精密實驗區既有空調系統熱源節能改造實例

汪洪軍 孫天寶 董玉平 董巖磊

精密實驗區既有空調系統熱源節能改造實例

汪洪軍1孫天寶1董玉平2董巖磊1

（1.中國計量科研究院 北京 100029;2.南京博森科技有限公司北京分公司 北京 100027）

以中國計量科學研究院昌平院區精密實驗區為例，在詳細研究空調系統熱源運行現狀的基礎上，提出了切實可行的節能改造方案，并對改造后的綜合節能效果進行分析。結果表明，寒冷地區對于需全年提供熱水的精密空調系統，設置風冷熱泵和電鍋爐兩套熱源，在不同季節選用不同熱源供熱，經濟和環境效益明顯，值得推廣。

精密空調；熱源；風冷熱泵；電鍋爐

0 前言

節約資源作為我國基本國策的重要內容，是生態文明建設重要一環，也是建設生態文明的根本途徑，關乎民族長久大計。尤其是最近幾年，世界各國均非常重視節能減排工作，相繼制定了節能目標和措施。在我國，《“十三五”節能減排綜合性工作方案》等重大文件中均突出強調了建設能源節約型社會的要求，住房和城鄉建設部也通過星級評價導則對建筑能耗尤其是政府機關、事業單位及公共建筑能耗的節能減排工作提出了更高的要求。據不完全統計，我國既有大型公共建筑以不足4%的城鎮建筑面積占比消耗了25%以上的城鎮建筑總電耗[1,2]。而精密實驗室作為特殊的公共建筑，單位面積能耗比一般類型的公共建筑還要高很多。因此，隨著高精密實驗室建設數量的不斷加大，對其進行節能改造的潛力巨大，也應該是我國未來節能減排和可持續發展的關注重點之一。

本文就是以既有精密實驗區空調系統熱源為分析對象，針對現有基礎和使用條件，提出了對原有供熱熱源的節能改造方案，以期能對類似工程項目作為參考。

1 運行現狀及存在問題

中國計量科學研究院昌平院區精密實驗區建成于2008年，總建筑面積10495m2，包括19#、20#、22#、23#、24#五棟樓，其中24#樓為提供冷源、熱源和電源的動力站。19#、20#、22#、23#實驗樓均為地下一層，地上兩層，地下一層和地上一層為精密實驗室，地上二層為辦公室，實驗室溫度控制范圍為20℃±0.1℃～1℃，相對濕度控制范圍為50%±5%～10%，并具有ISO5～ISO7級不同級別潔凈室若干間。所有實驗室均采用全空氣中央空調系統以達到受控環境要求，辦公室采用鋼制散熱器采暖，熱源來自于24#動力站的電鍋爐設備，由于精密實驗區溫濕度控制要求較高，電鍋爐全年不間斷提供熱水，均通過直埋管道送至各實驗樓的組合式空調機組，通過電磁調節閥對熱水進行流量調節。新風機組和散熱器熱水閥門采暖季開通，其他三個季節關閉。

圖1 原有供熱系統原理圖

目前精密實驗室區24#動力站設置電鍋爐2臺，單臺熱功率1.2MW；設置蓄熱水箱2座，單座容量為200t，蓄熱水溫差40℃（90/50℃），總蓄熱量4698kW。設置供熱一次泵3臺，單臺流量101.2m3/h，揚程19.7m，功率7.5kW；設置供熱二次泵3臺，單臺流量48.2m3/h，揚程36.6m，功率7.5kW。設置2臺電鍋爐專用變壓器，單臺變壓器容量為800kVA。

通過對過去三年運行記錄數據進行初步分析，發現該系統非采暖季精密空調系統熱水供水溫度50℃，即可保證精密實驗室要求的受控環境要求。而在采暖季，因電鍋爐除給精密空調系統提供熱源外，尚需給辦公室鋼制散熱器提供熱源，測試發現欲達到辦公室內溫度要求，熱水供水溫度大多時間需要60℃以上。另外，從最近三年電耗和熱量有效供給統計數據來看，在非采暖季兩臺電鍋爐設備平均總電耗為408萬kWh，供熱一次泵平均總電耗為4.4萬kWh，電鍋爐供熱系統平均供給總熱量為335萬kWh，計算發現原有電鍋爐供熱系統非采暖季最近三年平均系統熱效率不足82%。由此可見，非采暖季利用電鍋爐系統為精密空調供熱，整體能源利用率不高，具有較大的節能改造空間。

2 改造方案及效果分析

對供熱而言，除采用電鍋爐外，一般還有燃氣鍋爐、市政供暖、地源熱泵以及空氣源熱泵等方式。由于該項目遠離城區，沒有燃氣管道和市政供暖管網可以利用，且從投資成本、投資回收期以及施工難度和風險防控等多方面考慮[3]。經過比較，針對非采暖季低溫熱源供熱即可滿足精密實驗室受控環境要求的前提下，本項目提出新建一套空氣源熱泵系統，與原有電鍋爐系統并聯，在非采暖季采用空氣源熱泵代替原有電鍋爐作為精密空調的熱源使用，在采暖季仍采用原有蓄熱電鍋爐進行供熱的節能改造方案。

圖2 改造系統方案原理圖

根據精密空調1150kW的實際需熱量，空氣源熱泵機組采用6用2備的方式，標準工況下，單臺供熱量為193kW，熱水送、回水溫度為45/40℃，水流量30t/h，功率50kW，能效比3.86。當室外溫度為-5℃及以下時，修正后單臺供熱量156kW，熱水送回水溫度60/50℃，功率68kW，能效比2.3。

由圖2可以看出，空氣源熱泵供水管路直接接入原系統空調熱水管路，整個系統的定壓補水不作調整。采暖季電鍋爐及蓄熱水箱使用工況與原設計管路工況相同，打開空V2、空V4，關閉空V1、空V3。非采暖季使用工況時，關閉電鍋爐一次網水路，打開空V1、空V3，關閉空V2、空V4。考慮空氣源熱泵機組的效率和出水溫度等問題，新增空氣源熱泵供熱系統與原蓄熱電鍋爐供熱系統的切換時間設置在淺冬，在寒冷地區通常11月15日左右進行供熱系統人工切換。

改造完成后，寒冷地區按照采暖季（11月15日至次年3月15日）由蓄熱電鍋爐供熱，非采暖季切換為空氣源熱泵直接供熱的方式計算，整個系統全年耗電量較未改造前相比，累計節約電量115萬度，相當于140噸標煤。

3 結論

以既有精密空調系統熱源成功改造為實例，驗證了寒冷地區對于全年使用熱水的精密空調選用空氣源熱泵加電鍋爐蓄熱系統聯合供熱方案的合理性，并得出以下結論：

（1）精密實驗室平均能耗較高，可以從精密空調系統運行實際出發，在不同的氣候帶綜合分析比較，不同季節選用不同的熱源供熱，可有效降低運行能耗。

（2）在典型的寒冷地區，本項目采用空氣源熱泵和電鍋爐雙系統熱源的方式，在非采暖季節選用空氣源熱泵作為熱源給精密空調供熱，供熱效率提高約4.7倍，全年可節約標準煤140噸，相對原有供熱方式節能近28%，經濟和環境效益顯著，對減輕環境污染，建設低碳、節約型社會具有重大意義，此方案值得推廣。

[1] 王灃浩,王志華,鄭煜鑫,等.低溫環境下空氣源熱泵的研究現狀及展望[J].制冷學報,2013,34(5):47-54.

[2] 周超輝,傅旭輝,倪龍,等.北京某教學樓空氣源熱泵供暖系統現場實驗[J].制冷學報,2018,39(5):29-35.

[3] 魏翠琴,賈少剛,問朋朋,等.雙熱源室溫太陽能熱泵供暖裝置測控系統研究[J].制冷與空調,2019,33(2),143-147.

Energy Saving Renovation of Existing Air-conditioning System in Precision Experimental Area

Wang Hongjun1Sun Tianbao1Dong Yuping2Dong Yanlei1

( 1.National Institute of Metrology, Beijing, 100029;2.Beijing Branch of Nanjing Bosen Technology Co., Ltd, Beijing, 100027 )

Taking Chang-ping campus precision experimental area of National Institute of Metrology as an example, based on the detailed study of the operation status of heat source of air-conditioning system, this paper puts forward a feasible energy-saving transformation scheme, and analyzes the comprehensive energy-saving effect after the transformation. The results show that the air-cooled heat pump and electric boiler are two sets of heat sources for the precision air-conditioning system which needs to provide hot water all year round in the cold area, and different heat sources are selected for heating in different seasons, which has obvious economic and environmental benefits and is worth popularizing.

precision air-conditioning; heat source; air-cooled heat pump; electric boiler

1671-6612（2020）06-736-03

TK01+8

B

汪洪軍（1978.11-），男，碩士，高級工程師，E-mail：whj@nim.ac.cn

董玉平（1977.09-），女，碩士，高級工程師，E-mail：dongyup@126.com

2020-04-17