負(fù)壓通風(fēng)環(huán)境下自適應(yīng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

胡 洪 張偉程

(上海建筑設(shè)計研究院有限公司,上海)

1 項目概況

上海市檢測中心位于張江高科技園區(qū)張衡路1500號。其功能主要包括計量校準(zhǔn)、食品藥品檢驗、包裝材料檢驗、生物安全檢測等,建立了約200個功能實驗區(qū),擁有500多個現(xiàn)代化實驗室,成為長江三角洲地區(qū)具有國際先進(jìn)水平的檢測平臺。生物與安全檢測實驗樓(又名生物量樓)為上海檢測中心的核心檢驗大樓,主要承擔(dān)環(huán)境樣品、食品、農(nóng)產(chǎn)品、化學(xué)品等多種功能性檢測。而這些檢測實驗大部分都需要在一定的溫濕度環(huán)境中展開,實驗室環(huán)境條件直接影響著各種實驗或檢測的結(jié)果,實驗室環(huán)境工藝對溫度和濕度有較嚴(yán)格的要求,室內(nèi)的溫濕度和氣流速度等對在實驗室工作的人員和儀器設(shè)備都存在影響,需要控制溫濕度滿足實驗要求;同時為了外部環(huán)境安全,檢測過程中各實驗室對外均需要保持一定的負(fù)壓。

生物量樓共3層,樓內(nèi)各房間面積相對較小,空調(diào)末端為風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)的形式,空調(diào)冷熱源由能源中心集中供應(yīng)。各檢驗區(qū)域內(nèi)空調(diào)及新風(fēng)末端共同確保各檢驗實驗室處于要求的溫濕度環(huán)境下;同時各檢測區(qū)設(shè)有房間全面排風(fēng)系統(tǒng),以及萬向排氣罩、排風(fēng)柜、生物安全柜等工藝排風(fēng)系統(tǒng);新風(fēng)系統(tǒng)也對應(yīng)設(shè)有房間平時新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)(滿足房間正常的衛(wèi)生和負(fù)壓要求),以及工藝排風(fēng)的新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)(對應(yīng)于工藝排風(fēng)設(shè)置)。上述新、排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)置,可確保各檢測實驗室滿足人員衛(wèi)生、環(huán)境衛(wèi)生要求,并維持實驗室的負(fù)壓運(yùn)行,以確保外部環(huán)境的安全。多年來,該中心檢測業(yè)務(wù)不斷發(fā)展,生物量樓實驗室內(nèi)部不斷新增萬向排氣罩、排風(fēng)柜、生物安全柜、局部排風(fēng)等排風(fēng)系統(tǒng)。隨著內(nèi)部排風(fēng)點(diǎn)位、排風(fēng)系統(tǒng)等的不斷增加,用于補(bǔ)充排風(fēng)對應(yīng)的新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)卻沒有增加(有部分房間因溫度失控后增加了分體空調(diào)),最終導(dǎo)致生物量樓出現(xiàn)室內(nèi)負(fù)壓過大、墻體及風(fēng)口凝露、溫濕度失控等問題。

2 改造要求和目標(biāo)

在改造設(shè)計前,與業(yè)主進(jìn)行了溝通,業(yè)主對本次改造提出了以下要求和目標(biāo):

1) 本次改造需解決因大量增加排風(fēng)導(dǎo)致的新風(fēng)量不足、負(fù)壓過大、凝露、房間溫濕度失控等問題,且需在工作期間確保大樓室內(nèi)區(qū)域與室外呈微負(fù)壓(-10～-5 Pa)。大樓內(nèi)部雖布置多個獨(dú)立的檢測房間,但多年來為解決風(fēng)量失衡、溫濕度失控等問題,檢測人員在整個檢測過程中已習(xí)慣將內(nèi)部各檢測房間的門保持常開,本次改造業(yè)主也明確今后內(nèi)部各房間房門可按常開運(yùn)行,整個樓層可按一個連通的大空間考慮,只要確保大樓內(nèi)部整體與室外微負(fù)壓即可。

2) 不得對原各實驗室的溫濕度造成不利影響,并有助于各實驗室現(xiàn)有空調(diào)設(shè)備對實驗室環(huán)境的溫濕度控制。

3) 本次改造應(yīng)充分調(diào)研各實驗室的后續(xù)需求,系統(tǒng)上應(yīng)考慮實驗室后續(xù)一定的業(yè)務(wù)拓展需求。

4) 整個改造過程中,應(yīng)盡可能不影響或少影響日常檢測工作。

5) 預(yù)算經(jīng)費(fèi)有限,應(yīng)考慮改造方案的經(jīng)濟(jì)性。

6) 改造過程應(yīng)盡可能減少對現(xiàn)有土建的破壞。

7) 新增空調(diào)系統(tǒng)需接入原樓宇自動化控制系統(tǒng)(BAS)。

8) 本次改造不涉及消防,不得對原有消防產(chǎn)生影響。

3 擬采取的技術(shù)方案

3.1 現(xiàn)場壓差與溫濕度實測

為了獲得現(xiàn)場壓差和溫濕度的數(shù)據(jù),業(yè)主委托了專業(yè)團(tuán)隊對室內(nèi)壓差分布、溫濕度等進(jìn)行了實測,并編寫了診斷優(yōu)化報告①。根據(jù)報告內(nèi)容,每層壓差測試結(jié)果如圖1所示,各房間溫濕度測試結(jié)果如圖2所示。

注:101～116、201～223、301～321為房間號。圖1 平面壓差分布圖

圖2 各房間溫濕度實測數(shù)據(jù)

①上海市檢測中心生物與安全檢測實驗樓空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行及BA系統(tǒng)控制診斷優(yōu)化報告,2018.

根據(jù)現(xiàn)場測試及調(diào)研發(fā)現(xiàn),該項目存在較為明顯的室內(nèi)負(fù)壓情況,室內(nèi)負(fù)壓主要表現(xiàn)在以下方面:

1) 1層入戶大門難以推開,閉門狀態(tài)下存在明顯風(fēng)嘯聲,大廳內(nèi)外壓差達(dá)到111 Pa;

2) 1層南側(cè)通道風(fēng)感強(qiáng)烈,閉門狀態(tài)下內(nèi)外壓差達(dá)到121 Pa;

3) 1層準(zhǔn)備室(110房間)存在較明顯的排風(fēng)量大于送風(fēng)量現(xiàn)象;

4) 1層西區(qū)部分實驗室負(fù)壓明顯,主要是由室內(nèi)排風(fēng)設(shè)備造成的;

5) 2層西區(qū)房間不存在明顯的室內(nèi)外壓差;

6) 2層?xùn)|區(qū)前處理室(221房間)存在顯著的負(fù)壓情況,其相對周邊房間均為負(fù)壓狀態(tài);

7) 3層?xùn)|區(qū)準(zhǔn)備室(301房間)存在負(fù)壓情況,其相對周邊房間均為負(fù)壓狀態(tài);

8) 3層西北樓梯口存在負(fù)壓,該狀態(tài)是由2層負(fù)壓較強(qiáng)導(dǎo)致的。

從圖2可以看出,室內(nèi)溫度主要分布在23～25 ℃之間,部分房間溫度約為27 ℃;但室內(nèi)相對濕度整體偏高,主要分布在60%～70%之間,部分區(qū)域相對濕度甚至接近90%,主要受室外滲透風(fēng)的直接影響。

3.2 確認(rèn)改造需求

室內(nèi)負(fù)壓嚴(yán)重是由于新風(fēng)與排風(fēng)的風(fēng)量不平衡導(dǎo)致的。因?qū)嶒炇业陌l(fā)展需要,實驗室內(nèi)部新增了部分排風(fēng)柜、生物安全柜、排風(fēng)罩,即新增了一些排風(fēng)系統(tǒng),但新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)卻未相應(yīng)增加。對現(xiàn)場各新風(fēng)、排風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)備銘牌進(jìn)行逐一收集和統(tǒng)計,計算大樓總額定新風(fēng)量為33 600 m3/h,總額定排風(fēng)量為71 723 m3/h,兩者差值38 123 m3/h,即通過門窗等滲透風(fēng)理論計算風(fēng)量為38 123 m3/h。

通過內(nèi)外部圍護(hù)結(jié)構(gòu)門窗的啟閉來控制滲透風(fēng)路徑用以實測滲透風(fēng)總量。測試時,將1、3層外圍護(hù)結(jié)構(gòu)大門,所有送、排風(fēng)系統(tǒng),內(nèi)部各房間門全部開啟。在建筑其他區(qū)域外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)外部無明顯壓差時,對開啟的所有大門的滲透風(fēng)量進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果顯示,該工況下建筑結(jié)構(gòu)的外部滲透風(fēng)量為45 325 m3/h。

滲透風(fēng)的測試風(fēng)量較理論計算風(fēng)量大,其中有新風(fēng)機(jī)組使用10余年設(shè)備老化導(dǎo)致送風(fēng)量不足的緣由,也有可能部分新增的排風(fēng)系統(tǒng)實際排風(fēng)量超過額定風(fēng)量。結(jié)合理論計算和現(xiàn)場實測,確定現(xiàn)階段排風(fēng)與新風(fēng)的差額為45 325 m3/h。

根據(jù)上述改造要求,對業(yè)主各檢測房間負(fù)責(zé)人進(jìn)行了走訪,獲得了各房間后續(xù)對新增排風(fēng)(生物安全)柜、萬向排氣罩、排風(fēng)系統(tǒng)等的具體需求,并按樓層統(tǒng)計,結(jié)果見表1。

表1 各樓層后續(xù)需新增排風(fēng)量 m3/h

根據(jù)現(xiàn)場實測和統(tǒng)計,目前新排風(fēng)差額為45 325 m3/h,后續(xù)需進(jìn)一步增加排風(fēng)總量為9 475 m3/h,得到總的新排風(fēng)最大差額為54 800 m3/h。改造目標(biāo)要求維持整個大樓與外界-10～-5 Pa的壓差,理論上,新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)量可以少于54 800 m3/h,考慮到新風(fēng)機(jī)組后續(xù)可能也會衰減,還有統(tǒng)計之外的新增排風(fēng)可能性,加之本次新增的新風(fēng)機(jī)組配置變頻電動機(jī)按室內(nèi)壓差進(jìn)行調(diào)頻調(diào)節(jié)風(fēng)量,以及結(jié)合業(yè)主希望留有一定安全余量等多方面因素,本次改造新風(fēng)機(jī)組選型總風(fēng)量為60 000 m3/h,考慮實驗過程排風(fēng)設(shè)備的啟?？刂?新增機(jī)組風(fēng)機(jī)配置變頻電動機(jī),可實現(xiàn)大幅度調(diào)頻。

3.3 可能的方案探討

新風(fēng)機(jī)組選型風(fēng)量確定后,需要結(jié)合現(xiàn)場條件、改造要求等考慮可行的改造方案。經(jīng)多方面考量,給出了以下3個方案供業(yè)主選擇。

1) 方案1:選用2臺30 000 m3/h的整體式直膨機(jī)組,利用東西兩側(cè)的樓梯間作為送風(fēng)豎井,各層樓梯間對室內(nèi)的門保持常開,補(bǔ)風(fēng)經(jīng)樓梯間至各樓層區(qū)域。系統(tǒng)送風(fēng)原理圖見圖3。此方案優(yōu)點(diǎn)是管路簡單,但西側(cè)樓梯因不上屋面會增加1個出屋面的土建風(fēng)井。

圖3 整體式直膨機(jī)組利用樓梯間送風(fēng)(方案1)

2) 方案2:選用2臺30 000 m3/h的整體式直膨機(jī)組,沿東西兩側(cè)外墻設(shè)置豎向送風(fēng)立管,各樓層設(shè)送風(fēng)支管。系統(tǒng)送風(fēng)原理圖見圖4。

注:VAV為變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)。圖4 整體式直膨機(jī)組利用豎向風(fēng)管送風(fēng)(方案2)

3) 方案3:選用6臺10 000 m3/h的分體式直膨機(jī)組,室內(nèi)機(jī)吊裝在各層?xùn)|西兩側(cè)吊頂內(nèi),沿外墻設(shè)置制冷劑管連接各室內(nèi)外機(jī)。系統(tǒng)送風(fēng)原理圖見圖5。

圖5 分體式直膨機(jī)組分樓層吊裝室內(nèi)機(jī)送風(fēng)(方案3)

3個方案各有特點(diǎn),為了更為直觀地顯示各方案的優(yōu)劣,將3個方案的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了匯總,見表2。

表2 3個方案的特點(diǎn)

從表2可以看出:方案1投資最省,但需樓梯間門保持常開而存在消防隱患;方案3造成室內(nèi)噪聲影響,是業(yè)主不希望的。經(jīng)過設(shè)計建議、業(yè)主內(nèi)部討論,最終確定選取方案2。

4 自適應(yīng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

確認(rèn)選用方案2后,需對該系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步設(shè)計,包括系統(tǒng)的具體控制實現(xiàn)、屋面設(shè)備和管路主要管路走向布置等。

4.1 自適應(yīng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)及控制要求

由圖4可知,屋面新增2臺30 000 m3/h風(fēng)量的整體式直膨新風(fēng)機(jī)組,通過沿外墻設(shè)置立管和各樓層設(shè)置送風(fēng)分支管路,將補(bǔ)風(fēng)送至各樓層。整個補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)自控原理圖見圖6。

注:PLC為可編程邏輯控制器;DI為數(shù)字輸入;AI為模擬輸入;DO為數(shù)字輸出;AO為模擬輸出;Δp為壓差傳感器;H為相對濕度傳感器。圖6 新增新風(fēng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)自控原理圖

設(shè)計要求新增直膨新風(fēng)機(jī)組需帶PLC控制器,對管路及房間的壓差、相對濕度、變風(fēng)量空調(diào)末端(VAV-box)等信號進(jìn)行監(jiān)控,對屋頂主機(jī)自帶PLC提出的主要控制要求如下。

1) 時間控制。

① 備機(jī)時段:設(shè)定機(jī)組在工作時段處于通電備機(jī)狀態(tài)。

② 停機(jī)時段:非工作時段,系統(tǒng)處于停機(jī)狀態(tài)。

2) 啟?？刂?。

① 啟動控制:工作時段內(nèi)當(dāng)室內(nèi)任意壓差傳感器檢測到區(qū)域負(fù)壓絕對值大于15 Pa并持續(xù)一段時間后,自動啟動補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)。

② 停機(jī)控制:當(dāng)室內(nèi)所有壓差傳感器檢測到區(qū)域負(fù)壓絕對值均小于5 Pa并持續(xù)一段時間后(或變頻風(fēng)機(jī)頻率低于某一數(shù)值并持續(xù)一段時間,具體可現(xiàn)場調(diào)試整定),補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng)自動處于停機(jī)準(zhǔn)備狀態(tài)。

3) 壓差控制。

① 室內(nèi)區(qū)域壓差控制:室內(nèi)各區(qū)域設(shè)置室內(nèi)外壓差傳感器,實時檢測室內(nèi)外的壓差(為盡可能避免室外主導(dǎo)風(fēng)對壓差檢測造成瞬時干擾,設(shè)計時每層布置2個室外壓差探頭,1個布置于北面,另一個布置于西面,均布置于上海地區(qū)主導(dǎo)風(fēng)向(東南風(fēng))的背風(fēng)面,且計算中取2個壓差數(shù)據(jù)的平均值)。通過調(diào)節(jié)VAV-box風(fēng)量維持此區(qū)域的壓差至-10～-5 Pa范圍內(nèi),當(dāng)室內(nèi)負(fù)壓絕對值小于5 Pa時,關(guān)閉對應(yīng)的VAV-box。

② 系統(tǒng)壓差控制:在主管道末端1/3處設(shè)置壓力傳感器,無論房間送風(fēng)量如何變化,通過風(fēng)機(jī)變頻轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)送風(fēng)量始終維持該處靜壓值為200 Pa(定靜壓控制,靜壓值可根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試再設(shè)定)。

4) 濕度控制。

① 夏季:采用濕度優(yōu)先控制,各區(qū)域設(shè)有相對濕度傳感器,根據(jù)相對濕度平均值控制新風(fēng)機(jī)組送風(fēng)的含濕量(主機(jī)按濕度優(yōu)先控制,通過冷凝廢熱予以再熱,以恒定送風(fēng)溫度,如可設(shè)定送風(fēng)溫度為18 ℃)。

② 冬季:根據(jù)室內(nèi)相對濕度傳感器平均值,控制冬季加濕器電磁閥的啟閉,確保冬季室內(nèi)區(qū)域的平均相對濕度在要求的范圍內(nèi)。

5) 通訊要求。

屋頂主機(jī)需采用Modbus通信協(xié)議,預(yù)留RS485通信接口與大樓BA進(jìn)行通訊。

4.2 屋面設(shè)備及主要管路布置

現(xiàn)場實地察看了立管布置條件,并綜合考慮新增進(jìn)入各樓層室內(nèi)的分支管路布置可行性及業(yè)主意見,最終確定西側(cè)立管沿209房間西側(cè)外墻布置,東側(cè)立管沿221房間東側(cè)外墻布置,各樓層分支管在室內(nèi)均有管位,立管也盡可能地藏于建筑外墻的凹角處。

4.3 大幅度調(diào)頻新風(fēng)直膨機(jī)組構(gòu)造要求

如前所述,本次新增2臺新風(fēng)機(jī)組,單臺額定風(fēng)量為30 000 m3/h?？紤]實驗過程排風(fēng)設(shè)備的啟?？刂?新增機(jī)組配置了變頻電動機(jī),在實際運(yùn)行過程中需要大幅度調(diào)頻。

根據(jù)上海地區(qū)夏季室外空氣比焓,按新風(fēng)處理至室內(nèi)等濕點(diǎn),單臺30 000 m3/h的新風(fēng)機(jī)組制冷量為360 kW。根據(jù)廠家提供的資料,因機(jī)組風(fēng)量變化較大,相應(yīng)的制冷量也會隨之有較大變化,故廠家為了適應(yīng)制冷量的變化,配置了5臺壓縮機(jī),按3大2小的原則,單臺大壓縮機(jī)制冷量90 kW、工頻,單臺小壓縮機(jī)制冷量45 kW、變頻。機(jī)組內(nèi)部由5個獨(dú)立的制冷劑盤管拼裝布滿機(jī)組迎風(fēng)橫斷面(見圖7)。

圖7 制冷劑盤管布置示意圖

廠家對機(jī)組初始配置的意圖為:5臺壓縮機(jī),5套制冷劑盤管,每臺壓縮機(jī)與對應(yīng)的每個制冷劑盤管形成獨(dú)立的制冷回路。根據(jù)新風(fēng)量及室外空氣比焓的變化,通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的運(yùn)行臺數(shù)及頻率來調(diào)節(jié)新風(fēng)機(jī)組輸出制冷量的變化。

這一控制邏輯,初看能滿足運(yùn)行調(diào)節(jié)要求,但仔細(xì)思考后,覺得存在較大問題。該新風(fēng)機(jī)組風(fēng)量和冷量在運(yùn)行過程中均存在大幅度的變化,當(dāng)新風(fēng)量較小時,制冷量需求也較小。例如,當(dāng)設(shè)計日夏季某時刻新風(fēng)量需求為額定風(fēng)量的25%,即7 500 m3/h時,需求的最大制冷量為90 kW,根據(jù)廠家控制邏輯可投入1臺90 kW的大壓縮機(jī)(或2臺45 kW的小壓縮機(jī))來滿足制冷量的要求,此時有制冷能力的制冷劑盤管也就對應(yīng)為1個大制冷劑盤管(或2個小制冷劑盤管),其他制冷劑盤管均無制冷能力。然而對于新風(fēng)來說,各個制冷劑盤管在新風(fēng)的流道上都是相通的,也就是說需求的9 000 m3/h新風(fēng)量并不會像想象的那樣只流經(jīng)有制冷能力的盤管,而是按整個橫斷面均勻流動。顯然,9 000 m3/h風(fēng)量中,僅有25%的新風(fēng)量流經(jīng)了有制冷能力的制冷劑盤管進(jìn)行冷卻除濕,還有75%的新風(fēng)相當(dāng)于是直接“旁通”了,這顯然不對。

由此,設(shè)計要求廠家在這5個盤管后面均設(shè)置了電動風(fēng)閥,電動風(fēng)閥與壓縮機(jī)連鎖啟閉,即當(dāng)某個盤管對應(yīng)的壓縮機(jī)停止運(yùn)行時,對應(yīng)盤管后的電動風(fēng)閥也連鎖關(guān)閉,由此解決了風(fēng)的旁通問題,確保機(jī)組風(fēng)量、冷量在大幅度變化過程中始終能滿足項目的使用要求。

5 對類似項目設(shè)計的體會與展望

該項目為改造工程,從前期介入至施工驗收交付過程中,設(shè)計方參與了整個項目全過程。項目2020年3月竣工,竣工前按業(yè)主要求對各主要區(qū)域進(jìn)行了室內(nèi)外壓差實測,結(jié)果見表3。

表3 室內(nèi)外壓差實測結(jié)果 Pa

因測試選定的房間,在測試過程中不同時段下運(yùn)行了相應(yīng)的局部排風(fēng)設(shè)備,造成測試壓差數(shù)據(jù)不斷波動,但整體在合理范圍內(nèi),滿足設(shè)計要求。

項目至今運(yùn)行已3年多,經(jīng)回訪反饋,系統(tǒng)一直運(yùn)行良好?；仡櫿麄€過程,有如下體會:

1) 在設(shè)計前期,應(yīng)充分了解改造項目所產(chǎn)生的問題,以及業(yè)主的期望、改造過程中的要求、投資控制等,做到改造方案與業(yè)主期望密切融合。

2) 對項目系統(tǒng)方案需經(jīng)過周密的分析和推敲,在滿足要求的前提下力求簡單易行。該項目利用變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的思路,構(gòu)建了負(fù)壓自適應(yīng)補(bǔ)風(fēng)系統(tǒng),以簡單的方式滿足了項目實際需求。

3) 對于該項目直膨式新風(fēng)機(jī)組的選用,并未直接應(yīng)用常規(guī)大風(fēng)量直膨式新風(fēng)機(jī),而是分析了項目的多種運(yùn)行工況,發(fā)現(xiàn)常規(guī)機(jī)組并不適用于該項目的大幅度變頻工況,進(jìn)而提出了機(jī)組的改進(jìn)思路,使之契合該項目的變工況需求。

4) 為避免大風(fēng)量低溫新風(fēng)補(bǔ)入房間造成房間過冷,設(shè)計要求新風(fēng)機(jī)組除濕后需具備再熱功能,且再熱采用壓縮機(jī)的冷凝熱,由于篇幅限制,沒有具體介紹?？紤]項目投資和工期,新風(fēng)機(jī)組未設(shè)置U形除濕熱管,后續(xù)項目若有條件可設(shè)置U形熱管來預(yù)冷新風(fēng)和再熱送風(fēng),以降低夏季新風(fēng)處理的能耗;當(dāng)然,若有條件實施排風(fēng)熱回收,可利用熱回收技術(shù)進(jìn)一步節(jié)能。