型單風(fēng)道變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng),其適用于進(jìn)深較大,需要設(shè)置內(nèi)、外區(qū)的大開(kāi)間辦公室。從風(fēng)系統(tǒng)來(lái)看,它與不分內(nèi)、外區(qū)的單風(fēng)道系統(tǒng)無(wú)多大區(qū)別。系統(tǒng)中各串聯(lián)型FPB按內(nèi)、外區(qū)分別設(shè)置,外區(qū)串聯(lián)型FPB帶有熱水再熱盤(pán)管。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),變風(fēng)量集中空調(diào)機(jī)組為了滿足內(nèi)區(qū)的要求,常年送冷風(fēng)(即送風(fēng)溫度低于空調(diào)房間的設(shè)計(jì)溫度),在冬季,外區(qū)需要供熱時(shí),由外區(qū)串聯(lián)型FPB再熱盤(pán)管進(jìn)行加熱,保證外區(qū)的溫度要求。

本工程變風(fēng)量集中空調(diào)機(jī)組風(fēng)機(jī)的電動(dòng)機(jī)由變頻裝置驅(qū)動(dòng),可適應(yīng)系統(tǒng)風(fēng)量變化,達(dá)到節(jié)能之目的。其送風(fēng)量根據(jù)系統(tǒng)中各房間的逐時(shí)負(fù)荷最大值確定;區(qū)域送風(fēng)量按區(qū)域逐時(shí)負(fù)荷最大值確定;房間送風(fēng)量按房間逐時(shí)負(fù)荷最大值確定。

2.3 排風(fēng)能量回收新技術(shù)的應(yīng)用

2.3.1 排風(fēng)能量回收系統(tǒng)的意義

在空調(diào)負(fù)荷中,新風(fēng)負(fù)荷占的比例很大,利用全熱交換器或顯熱交換器回收排風(fēng)中的能量,節(jié)約新風(fēng)負(fù)荷是空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的一項(xiàng)有利措施。

采用排風(fēng)熱回收進(jìn)行空氣處理,提供更加完善的空氣質(zhì)量的同時(shí),節(jié)省了大量能源的消耗,運(yùn)行和維護(hù)簡(jiǎn)單可靠,大量節(jié)省系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用。它滿足公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定,在節(jié)省建筑能源消耗過(guò)程中,起到了很大的作用,成為解決我國(guó)日益嚴(yán)峻的能源與環(huán)境問(wèn)題的有效途徑之一。

2.3.2 排風(fēng)能量回收系統(tǒng)的分類(lèi)

目前,我們?cè)谑袌?chǎng)上常見(jiàn)的能量回收系統(tǒng)主要有以下幾種形式(見(jiàn)圖1)。

1)中間熱媒式熱回收。采用普通的盤(pán)管式換熱器,利用水泵驅(qū)動(dòng)熱媒溶液作為介質(zhì)在兩個(gè)換熱器中循環(huán),實(shí)現(xiàn)能量的回收。中間熱媒通常為水,為了降低水的冰點(diǎn),一般在水中加入一定比例的乙二醇。這種方式送排風(fēng)完全隔離,在衛(wèi)生場(chǎng)合應(yīng)用較多。

2)叉流板式熱回收。這是一種靜止式熱交換器。通過(guò)相互錯(cuò)排的換熱通道進(jìn)行送風(fēng)與回風(fēng)熱交換。熱回收效率可達(dá)75%。從換熱原理上講,換熱介質(zhì)逆流運(yùn)動(dòng)效率是最高的,但逆流換熱器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜而且難于實(shí)現(xiàn)氣密性,故常采用叉流交換方式。

3)熱管式熱回收。熱能通過(guò)蒸發(fā)器從外部熱源經(jīng)管壁傳給工作流體,并流至凝結(jié)器,冷凝成液體,并將潛熱傳給外界冷源。冷凝后的液體通過(guò)吸液芯的毛細(xì)孔和溝槽返回至蒸發(fā)段,重新蒸發(fā)吸熱。

4)轉(zhuǎn)輪式熱回收。通過(guò)轉(zhuǎn)輪的旋轉(zhuǎn),使送排風(fēng)的熱量進(jìn)行交換,從而達(dá)到能量回收的目的。其材質(zhì)主要為鋁箔。轉(zhuǎn)輪由軸承支撐安裝在軸上,轉(zhuǎn)輪內(nèi)交互式填充多層平直或波形鋁箔,以形成通風(fēng)通道,使換熱器保持最高的換熱效率,在一定運(yùn)行條件下,熱回收效率可達(dá)85%以上。

為了實(shí)現(xiàn)高效的能源回收,本工程變風(fēng)量集中空調(diào)機(jī)組選用的即是回收效率較高的轉(zhuǎn)輪式熱回收方式。

利用排風(fēng)進(jìn)行能量回收可以有效降低整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能源需求。以冬季為例,室外新風(fēng)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)輪熱回收預(yù)熱后,溫度可以升高23.2℃,其節(jié)能效果詳見(jiàn)圖2。

2.3.3 一體化機(jī)組的設(shè)置

本工程選用的轉(zhuǎn)輪式熱回收機(jī)組配置的轉(zhuǎn)輪,可以處理的新風(fēng)比例不是固定的30%或40%,而是在30%～100%范圍內(nèi)任意可調(diào),在不耗費(fèi)更多能量的情況下,充分滿足室內(nèi)的新風(fēng)需求。

3 結(jié)語(yǔ)

民用建筑的供暖、通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)工程量大面廣,其能耗在建筑總能耗中占有相當(dāng)大的比例,為了大力推行和實(shí)施建筑節(jié)能,建設(shè)資源節(jié)約型社會(huì)和環(huán)境友好型社會(huì),在工程建設(shè)中進(jìn)一步貫徹落實(shí)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn),工程設(shè)計(jì)人員應(yīng)正確選擇和應(yīng)用成熟的節(jié)能技術(shù),進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì),以響應(yīng)國(guó)家的政策和號(hào)召,達(dá)到合理有效地使用能源,促進(jìn)能源、經(jīng)濟(jì)與環(huán)境的協(xié)調(diào)和可持續(xù)性發(fā)展。

[1] 趙榮義.空氣調(diào)節(jié)[M].第3版.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[2] 趙榮義.簡(jiǎn)明空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006.

[3] 路延魁.空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007.

[4] 唐文波.變頻器在安裝中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題[J].山西建筑,2008,34(16):185-186.

[5] GB 50189-2005,公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] DBJ 01-621-2005,公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].