實驗室建筑物空調系統(tǒng)節(jié)能分析

張 茜 王 宇 王 健 孫凱樂

（中國計量科學研究院 北京 100013）

引言

隨著我國經濟高速發(fā)展、城市化進程不斷推進以及人們生活水平的不斷提高，我國每年新增公共建筑面積約有5 億m2，單位面積的建筑能耗也逐年增加，這些導致了我國當前公共建筑能耗的總量也在逐年增加[1]。黨的十九大報告提出構建清潔低碳、安全高效的能源體系，推進綠色發(fā)展的總體要求。推廣綠色建筑、建筑節(jié)能也是能源工作者的主要工作方向。我國建筑用能占全國能源消耗總量的27.5%，隨著生活水平的提高這一數(shù)字將逐步增加到30%以上[2]。

據統(tǒng)計，城鎮(zhèn)建筑中約30%為節(jié)能建筑，但仍有70%的非節(jié)能建筑，大部分公共建筑存在運行能耗高、維護費用大、建筑壽命短的特點[3][4]。其中，建筑采暖空調系統(tǒng)的能耗約占公共建筑總能耗的40%～60%。因此，公共建筑空調、采暖系統(tǒng)節(jié)能早已成為現(xiàn)階段建筑節(jié)能工作重點[5]。

實驗室建筑物是一種較為特殊的公共建筑物，主要集中分布各大高校、各大科研單位。與常規(guī)的建筑空調采暖系統(tǒng)不同的是，該類建筑物對于室內溫濕度控制要求較為精準、有的實驗室要求條件極為苛刻，需要保證全年室內恒溫恒濕環(huán)境。這也對建筑空調系統(tǒng)、采暖系統(tǒng)提出了更高的技術要求，對建筑能耗產生了重大挑戰(zhàn)。

本文針對實驗室建筑物空調采暖系統(tǒng)，對系統(tǒng)全年運行能耗的建立數(shù)學模型，分析了實驗室空調系統(tǒng)能耗的影響因素。最終針對能耗影響因素提出了節(jié)能改進措施。為實驗室空調、采暖系統(tǒng)的節(jié)能降耗、系統(tǒng)優(yōu)化提供理論依據和參考方向。

1 實驗室空調系統(tǒng)組成

實驗室空調系統(tǒng)如圖1 所示，室內采用一次回風系統(tǒng)進行空氣調節(jié)。夏季、冬季空氣處理過程如圖2、圖3 所示。夏季采用冷水機組制冷+電加熱末端精細調節(jié)，冬季采用市政供熱采暖+電加熱末端精細調節(jié)，通過冷水機組（夏季）和市政供熱（冬季）實現(xiàn)基本冷熱需求，通過末端的電加熱系統(tǒng)自動調節(jié)室內溫度，保證實驗室精細化調節(jié)要求。

圖1 實驗室空調系統(tǒng)示意圖

圖2 實驗室一次回風系統(tǒng)夏季處理過程

圖3 實驗室一次回風系統(tǒng)冬季處理過程

2 系統(tǒng)能耗分析

空調系統(tǒng)主要是風系統(tǒng)能耗和水系統(tǒng)能耗。全年根據不同溫度要求分為空調模式和采暖模式。

在夏季空調模式下，該空調系統(tǒng)主要耗能部件包括冷水機組主機、冷凍水循環(huán)水泵、冷卻水循環(huán)水泵、冷卻塔、空調機組風機（送風機、回風機）、末端電加熱等。制冷系統(tǒng)的制冷量主要解決實驗室內冷負荷、新風冷負荷以及有的系統(tǒng)為了減少送風溫差而需要的再熱負荷，結合圖2 各點空氣狀態(tài)參數(shù)，制冷機組冷負荷及電功率由以下公式計算：

式中，QL為制冷負荷，kW；G1為夏季送風量，m3/h；hC為新風回風混合后空氣焓值，kJ/kg；hL為機器露點焓值，kJ/kg；C 為水的比熱容，4.2×103J/（kg·℃）；m1為冷凍水流量，m3/h；t1為冷凍水回水溫度，℃；t2為冷凍水出水溫度，℃；PL為制冷電功率，kW；COP為冷水機組性能系數(shù)。

冷凍水泵、冷卻水泵電功率：

式中，P1為冷凍水泵功率，kW；P2為冷凍水泵功率，kW；m2為冷卻水流量，m3/h；h1為冷凍水泵揚程，m；h2為冷卻水泵揚程，m；g 為重力加速度，m/s2；、η1η2為水泵揚程，m。

冷卻塔能耗包括冷卻塔風機能耗和由于冷卻塔引起的冷卻水泵能耗[6]：

風機功率：

式中，PT為冷卻塔功率，kW；N0為冷卻塔風機功率，kW；η3冷卻塔風機效率；△H 為進塔水壓，Pa；PfL為夏季運行風機功率，kW；G2為夏季回風量，m3/h；PA、PB為夏季風機風壓，Pa；η4、η5風機的內效率和機械效率。

綜上夏季逐時能耗為：

式中，WC為夏季逐時功率，kW；Pd為末端電加熱功率，kW。

冬季時，制熱負荷由市政供熱解決，能耗只有風系統(tǒng)的風機能耗及末端電加熱調節(jié)裝置的功率，結合圖3，各點空氣狀態(tài)參數(shù)，冬季逐時能耗計算具體如下：

式中，QH為冬季熱負荷，kW；G3為冬季送風量，m3/h；G4為冬季回風量，m3/h；hw1為新風預熱后空氣焓值，kJ/kg；hW′為冬季新風初始焓值，kJ/kg；ho′，hW′為冬季室內送風焓值，kJ/kg；hL為冬季露點焓值，kJ/kg；t3為市政供水溫度，℃；t4為市政回水出水溫度，℃；m3為市政熱水流量，m3/h；PfH為冬季風機電功率，kW；PC、PD為夏季風機風壓，Pa；WH為冬季逐時功率，kW。

全年空調系統(tǒng)能耗按照下式進行計算：

式中，W 為全年能耗，kWh；fi、fj分別為夏季、冬季冷熱負荷百分數(shù)；Ti、Tj分別為夏季冬季時間頻數(shù)，h。

由以上數(shù)學模型可知，影響全年空調系統(tǒng)能耗的最根本是實驗室內部的冷熱負荷及冷熱負荷的全年分配情況；送風溫差、送風量、新風量這些參數(shù)直接影響著冷水機組冷負荷、市政所需制熱量、風機的能耗。冷水機組的負荷大小、機組COP 影響著循環(huán)水泵、冷卻塔的能耗。而整體系統(tǒng)的精準度等級又影響著末端電加熱控制裝置的能耗。從而綜合影響整個空調系統(tǒng)的系統(tǒng)能耗。以上數(shù)學模型的建立也為實驗室空調系統(tǒng)的節(jié)能改造，提供了理論依據和改進方向。

3 節(jié)能措施及方向

3.1 空調大溫差送風

空調大溫差送風主要是提升空調送風溫差。一般空調送風溫差約8℃，冷凍水和冷卻水溫差也在8℃左右。采用大溫差送風技術，可以使送風溫差達到10-20℃，冷卻水、冷凍水的溫差在10℃以上，在冷熱負荷不變的情況下，通過前文數(shù)學模型分析易知，增大溫差可以減少系統(tǒng)風量、水量，進而減少風機、循環(huán)水泵等設備的能耗，此外還降低空調管材的消耗，在減少運行成本的同時還可以降低系統(tǒng)初投資。

3.2 變風量、變水量技術

空調系統(tǒng)最簡單是定風量定水量系統(tǒng)。這種系統(tǒng)只能通過簡單的開關調節(jié)進行室內溫度調整，調節(jié)方式較為粗獷。采用變風量、變水量技術，可以根據室內冷熱負荷的變化情況改變空調的風量、水量來達到熱量平衡的目的，能夠逐時逐刻地有效節(jié)約風機、水泵的運行能耗，亦可以減少空調裝機的容量。這些是需要在空調系統(tǒng)設計之初就應著重考慮的因素。

3.3 冷熱能回收

夏季時，室內空氣溫度低于室外溫度，冬季室內溫度高于室外溫度，在進行室內外排風新風的同時，可以將排風的冷熱能量通過一定的熱回收裝置將能量傳遞給新風，利用全熱回顯熱回收改善空調的能源消耗，提升整體空調采暖系統(tǒng)的能源利用效率。能量回收設備一般為板翹式、轉輪式全熱交換器、板式顯熱交換器。有的學者還研究了利用熱管技術進行新風能量提升，顯著降低建筑空調系統(tǒng)節(jié)能[7]。

3.4 變頻技術的應用

當室內溫度一定時，建筑物冷熱負荷是隨著室外溫度變化而逐時變化的，空調機組也是變工況運行調整。一般的非變頻系統(tǒng)，只能按照空調系統(tǒng)預設的特定幾檔頻率進行工作，不能隨意自動調整系統(tǒng)運行頻率，因此系統(tǒng)會有大馬拉小車的現(xiàn)象產生，就會導致機組過度運轉和能源浪費。隨著智能建筑、自控技術的持續(xù)進步，暖通變頻技術在建筑節(jié)能中應用越來越普遍。變頻技術可以根據實際負荷需求對空調機組、循環(huán)水泵、風機等主要耗能設備進行無極調節(jié)。當室內環(huán)境變化后，可以追蹤進行運行調整，精準改變空調機組的運行頻率，同時改善系統(tǒng)冷凍水、冷卻水量。也可以通過智能化系統(tǒng)根據氣象參數(shù)對冷熱負荷進行預測，保證空調系統(tǒng)的及時調整，滿足建筑物負荷需求。變頻技術的使用可以將建筑工程的節(jié)能效率提高到50%以上。

3.5 清潔能源技術

清潔低碳、安全高效是當今能源方向。在倡導綠色建筑的今天，清潔能源的利用也越來越多。當前，主要的清潔能源有太陽能、空氣能、地熱能等。

（1）太陽能。太陽能是利用太陽的輻射原理，利用太陽能光熱能源進行供暖，有很多工程中將太陽能作為部分能源得到了應用。還有一些利用太陽能進行發(fā)電，通過代替部分電能節(jié)約空調系統(tǒng)能耗。目前應用最廣的太陽能利用技術是太陽能熱水器，通過樓頂或者其他空曠采光良好的區(qū)域布置太陽能集熱器，解決廠區(qū)等用熱需求。

（2）空氣能?？諝饽苤饕菬岜眉夹g，夏季將熱量排放至室外環(huán)境，冬季將室外空氣中的能量傳遞至室內采暖使用，做到一機兩用，空氣源熱泵的供熱效率一般在300%以上，顯著節(jié)約了高品位電能消耗，但空氣源熱泵也有其限制性，比如在低于-25℃的室外環(huán)境下運行能耗降低、產生室外機結霜、低溫啟動困難等問題。

（3）地熱能。地熱能有三個方面應用，一般情況下是利用淺層地熱能，利用地源熱泵技術將200 米以內的大地低品位熱能吸收利用傳遞至室內。與空氣源熱泵相比，不受室外溫度影響，顯著提高空調機組的性能。但其由于需要在地埋管施工初投資較多。此外還有利用中深層地熱能。主要是利用3000 米以內的水熱型地熱資源，通過抽取地熱水將熱量導出供暖，然后同層同質回灌，回灌技術是中深層地熱能利用的最大難點。第三類地熱能利用是大于3000 米的干熱巖，主要利用方式是地熱發(fā)電，目前由于埋深較深、溫度高和初投資較大，仍處于實驗室研究階段。

3.6 儲能技術

儲能技術是節(jié)能環(huán)保技術中的一個重要組成部分。我國幅員遼闊，不同的省份城市，都出臺了相應的峰谷電價政策。在供應電時，高峰期容易出現(xiàn)電力不足，用電低谷時容易出現(xiàn)電量過剩的現(xiàn)象。在低谷電價時利用冰蓄冷技術、多罐儲能技術、單罐布水器技術、固體儲熱技術等將冷熱能進行儲存，在用電高峰時期放出，實現(xiàn)移峰填谷的作用，顯著降低空調采暖系統(tǒng)的運行成本。

3.7 行為節(jié)能

行為節(jié)能指的是在無法改變系統(tǒng)形式以及無法對系統(tǒng)進行大的調整這一情況下，借助于人為設定的模式或者采取相應的節(jié)能技術手段，來讓系統(tǒng)朝著人們所需要的方向進行發(fā)展，并在此過程中有效減少一些不必要的能源浪費[8]。

行為節(jié)能措施需要在冷熱源側、管網側、用戶側三級進行管理。主要具體措施有：

（1）制定空調系統(tǒng)運行管理制度。冷熱源處嚴格執(zhí)行系統(tǒng)操作規(guī)程，按照室外氣候調節(jié)冷熱源系統(tǒng)，從源頭進行節(jié)能；此外還需改善熱源設備的換熱條件。冷熱源中的設備，應注意及時檢修設備，清除換熱器的污垢，減少傳熱阻力，提高設備的換熱效率。保證機組正常運行的使用環(huán)境。此外要按照供冷供熱運行質調曲線運行質調節(jié)；同時還可以進行量調節(jié)，在運行過程中通過調節(jié)循環(huán)水泵的數(shù)量，在滿足冷熱負荷需求的同時，降低系統(tǒng)能耗。

（2）管網側節(jié)能主要是兩方面，一方面是管道保溫情況，沒有保溫或者保溫層損壞都會發(fā)生熱量損失，必須定期檢查管道的保溫情況。對于隱蔽管道可通過測量該管段起、終點溫差的方法進行測定。另一方面是管道的泄漏情況，通過巡檢、管道流量測試等方法及時發(fā)現(xiàn)管道問題，做到及時處理。

（3）用戶側行為節(jié)能。實驗室的集中供暖供冷，有的會存在著冷熱不均的現(xiàn)象。在冬季，有的熱用戶冬季室內溫度過高，有的熱用戶冬季室內溫度較低。溫度過高的熱用戶一般采取開窗降溫的做法，根據能量守恒定律，這種行為導致有限的熱量大大浪費。在夏季，有的用戶夏季室內溫度過高，有的用戶夏季室內溫度較低。室內溫度過低的也會通過開窗形式進行升溫。以上行為均導致了冷熱源處的能耗增加。因此，針對此現(xiàn)象應該制定相應管理制度和行為規(guī)范。簡單的方法可以配備遮蓋物來擋住散熱器耗熱，將多余熱量返回熱源處，降低冷熱源處的能量輸出。對于已經加裝的溫控閥等調節(jié)裝置的熱用戶，要配備使用說明書，對實驗室工作人員進行相關培訓。與此同時，加強對用戶行為進行走訪調查，對于室溫的情況進行詳細記錄，并采取相關措施進行節(jié)能改造，通過技術方案改造和約束用戶側行為，保證在末端處的系統(tǒng)節(jié)能。

結語

本文針對實驗室建筑物空調采暖系統(tǒng)，對系統(tǒng)全年運行能耗的建立數(shù)學模型，分析了實驗室空調系統(tǒng)能耗的影響因素。最終針對能耗影響因素提出了節(jié)能改進措施。具體結論如下：

（1）針對實驗室建筑物空調采暖系統(tǒng)搭建全年能耗數(shù)學模型并分析能耗的主要影響因素。（2）根據能耗主要影響因素，提出了空調大溫差送風、變風量變水量技術、變頻技術、清潔能源利用、儲能技術以及行為節(jié)能等主要措施，為實驗室空調系統(tǒng)節(jié)能提出節(jié)能方向。

建筑空調采暖系統(tǒng)節(jié)能是設計節(jié)能、過程節(jié)能、產品節(jié)能、技術節(jié)能、行為節(jié)能都是相輔相成的綜合節(jié)能措施。只有真正將以上節(jié)能進行綜合應用才能更好的創(chuàng)造出更加實用更加節(jié)能的公共建筑系統(tǒng)，真正做到公共建筑物的節(jié)能減排。