實驗動物屏障設施空調系統節能設計研究

吳強 王志毅 尤軍

（1 蘇州蘇凈安發空調有限公司 江蘇蘇州 215122 2 浙江理工大學 浙江杭州 310018）

0 引言

實驗動物屏障設施能耗比一般建筑大得多， 這是由于其送風量大和運行時間長等特點決定的［1-2］。 節能設計在滿足工藝及合理的舒適度要求前提下，通過技術手段減少能源消耗，提高能源的使用效率，降低社會成本。

1 邊界條件選取

節能設計以現有的建筑設計參數建模， 在此基礎上進行全年滿負荷能耗分析計算，邊界條件如下：

（1）室外氣象計算參數采用本地典型年全年逐時氣象參數，包括全年8 760 h 的干、濕球溫度，相對濕度及大氣壓等。

（2）各層均按全年滿負荷運行工況進行能耗分析。

（3）動物飼養繁育空調為全新風直流式空調系統，夏季采用濕度優先控制模式。

（4）換氣次數7 級屏障環境按18 次/h 計；8 級按12 次/h計； 普通區域按12 次/h 計； 地下室全面通風中排風按7 次/h計；機械補風按4 次/h 計。

（5）各層均按建筑設計進行空調系統劃分與熱濕處理過程控制。

（6）大樓冷源由動力站內水源熱泵和風冷熱泵提供7 ℃～12 ℃冷凍水；冷卻水取自于河水。

（7）大樓熱源由水源熱泵機組和風冷熱泵提供45 ℃～40 ℃。

（8）空調系統加濕采用濕膜加濕。

（9）本節能模擬計算不包含各層照明及工藝用電設備能耗情況， 根據此類建筑物能耗特點， 該部分內容所占比重偏低，且耗電量較明確，節能空間有限。 同時不包含給排水系統能耗情況。

（10） 室內動物房屏障環境設計計算參數為夏季溫度25℃，相對濕度60%；冬季溫度20 ℃，相對濕度50%。

2 全年滿負荷運行能耗分析

利用模擬軟件對模型進行全年滿負荷運行能耗模擬計算，可得出根據以上邊界條件工況下的計算結果，見圖1 和圖2。

由圖1 圖2 可以看出，冷熱濕負荷指標巨大。 當然，這和本樓使用屬性有關，本樓在功能設計上，以動物房為主，幾乎均采用全新風空調形式， 本樓空調能耗占總能耗的比例在90%以上，因此，對空調能耗進行分析，挖掘節能空間是重點。能耗比較見圖3。

圖1 逐月制冷、制熱量

圖2 逐月加濕量

從能耗比較中可以看出，全年制冷耗電、供熱耗電為空調能耗的幾大主要部分，應該作為節能措施的主要應用領域。

圖3 能耗比較圖

3 大樓節能措施分析

3.1 設計階段節能：分時段雙態控制

屏障系統和大動物飼養區系統均采用雙態控制， 即在10 h 工作時間內凈化房內換氣次數為20 次（大動物飼養區為12次），在非工作時間14 h 內凈化房內換氣次數為10 次（大動物飼養區為6 次）［3-5］， 年節能量為：616×［14/（24×2）］×（1-0.1）=161.7 萬kWh。其中，616 kW 為非工作時間14 h 內屏障系統和大動物飼養區的空調系統功率；（1-0.1） 考慮了分時段雙態控制中風機的功率沒有變化和其他的損失。

3.2 空調系統節能

（1）空調主機節能：水源熱泵系統。水源熱泵性能較好。以夏天室外溫度35 ℃、冬季室外溫度7 ℃計算，風冷熱泵制冷能效比大約為水源熱泵的一半， 制熱能效比約為水源熱泵的2/3。隨著冬季環境溫度進一步降低，夏季環境溫度的上升，風冷熱泵的能效比將進一步惡化， 水源熱泵在運行效率上有明顯優勢。 本項目風冷與水源熱泵制熱能效比比較見圖4。

圖4 風冷與水源熱泵制熱能效比比較圖

（2）滿液式蒸發器水源熱泵。 滿液式蒸發器總傳熱系數為干式蒸發器的3 倍以上，機組能效比提高15%。

（3）冷熱源方案。設計2 臺水源熱泵機組，河水取水，每臺實際容量757 kW；設計2 臺風冷熱泵機組，每臺實際容量575 kW。

運行策略，夏季（6—9 月）：主要采用水源熱泵制冷+風冷熱泵也制冷；春秋季（3—5 月，10—11 月）：制冷制熱主要運行高效的水源機組，輔以風冷熱泵；冬季（12—2 月）：制熱運行風冷熱泵制熱； 不同季節采用水源熱泵與風冷熱泵的節能量比較見圖5～圖7。

圖5 夏季水源熱泵與風冷熱泵節能量比較

圖6 冬季水源熱泵與風冷熱泵節能量比較

圖7 春秋季水源熱泵與風冷熱泵節能量比較

3.3 空調末端節能：變風量與濕膜加濕

（1）變風量策略研究。 本方案擬采取全年分時段變風量自動控制策略， 在保證系統運行滿足工藝要求的前提基礎上采取變風量控制，節能降耗。 通過合理的風量調節措施，可以降低風機耗電功率，從而達到節能目的，風機變風量前后能耗比較見圖8。

圖8 風機變風量前后能耗比較圖

（2）不同加濕方式的節能量對比。本工程擬采用濕膜加濕而不采用電極加濕，1 年可以節省耗電量為31.7 萬kWh，見圖9。

圖9 濕膜加濕與電極加濕節能量比較

3.4 中央空調能源管理

（1）將中央空調水源熱泵機組、風冷熱泵機組，冷凍水泵、冷卻水泵全部集中控制管理，優化機組、冷凍水泵、冷卻水泵的出力。

（2）精確控制水源熱泵或者風冷熱泵的加機和減機，優化負荷分配。

（3）本工程暖通空調系統的自動控制采用PLC 控制系統，包括多臺多組設備的群控、動態圖顯示、能耗統計、故障報警等功能。

中央空調年節能量為：39.51 萬kWh。

3.5 全年運行工況節能設計經濟性評價

綜合以上節能設計，對各種節能措施能耗數據進行整合，1 年可以節電296.82 萬kWh，分項節電數據見表1。

表1 分項節電數據 單位：萬kWh

4 小結

實驗動物屏障設施通過對水源熱泵技術的應用， 充分利用建筑附近地表水源，提高空調主機的能效比；所有凈化空調設備及排風設備采用變頻運行， 根據系統阻力的變化進行風壓調節，從而達到節能的目的；所有凈化空調設備均配置PLC恒溫恒濕控制系統， 設定滿足工藝的最佳溫度和濕度以降低能耗。 節能設計值得推廣和類似工程借鑒。