某地下車(chē)間空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化控制集成設(shè)計(jì)

榮祥森，鄧章林*，吳貫青，段 帥，黃春杰，金曉公，宗禹賾

(1.中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心高速所，四川 綿陽(yáng) 621000；2.陸軍工程大學(xué) 國(guó)防工程學(xué)院，江蘇 南京 210007；3.軍事科學(xué)院 國(guó)防工程研究院，北京 100000；4.31659部隊(duì)，福建 廈門(mén) 361000)

0 引言

某地下車(chē)間屬于地下工程，位于四川綿陽(yáng)，具有濕負(fù)荷明顯、房間功能分區(qū)清晰等特點(diǎn)。本文闡述的是在保障滿足人員對(duì)環(huán)境熱濕舒適健康等要求的基礎(chǔ)上，對(duì)工程空調(diào)除濕系統(tǒng)進(jìn)行智能控制優(yōu)化集成設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)工程在日常運(yùn)行更節(jié)能、內(nèi)部環(huán)境健康和舒適的目標(biāo)。

該地下車(chē)間由試驗(yàn)大廳和控制室兩個(gè)區(qū)域組成(見(jiàn)圖1)，其中試驗(yàn)大廳面積約1 500 m2，層高10 m;控制室共兩層，面積約300 m2，層高4 m，包含機(jī)房、控制間、電源間、庫(kù)房、休息室等功能房間。試驗(yàn)大廳平時(shí)運(yùn)行期間人員數(shù)量少于8人，設(shè)備產(chǎn)生熱量20 kW?？刂剖胰藛T數(shù)量少于10人，設(shè)備產(chǎn)生熱量30 kW。原工程試驗(yàn)大廳設(shè)計(jì)送風(fēng)量38 000 m3/h,新風(fēng)量18 000 m3/h，利用控制間回風(fēng)8 000 m3/h，大廳回風(fēng)12 000 m3/h；控制室設(shè)計(jì)新風(fēng)量8 000 m3/h；工程排風(fēng)22 000 m3/h。工程采用兩臺(tái)除濕機(jī)分別對(duì)試驗(yàn)大廳、控制室的空氣進(jìn)行熱濕處理。冬季采用鍋爐熱水供暖模式。經(jīng)計(jì)算及系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)不僅運(yùn)行成本大，而且工程環(huán)境參數(shù)難以滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。為解決上述能耗大、環(huán)境沒(méi)法滿足舒適健康要求等問(wèn)題，對(duì)原工程方案進(jìn)行優(yōu)化。

圖1 除濕空調(diào)系統(tǒng)

1 車(chē)間空調(diào)除濕方案設(shè)計(jì)

該地下車(chē)間屬于地下工程，不僅具有地下工程特性，還具有功能房間區(qū)域劃分性。其圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱濕特性與地面建筑有著顯著的不同，具體表現(xiàn)為冬暖夏涼，其夏季空調(diào)冷負(fù)荷和冬季熱負(fù)荷顯著低于地面建筑，夏季空調(diào)時(shí)屬于小余熱工程[1]；在濕特性方面，由于地下建筑圍護(hù)周邊在地下水作用下，存在壁面散濕，濕負(fù)荷大于同類(lèi)地面建筑。針對(duì)這一特點(diǎn)，系統(tǒng)優(yōu)化方案中，試驗(yàn)大廳采用集中式除濕空調(diào)系統(tǒng)，控制區(qū)域采用獨(dú)立新風(fēng)+新型水環(huán)熱泵除濕空調(diào)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)新風(fēng)量變頻控制、調(diào)節(jié)控制、水系統(tǒng)冷熱負(fù)荷能量轉(zhuǎn)移、排風(fēng)量控制、室內(nèi)外溫濕度監(jiān)測(cè)等手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程節(jié)能運(yùn)行管理。

1.1 大廳空調(diào)除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

大廳空調(diào)機(jī)房仍利用原空調(diào)機(jī)房，大廳空調(diào)除濕機(jī)的空調(diào)保障范圍：大廳車(chē)間、工作車(chē)間。其中，大廳車(chē)間和工作車(chē)間設(shè)置送風(fēng)管送風(fēng)。大廳除濕空調(diào)機(jī)不再接收控制室回風(fēng)系統(tǒng)的回風(fēng)，只接受其送風(fēng)區(qū)域的回風(fēng)。大廳屬于小余熱地下工程，若采用冷水機(jī)組+組合式空調(diào)器方案，則需要在空調(diào)器中增加電加熱裝置，若采用除濕空調(diào)機(jī)，利用冷凝熱(廢熱)再熱，大大降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗，故大廳空調(diào)采用除濕空調(diào)機(jī)，選擇除濕空調(diào)機(jī)型號(hào)為ZCK220，制冷量210 kW，除濕量110 kg/h，送風(fēng)量35 000 m3/h，機(jī)組的總功率為59 kW。經(jīng)計(jì)算空調(diào)區(qū)域的換氣次數(shù)約為7次/小時(shí)，取新風(fēng)量為9 000 m3/h(新風(fēng)比26%)，一方面考慮維持工程的空氣質(zhì)量，另一方面將降低空調(diào)運(yùn)行能耗和設(shè)備容量。

試驗(yàn)大廳冬季工況，由于整個(gè)工程比較干燥，工程大廳二層產(chǎn)生霉變污染的可能大大降低，故新風(fēng)量和排風(fēng)量均可以降低。因此，新風(fēng)取3 000 m3/h，這樣一方面可以滿足人員衛(wèi)生要求，并且可以確保冬季無(wú)需加濕和加熱，省去原來(lái)的鍋爐熱水系統(tǒng)。過(guò)渡季節(jié)工況，新風(fēng)取11 000 m3/h，因在過(guò)渡季節(jié)除濕機(jī)組不工作，過(guò)大的新風(fēng)會(huì)增大送風(fēng)和排風(fēng)系統(tǒng)的輸送能耗。

1.2 控制區(qū)空調(diào)除濕系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

控制區(qū)空調(diào)設(shè)備的保障范圍為控制區(qū)一樓和二樓的各個(gè)空調(diào)房間，考慮到二樓房間及一樓庫(kù)房平時(shí)使用較少，在通往該區(qū)域的送風(fēng)管設(shè)置多電動(dòng)葉調(diào)節(jié)閥，進(jìn)行風(fēng)量輸送分配調(diào)節(jié)。

控制區(qū)空調(diào)設(shè)備采用新風(fēng)處理機(jī)組+新型水環(huán)熱泵除濕空調(diào)器，新風(fēng)處理機(jī)組給各個(gè)空調(diào)房間提供空調(diào)送風(fēng)。水環(huán)熱泵除濕空調(diào)器采用 “單壓縮機(jī)雙循環(huán)系統(tǒng)”技術(shù)，具有制冷、制熱、微升溫除濕、微降溫除濕和通風(fēng)5種運(yùn)行模式。控制區(qū)域夏季新風(fēng)為3 000 m3/h或1 000 m3/h；過(guò)渡季節(jié)工況，新風(fēng)取4 000 m3/h；冬季新風(fēng)為1 500 m3/h或650 m3/h(見(jiàn)表1)。

表1 控制區(qū)域不同保障模式下的新風(fēng)量 單位：m3/h

1.3 排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

整個(gè)工程設(shè)一個(gè)排風(fēng)機(jī)，排風(fēng)機(jī)設(shè)置在原大廳空調(diào)機(jī)房?jī)?nèi)，排風(fēng)機(jī)選低噪聲風(fēng)機(jī)箱，風(fēng)量16 000 m3/h。排風(fēng)機(jī)和大廳二層的排風(fēng)管相連接，排風(fēng)機(jī)工作時(shí)，吸入大廳二層的空氣，通過(guò)排風(fēng)機(jī)排出工程外。夏季排風(fēng)機(jī)關(guān)閉，系統(tǒng)排風(fēng)從大門(mén)排出，工程內(nèi)排風(fēng)在工程超壓作用下，這樣可以阻止室外新風(fēng)滲入工程，保持進(jìn)入工程的通道干燥，防止室外壁面工程外潮濕空氣滲入而在通道壁面結(jié)露。冬季排風(fēng)機(jī)仍關(guān)閉，工程內(nèi)排風(fēng)在工程超壓作用下，通過(guò)工程大門(mén)排出，保持通道內(nèi)溫度在適宜的范圍內(nèi)。過(guò)渡季節(jié)排風(fēng)機(jī)打開(kāi)，排風(fēng)量等于進(jìn)風(fēng)量。在夏季和冬季，除濕機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)大廳二層的空氣溫濕度，如果相對(duì)濕度超標(biāo)時(shí)，必須開(kāi)啟排風(fēng)機(jī)，但必須對(duì)排風(fēng)量進(jìn)行控制，使其小于工程新風(fēng)量[2]。

1.4 新風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

工程的新風(fēng)機(jī)設(shè)置在原工程的新風(fēng)機(jī)房，新風(fēng)機(jī)選低噪聲風(fēng)機(jī)箱，風(fēng)量18 000 m3/h。該工程的新風(fēng)是空調(diào)系統(tǒng)的能耗大戶(hù)，尤其是本工程為地下工程，其在夏季和冬季的能耗占整個(gè)工程總能耗的50%以上。新風(fēng)的作用除了滿足工程內(nèi)人員的換氣要求，最重要的作用就是排除工程可能產(chǎn)生的有害物質(zhì)，對(duì)于大廳車(chē)間，二層雖然沒(méi)有人工作，如果不通風(fēng)和除濕，就會(huì)霉變，產(chǎn)生異味。因此，在夏季的設(shè)計(jì)新風(fēng)量為9 000 m3/h，冬季工程相對(duì)濕度較低，比較干燥，新風(fēng)取3 000 m3/h，既滿足人員換氣需要，又可以排除工程內(nèi)的有害氣體。

1.5 冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的冷卻裝置仍選用冷卻塔+水箱。在夏季選用閉式冷卻塔，被冷卻介質(zhì)在密閉的管道內(nèi)流動(dòng)不與外界空氣相接觸，熱量通過(guò)換熱器管壁與外部的空氣、噴淋水進(jìn)行換熱，最終實(shí)現(xiàn)冷卻介質(zhì)降溫的設(shè)備。

通過(guò)水系統(tǒng)將控制室、網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、電源間等房間的熱量遷移到水箱，同時(shí)也將其他庫(kù)房小余熱房間冷量遷移到水箱，這樣機(jī)房熱量可以平衡其他小余熱房間的熱濕負(fù)荷。

2 智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

按《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50189—2015)和《建筑設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ/T 334—2014)，為了實(shí)現(xiàn)工程的節(jié)能運(yùn)行，必須對(duì)工程的新風(fēng)量、排風(fēng)量及其除濕機(jī)的制冷量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，因此，專(zhuān)門(mén)設(shè)立除濕系統(tǒng)智能化控制系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)采用分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其管理計(jì)算機(jī)設(shè)置在工程的控制機(jī)房。該智能化系統(tǒng)的功能如下：

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工程大廳和各個(gè)房間的溫度、濕度參數(shù)，并將大廳區(qū)域的溫濕度控制在要求的范圍內(nèi)，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為智能化控制系統(tǒng)輔助決策參數(shù)依據(jù)。

(2)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)兩個(gè)空調(diào)區(qū)域的CO2濃度，這些監(jiān)測(cè)點(diǎn)作為智能化控制系統(tǒng)輔助決策參數(shù)依據(jù)。

(3)根據(jù)室外氣象參數(shù)，控制工程的新風(fēng)量和排風(fēng)量，使工程既滿足人員衛(wèi)生要求，又降低系統(tǒng)的運(yùn)行能耗。

(4)因控制室空調(diào)區(qū)域的換氣次數(shù)(4次)偏小，但其中一樓、二樓庫(kù)房平時(shí)不使用，在確保一樓、二樓庫(kù)房干燥(相對(duì)濕度滿足要求)的前提下，可通過(guò)將安裝在風(fēng)管上風(fēng)管的電動(dòng)風(fēng)閥的閥門(mén)關(guān)小，實(shí)現(xiàn)減少一樓、二樓庫(kù)房的送風(fēng)量，確保一樓房間的換氣次數(shù)控制算法，這樣既滿足了使用要求，又避免該區(qū)域空調(diào)裝機(jī)容量和運(yùn)行能耗都偏大的情況出現(xiàn)。

3 節(jié)能分析

3.1 智能控制系統(tǒng)輔助決策參數(shù)

室外平均溫度：

(1)

室外平均濕度：

(2)

室內(nèi)平均溫度：

(3)

室內(nèi)平均濕度：

(4)

(5)

(6)

3.2 試驗(yàn)大廳的運(yùn)行控制策略

試驗(yàn)大廳屬于大空間區(qū)域，空調(diào)運(yùn)行模式為夏季模式、過(guò)渡季節(jié)運(yùn)行模式、冬季運(yùn)行模式，結(jié)合試驗(yàn)大廳對(duì)溫度、濕度和CO2濃度均有要求，下面對(duì)其運(yùn)行策略進(jìn)行分析。

3.2.1 夏季模式

由于試驗(yàn)大廳人員很少，根據(jù)空調(diào)除濕設(shè)計(jì)要求，智能控制系統(tǒng)將試驗(yàn)大廳新風(fēng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)至75%，通過(guò)管道式風(fēng)量計(jì)反饋風(fēng)量值與設(shè)計(jì)值比較，經(jīng)變頻器不斷反饋調(diào)節(jié)新風(fēng)風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，直至新風(fēng)風(fēng)量≥6 500 m3/h且≤7 500 m3/h。除濕空調(diào)機(jī)組選擇調(diào)溫除濕模式運(yùn)行，新風(fēng)風(fēng)量自動(dòng)控制如圖2所示。

圖2 新風(fēng)風(fēng)量自動(dòng)控制

3.2.2 過(guò)渡季節(jié)模式

圖3 綿陽(yáng)當(dāng)?shù)?971—2000年基本氣候情況

3.2.3 冬季模式

進(jìn)入冬季，因?yàn)樵囼?yàn)大廳人員極少，試驗(yàn)大廳新風(fēng)量根據(jù)空調(diào)除濕設(shè)計(jì)要求，智能控制系統(tǒng)將試驗(yàn)大廳新風(fēng)調(diào)節(jié)閥自動(dòng)調(diào)節(jié)至50%，通過(guò)管道式風(fēng)量計(jì)反饋風(fēng)量值與設(shè)計(jì)值比較，新風(fēng)接力風(fēng)機(jī)關(guān)閉，直至新風(fēng)風(fēng)量≥2 500 m3/h且≤3 500 m3/h。除濕空調(diào)機(jī)組選擇通水模式運(yùn)行，利用控制區(qū)域水環(huán)熱泵制冷產(chǎn)生余熱放進(jìn)水箱，通過(guò)水泵進(jìn)行局部循環(huán)，將>25 ℃通往除濕機(jī)組的盤(pán)管與新風(fēng)進(jìn)行熱交換，隨著熱水進(jìn)出口溫差的加大，除濕空調(diào)機(jī)組盤(pán)管換熱能力均升高[5],實(shí)現(xiàn)給新風(fēng)升溫。

3.3 控制區(qū)域的運(yùn)行控制策略

控制區(qū)域包含大部分閑置庫(kù)房、幾間機(jī)房及控制間，運(yùn)行模式為夏季模式、過(guò)渡季節(jié)運(yùn)行模式、冬季運(yùn)行模式，結(jié)合控制區(qū)域?qū)囟?、濕度和CO2濃度均有要求，下面對(duì)其運(yùn)行策略進(jìn)行分析。

3.3.1 夏季模式

表2 控制區(qū)域夏季模式新風(fēng)閥開(kāi)度控制 單位：%

3.3.2 過(guò)渡季節(jié)模式

表3 控制區(qū)域過(guò)渡季節(jié)模式新風(fēng)閥開(kāi)度控制 單位：%

3.3.3 冬季模式

表4 控制區(qū)域冬季模式新風(fēng)閥開(kāi)度控制 單位：%

4 結(jié)語(yǔ)

該工程通過(guò)多環(huán)境參數(shù)檢測(cè)、比較以及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，結(jié)合專(zhuān)業(yè)知識(shí)，利用新風(fēng)量合理調(diào)配、冷卻水系統(tǒng)能量遷移、末端根據(jù)實(shí)際使用需求靈活選擇等手段，在初步設(shè)計(jì)、深化設(shè)計(jì)、施工、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試、智能化系統(tǒng)集成各個(gè)環(huán)節(jié)，密切加強(qiáng)自動(dòng)化系統(tǒng)與設(shè)備系統(tǒng)配合，確保工程 BA系統(tǒng)要達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和設(shè)備系統(tǒng)一體化集成。