余熱利用及其控制技術在智能建筑中的應用

文｜同方泰德國際科技（北京）有限公司 韓素燕

余熱利用及其控制技術在智能建筑中的應用

文｜同方泰德國際科技（北京）有限公司 韓素燕

余熱利用在鋼鐵、建材、化工等高能耗行業中得到大力支持和發展，取得了顯著的節能降耗效果；然而在智能建筑中的應用卻比較少見。通過大膽的設想、精確的計算，合理地利用余熱，實現能源的循環利用，對建設綠色建筑、創新節能方式具有重要的意義。

本文將介紹余熱利用控制技術在某新建客運專線調度中心中的成功應用。

1 工程概況與使用功能分析

某新建客運專線調度中心大樓，建筑面積80000m2，地下二層，地上七層，建成后將成為所屬路局的調度指揮中心。

大樓內的主要功能用房為：辦公用房、調度指揮中心、設備機房。

一方面，廣大辦公人員和調度員作為運輸生產的指揮員，崗位關鍵；空調系統必須為他們提供安全舒適的辦公環境。另一方面，調度指揮中心是路局的神經中樞，各專業系統設備繁多，機房遍布各層，機房內的設備肩負重任，是確保路局安全生產和提高運輸效率的核心；因此，空調系統還必須為這些設備提供安全穩定的運行環境。

綜上所述，大樓內人工環境的設計目標是：為路局調度指揮各級工作崗位上的工作人員提供安全、舒適的調度和辦公環境；為各個運調專業機房設備提供穩定安全的運行環境。

2 余熱利用可行性分析

（1）能量平衡分析

為達到新建客運專線調度中心大樓人工環境的設計目標，大樓內設計兩套空調系統，即舒適性中央空調系統和機房空調系統，分別用于為大樓內的“人”和“設備”營造其所需的工作環境。余熱利用正是這兩個系統之間能量的釋放和吸收的循環利用。

夏季，舒適性空調系統通過向辦公區域注入冷氣，同時帶走多余的熱量，來營造涼爽舒適的溫度環境；機房空調系統輸送冷氣、帶走自然環境和機器設備產生的余熱——在夏季，這兩套系統都需制冷，降低環境溫度來維系適宜的溫度環境，彼此間并不存在能量的互補。

冬季的情況則有很大不同。在冬季，我國北方城市過低的溫度（可達到-10℃），使得辦公區域必須吸收熱量才能保證溫度保持在與“人”的需求相符的水平。此時，舒適性空調系統需要制熱。而與此同時，機房設備產生的高熱量仍然使得環境溫度過高；為保證設備的正常運行，仍然需要降低環境溫度，帶走設備產生的多余熱量——機房空調系統仍然需要制冷。

在冬季，舒適性空調系統需要供熱，機房空調系統需要制冷；這一“熱”一“冷”，使得兩個系統的能量循環利用成為可能。

（2）熱量計算

經暖通專業和水專業計算，冬季舒適性空調總熱負荷為4470kW，機房空調系統總冷負荷為6696kW。由于冬季機房空調系統產生的余熱大于舒適性空調的供熱量；因此從兩個系統能量需求的角度來看，機房空調系統產生的余熱完全可以滿足舒適性空調系統對熱源的要求，也就是說舒適性空調冬季熱源可以不依賴城市熱網，而完全由機房空調系統產生的余熱來供應。

（3）余熱利用的主要設備

實現機房空調系統冬季余熱利用的關鍵設備為水環熱泵螺桿機組。目前水環熱泵螺桿機組技術成熟，運行穩定，系統效率高，完全能夠滿足要求。

3 余熱利用設計

（1）舒適性空調冷熱源設計

根據項目所在地能源與資源狀況以及節能環保的原則，采用“城市熱網＋水環熱泵系統”，即由水環熱泵提供系統冷熱源，冬季不足部分由城市熱網提供的冷熱源形式。水環熱泵的水源，夏季為冷卻塔，冬季為機房專用空調系統冷卻水。水環熱泵系統夏季提供7/12℃的冷水作為空調系統的冷源，冬季提供45/38℃的熱水作為空調系統的熱源。冬季供熱量不足和水溫不能滿足要求時，補充城市熱網供熱。

計算總冷負荷為5972kW，計算總熱負荷為4470kW。

選用三臺水環熱泵螺桿制冷機組（單臺制冷量為1930kW）作為空調冷源主要設備。

夏季冷凍水設計供回水溫度為7/12℃，冬季熱水設計供回水溫度為45/38℃。

冷卻水設計供回水溫度在夏季為32/37℃，在冬季高于15/10℃。

（2）冷卻水設計

本項目冷卻水循環系統分為兩部分，即舒適性空調冷卻循環水系統和機房專用空調冷卻水循環系統。舒適性空調冷卻水系統采用開式壓力回流系統，冷卻塔設在屋頂，冷卻塔進出水溫度分別為37℃和32℃。機房專用空調冷卻水循環水系統采用閉式系統，冷卻塔為閉式冷卻塔；在冬季低溫時，冷卻循環水作為水環熱泵機組的熱源，不通過冷卻塔進行循環。

（3）主要冷熱源設備

主要冷熱源設備如表1所示。

表1 主要冷熱源設備表

（4）冬季工況余熱利用工藝流程

冬季工況時，檢測機房空調冷卻水回水總管上的溫度、流量參數；在冷卻水回水溫度、流量滿足舒適性空調應用條件，且達到水環熱泵機組的開啟參數要求時，余熱利用控制系統關閉冷卻塔方向閥門，開啟余熱利用閥門，開啟余熱利用循環水泵，使得冷卻水流入舒適性空調，成為水環熱泵機組熱源。

水環熱泵機組利用機房空調冷卻水余熱，制備45℃熱水供舒適性空調使用。

機房空調冷卻水經過水環熱泵機組，釋放多余熱量后，重新流入機房冷卻水供水管，供機房空調系統使用。

4 余熱利用控制系統設計

空調冷熱源控制采用集散型設備自動化控制系統（BAS）實現，控制與管理的對象包括機房空調冷卻水系統、舒適性空調冷熱源系統，以及此二系統間的余熱利用系統。

（1）系統架構

BAS系統設計為兩層網絡結構，如圖1所示。

管理層網絡由BAS系統主機、操作站、網絡設備等構成，采用B/S結構，負責實現整個冷熱源系統的數據采集和控制管理。

現場層網絡由DDC控制器組成，采用標準開放的BACnet協議。DDC控制器就近安置在被控設備附近，實現對被控設備的控制與管理。

（2）余熱利用的數據采集與控制管理

為了實現冬季工況時的余熱利用，需要對舒適性空調冷熱源系統和機房空調系統冷熱源系統的參數進行全面采集，并根據余熱的利用條件開啟、動態調節余熱利用相關設備。控制與管理的主要對象包括水環熱泵機組、開式塔、冷凍水循環泵、冷卻水循環泵、閉式塔、機房空調冷卻水循環泵、熱泵機組循環泵等設備，以及兩個系統的流量、壓力、溫度等主要參數。余熱利用控制流程如圖2所示。

針對余熱利用的實現，監測與控制的內容如下：

◆ 通過水環熱泵機組的第三方接口取得機組運行的主要參數；

◆ 在機房空調冷卻水系統總管上安裝水道溫度傳感器、水道流量傳感器和水道壓力傳感器，檢測冷卻水總管的溫度、流量和壓力；

◆ 在熱泵機組循環泵出口安裝水流開關，檢測水泵的水流狀態；

◆ 自動檢測熱泵機組循環泵的運行狀態、故障狀態和手/自動狀態，并自動控制其啟停；

◆ 檢測熱水循環泵的運行狀態、故障狀態和手自動狀態，并自動控制水泵的啟停；

◆ 自動控制開式冷卻塔供回水總管閥門（MV1、MV2）的啟閉；

◆ 自動控制閉式塔供回水閥門（MV6、MV7）的啟閉；

◆ 自動控制閉式塔供回水總管間旁通閥（MV5）的啟閉；

◆ 自動控制機房空調冷卻水和水環熱泵機組之間的閥門（MV3、MV4）的啟閉。

（3）余熱利用控制點

余熱利用控制點如表2所示。

表2 余熱利用控制點表

（4）控制策略

根據室外溫度條件和時間計劃確定冬季運行工況。

冬季工況時，自動關閉開式冷卻塔供回水閥門MV1、MV2，停止使用開式塔相關設備；檢測機房空調冷卻水溫度T，當T低于15℃時，自動關閉閉式塔供回水閥門MV6、MV7，打開冷卻塔供回水旁通閥門MV5——機房空調冷卻水不再經過閉式冷卻塔循環。

自動檢測機房空調冷卻水溫度、壓力和流量。當溫度高于10℃，且流量不低于1100m3時，打開余熱利用閥門MV3、MV4；自動打開水環熱泵機組循環泵。機房空調冷卻水通過熱泵機組進行循環。

熱泵機組一次側各設備運轉正常后，按預定程序打開熱泵機組熱水供水側各設備，并檢測其運行是否正常，最后啟動水環熱泵機組。熱泵機組利用機房余熱制備45℃熱水供舒適性空調使用。

目前，該客運專線大樓設備自動化系統和余熱利用系統已經實施完畢，各系統試運行正在緊張進行中。待機房空調系統全部投入定運行，并達到穩定后，余熱利用系統將會按計劃逐步投入使用。

5 余熱利用的思考

舒適性空調系統在未啟用機房空調余熱利用的情況下，全部熱源由城市熱網提供。我國北方地區冬季漫長，供暖季節長達4個月，供暖費用在樓宇物業支出中所占比例相當大。合理利用機房空調余熱后，整個大樓在漫長的冬季中將不再依靠城市供暖，可以節省全部的冬季取暖費用。

余熱利用節能空間巨大，但并不適用于所有建筑。通過前文的分析可知，應用余熱利用必須建立在保證系統間能量供需平衡，即一個系統的余熱完全能夠滿足另一個系統的熱量需求的基礎上。如果只能少部分滿足，即使加以利用，也必須補充城市熱網提供的熱能；這種情況下雖然可以節省一定量的能源，但是因配備熱泵機組，增加余熱應用管道、閥門、泵等設備會導致投資增加，最終很可能會造成“節能不節資”的狀況。因此，系統間余熱利用只能應用于特定類型的建筑，如生產辦公性質的樓宇，實驗樓，數據中心，鐵路、軌道交通等行業的指揮中心，廣播電視大樓等。本文涉及的新建客運專線分布于各地的調度中心均引入了余熱利用。

6 結束語

《中共中央關于制定國民經濟和社會發展第十二個五年規劃的建議》倡導綠色發展，強調建設資源節約型、環境友好型社會。將余熱利用應用于建筑物中，通過能源的梯級利用，達到節能的目標，無疑會成為建筑節能的又一個有力的手段。