二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)在某體育館工程中的應(yīng)用

廖樂陽 劉欽 郭金龍

中建八局西南分公司

大型劇場、體育館類建筑的觀眾席具有空間大、高差大等特點(diǎn)。采用常規(guī)的上送風(fēng)等氣流組織形式，往往難以取得理想的空調(diào)效果；而座椅送風(fēng)等置換通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)可以獲得良好的溫度分布和氣流組織，實(shí)現(xiàn)分層空調(diào)，節(jié)省空調(diào)能耗[1]。座椅下送風(fēng)的出風(fēng)口離人體較近，送風(fēng)溫度不宜過低，一般送風(fēng)溫差不超過5°C。與一次回風(fēng)系統(tǒng)相比，二次回風(fēng)系統(tǒng)利用室內(nèi)回風(fēng)提高送風(fēng)溫度，省去再熱過程，是一種節(jié)能的空調(diào)系統(tǒng)，但是其控制策略與系統(tǒng)比較復(fù)雜。實(shí)際工程中，由于控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或運(yùn)行方法不合理，系統(tǒng)的節(jié)能效果往往較差，甚至導(dǎo)致空調(diào)參數(shù)偏離設(shè)計(jì)要求。

1 一/二次回風(fēng)系統(tǒng)特點(diǎn)

一次回風(fēng)系統(tǒng)和二次回風(fēng)系統(tǒng)都屬于全空氣集中式空調(diào)系統(tǒng)，是出現(xiàn)最早、最基本、最典型的空調(diào)系統(tǒng)[2]。一次回風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)與新風(fēng)在熱濕處理設(shè)備前完成混合，而二次回風(fēng)系統(tǒng)的新風(fēng)與回風(fēng)在熱濕處理設(shè)備前混合并經(jīng)過處理后再次與回風(fēng)進(jìn)行混合。就適用范圍而言，一次回風(fēng)系統(tǒng)適用于室內(nèi)散濕量大、送風(fēng)溫差大的場合，比二次回風(fēng)系統(tǒng)使用更廣泛；二次回風(fēng)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，但是更適合室溫波動(dòng)小、潔凈級別更高的空調(diào)系統(tǒng)[3]。

2 一/二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗比較

2.1 夏季工況

圖1 為一、二次回風(fēng)空調(diào)夏季工況焓濕圖。

圖1 一、二次回風(fēng)夏季工況焓濕圖

夏季工況下，采用一次回風(fēng)系統(tǒng)的熱平衡方程為Q1-Q2+Gwiw+G1iN=Gb；總耗能量Q=Q1+Q2。采用二次回風(fēng)系統(tǒng)的熱平衡方程為Q/+Gwiw+G/1iN+G2iN=GiO；其中G1=G/1+G2。節(jié)能量駐Q=Q-Q/=2Q2，即節(jié)能量等于再熱量的2 倍。送風(fēng)溫差越小，一次回風(fēng)系統(tǒng)的再熱損失越大，采用二次回風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能效果越好。因此二次回風(fēng)系統(tǒng)適合較小溫差送風(fēng)系統(tǒng)，但減小溫差會(huì)導(dǎo)致總送風(fēng)量的增大，風(fēng)機(jī)的能耗也會(huì)加大。

2.2 冬季工況

圖2 為一、二次回風(fēng)冬季工況焓濕圖。

圖2 一、二次回風(fēng)冬季工況焓濕圖

冬季工況下，一次回風(fēng)加熱量Q1=G(iO1-iC1)。在總的送風(fēng)量一定的情況下，二次回風(fēng)系統(tǒng)的一次回風(fēng)量更少所以一次混合點(diǎn)比一次回風(fēng)系統(tǒng)低。二次回風(fēng)加熱量Q2=(G-G2)(iO-iC)；可以證明[(iO1-iC1)/(iO-iC)]=[(G-G2)/G] ；所以Q2=G2[(iO1-iC1)/(iO-iC)]/(iO-iC)=Q1；由此可知冬季工況下，與一次回風(fēng)系統(tǒng)相比,二次回風(fēng)系統(tǒng)其實(shí)并不節(jié)能。

3 工程實(shí)例分析

3.1 工程簡介

成都市鳳凰山體育中心項(xiàng)目是由中建八局西南公司牽頭的EPC 項(xiàng)目。項(xiàng)目主體分為足球場，體育館和商業(yè)中心三個(gè)部分。其中體育館部分房間眾多、功能復(fù)雜，采用的空調(diào)形式也比較多樣化。體育館比賽大廳的觀眾席采用座椅送風(fēng)，通過“置換通風(fēng)”的氣流組織方式將人員聚集產(chǎn)生的余熱余濕從大廳頂部回風(fēng)口排出。如圖3 所示，觀眾席座椅送風(fēng)系統(tǒng)采用二次回風(fēng)系統(tǒng)，其空調(diào)設(shè)備主要由粗效過濾段+表冷段+電極過濾段組成，沒有設(shè)置加濕段。夏季工況下，可以通過表冷器的冷卻除濕控制濕度。冬季時(shí)，室外空氣濕度較高，室內(nèi)濕度設(shè)定為自然濕度。

圖3 二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)

3.2 空調(diào)系統(tǒng)控制策略及分析

比賽大廳環(huán)境溫度分布不均，在垂直方向往往有著較大的溫度梯度，且座椅送風(fēng)系統(tǒng)出風(fēng)溫度受人體舒適溫度影響，需要嚴(yán)格控制，所以監(jiān)控送風(fēng)管內(nèi)的送風(fēng)溫度，并以此控制觀眾區(qū)的環(huán)境溫度。

3.2.1 送風(fēng)溫度的控制及再設(shè)定

制冷工況：當(dāng)檢測的送風(fēng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，先通過調(diào)小二次回風(fēng)閥的開度使實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值，若二次回風(fēng)閥調(diào)節(jié)至最小，送風(fēng)溫度仍高于設(shè)定值，則根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行比例積分計(jì)算，調(diào)大盤管回水管上的電動(dòng)二通水閥開度，以保證實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)檢測的送風(fēng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行比例積分計(jì)算，先調(diào)小盤管回水管上的電動(dòng)二通水閥開度，若水閥調(diào)節(jié)至最小，送風(fēng)溫度仍低于設(shè)定值，則調(diào)大二次回風(fēng)閥開度，以保證實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。

該控制方案總是傾向于保持冷負(fù)荷下的最小水流量，最大限度地利用二次回風(fēng)的“再熱量”。同時(shí)也可以避免因送風(fēng)溫度波動(dòng)造成閥門來回的開閉，影響門的壽命，但是閥門的開度過小，會(huì)增加系統(tǒng)的輸送能耗，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)，應(yīng)當(dāng)使閥門保持一定的開度。

制熱工況：當(dāng)檢測的送風(fēng)溫度低于設(shè)定值時(shí)，先通過調(diào)大二次回風(fēng)閥的開度使實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值，若二次回風(fēng)閥調(diào)節(jié)至最大，送風(fēng)溫度仍低于設(shè)定值，則根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行比例積分計(jì)算，調(diào)大盤管回水管上的電動(dòng)二通水閥開度，以保證實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。當(dāng)檢測的送風(fēng)溫度高于設(shè)定值時(shí)，根據(jù)送風(fēng)溫度與設(shè)定值的偏差進(jìn)行比例積分計(jì)算，先調(diào)小盤管回水管上的電動(dòng)二通水閥開度，若水閥調(diào)節(jié)至最小，送風(fēng)溫度仍低于設(shè)定值，則調(diào)小二次回風(fēng)閥開度，以保證實(shí)際送風(fēng)溫度達(dá)到設(shè)定值。

根據(jù)上文分析可知，對比一次回風(fēng)系統(tǒng)制熱工況，二次回風(fēng)系統(tǒng)制熱工況并不節(jié)能。而且由于調(diào)節(jié)參數(shù)更多，二次回風(fēng)系統(tǒng)的調(diào)控更為復(fù)雜，因此制熱工況下，可以考慮關(guān)閉二次回風(fēng)閥，直接采取一次回風(fēng)的工作形式。

3.2.2 過渡季節(jié)新風(fēng)量控制

當(dāng)室外空氣焓值在回風(fēng)焓值與要求的送風(fēng)焓值之間，新風(fēng)閥全開，調(diào)節(jié)回風(fēng)閥開度，最大化利用室外新風(fēng)冷源。當(dāng)室外空氣焓值低于要求的送風(fēng)焓值，調(diào)節(jié)新/回風(fēng)閥開度，使混風(fēng)溫度達(dá)到要求的送風(fēng)溫度以控制室溫。

3.3 運(yùn)行能耗比較

比賽大廳觀眾席共18000 人，夏季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度26°C，相對濕度60%。冬季室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度18°C，室內(nèi)濕度為自然濕度。經(jīng)負(fù)荷計(jì)算，室內(nèi)冷負(fù)荷為1800.57 kW，新風(fēng)冷負(fù)荷2199.5 kW，總冷負(fù)荷3926.7 kW，濕負(fù)荷為937.44 kg/h。冬季室內(nèi)人員眾多，余熱量較大，基本不存在制熱工況，因此僅對制冷工況進(jìn)行比較。

3.3.1 不同送風(fēng)溫度下工作狀態(tài)比較

由上文分析可知，夏季制冷工況下，影響一、二次回風(fēng)系統(tǒng)耗能量的參數(shù)是送風(fēng)溫度；溫差越大，一次回風(fēng)的再熱量越小，與二次回風(fēng)系統(tǒng)能耗越接近。在室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)不變，即室內(nèi)冷負(fù)荷和濕負(fù)荷不變的條件下，選取不同的送風(fēng)溫度，分別計(jì)算該溫度下的系統(tǒng)制冷量和送風(fēng)量，結(jié)果如表1。

從表1 中可以看出隨著送風(fēng)溫度升高時(shí)，一次回風(fēng)系統(tǒng)再熱量有著明顯的增長，而一次回風(fēng)系統(tǒng)的再熱段一般采用電加熱，其能源利用效率也遠(yuǎn)低于壓縮式熱泵機(jī)組。二次回風(fēng)系統(tǒng)的總制冷量未發(fā)生變化，僅是二次回風(fēng)量和總送風(fēng)量增加。當(dāng)采取機(jī)器露點(diǎn)溫度送風(fēng)時(shí)，一次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷量基本等于房間總冷負(fù)荷，而二次回風(fēng)系統(tǒng)的制冷量始終保持不變，基本上不存在冷量的損失。采用“置換通風(fēng)”的空調(diào)系統(tǒng)，其人員活動(dòng)區(qū)距地0.1 m 處的送風(fēng)溫度應(yīng)不小于22°C，而此時(shí)的露點(diǎn)溫度為16.5°C，直接送風(fēng)會(huì)使觀眾會(huì)產(chǎn)生“吹冷風(fēng)感”，因此需要提高送風(fēng)溫度。觀眾席二次回風(fēng)系統(tǒng)實(shí)際設(shè)計(jì)送風(fēng)溫度為21°C，考慮到整個(gè)系統(tǒng)的路徑較長，存在管道溫升等因素，此送風(fēng)溫度是比較適宜的，同時(shí)總送風(fēng)量相對于23°C時(shí)也減少了約40%，節(jié)省了風(fēng)機(jī)能耗。

表1 制冷工況一、二次回風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行比較

3.3.2 運(yùn)行電量比較

就目前體育館上座率、使用頻率和使用時(shí)長看，大多數(shù)體育館使用狀況遠(yuǎn)未達(dá)到設(shè)計(jì)工況[4]?；@球比賽上座率最高，一般能達(dá)到70%～80%，使用時(shí)間也集中在賽季階段。但大部分賽事上座率僅為30%～50%，全年使用次數(shù)少[5]。考慮到該場館為綜合性場館及其功能定位，其上座率取值60%比較合理。大型離心機(jī)組的COP 值一般在6.4～6.7 之間。體育館承接比賽時(shí)的時(shí)長2～4 h，則比賽日空調(diào)機(jī)組以21°C運(yùn)行時(shí)，節(jié)電量最大約為1629～3258 kW·h，二次回風(fēng)系統(tǒng)相對于一次回風(fēng)系統(tǒng)，節(jié)約再熱能耗約為57.5%。整個(gè)制冷季節(jié)按30 個(gè)比賽日計(jì)算，則制冷季節(jié)節(jié)能量48870～97740 kW·h。

4 結(jié)論

該項(xiàng)目的觀眾區(qū)空調(diào)系統(tǒng)采用二次回風(fēng)系統(tǒng)比較適合，與一次回風(fēng)系統(tǒng)比較，節(jié)省了調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度時(shí)的再熱量損失。同時(shí)其自控系統(tǒng)也總是保持相同負(fù)荷下的最小水閥開度，節(jié)省了主機(jī)運(yùn)行的能耗。但是，減小水閥的開度同時(shí)會(huì)導(dǎo)致水泵運(yùn)行能耗的增加。在加熱工況下，仍采用調(diào)節(jié)二次風(fēng)閥的開度來調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度是難以實(shí)現(xiàn)的，不應(yīng)簡單的復(fù)制制冷工況的控制策略。通過分析并結(jié)合實(shí)際，得出下列結(jié)論：

1）制冷工況下，二次回風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的二次回風(fēng)量與送風(fēng)溫度存在直接聯(lián)系?？照{(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，通過調(diào)控二次回風(fēng)量來控制送風(fēng)溫度可以最大程度利用室內(nèi)空氣的熱量，而不會(huì)增加水側(cè)能耗。

2）制熱工況下，調(diào)節(jié)二次回風(fēng)閥的開度調(diào)節(jié)送風(fēng)溫度的本質(zhì)是調(diào)節(jié)總送風(fēng)量，但是調(diào)控的復(fù)雜程度更高，而調(diào)控一次回風(fēng)閥的開度更加簡單直接?？梢钥紤]關(guān)閉二次回風(fēng)閥，直接控制一次回風(fēng)量。

3）過渡季節(jié)，關(guān)閉二次風(fēng)閥，測定室內(nèi)外焓差，調(diào)節(jié)新風(fēng)和回風(fēng)比例，充分利用新風(fēng)的冷量。