廣東某藥品檢驗所通風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計及節(jié)能應(yīng)用

許穗民

廣東省建筑設(shè)計研究院有限公司

0 引言

我國經(jīng)濟及科學技術(shù)快速發(fā)展，并隨著市場監(jiān)督管理制度的完善，企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量控制嚴格，配套建設(shè)實驗室的需求激增。實驗室通風空調(diào)系統(tǒng)是專業(yè)性較強的工藝設(shè)計，伴著對實驗室舒適性要求提高，實驗室通風空調(diào)能耗也顯著提升，節(jié)能應(yīng)用空間較大。

以廣東某藥檢所項目為例，該項目通風空調(diào)系統(tǒng)由辦公室及實驗室舒適性空調(diào)系統(tǒng)、實驗室新排風系統(tǒng)、潔凈空調(diào)系統(tǒng)三部分組成。其中實驗室新風空調(diào)系統(tǒng)夏季冷負荷4604 kW，占大樓總冷負荷8556 kW的54%，因此，根據(jù)實驗室通風空調(diào)系統(tǒng)的特點，采取相應(yīng)節(jié)能措施，可有效減少新風負荷，達到節(jié)能目的。

1 項目概況

大樓建筑總面積為31783 m2，地下2 層，地上11層，總建筑高度63.6m。地下1、2 層為車庫及設(shè)備房，地上11 層為各功能實驗室、辦公室、潔凈室等。

1～11 層辦公室及實驗室設(shè)置空調(diào)供冷/ 供暖系統(tǒng)，總冷負荷為7187 kW，總熱負荷為3225 kW，冷熱源采用螺桿蒸發(fā)式冷凝冷熱水機組（冷凍水溫采用7/12 ℃），共設(shè)兩個獨立的集中空調(diào)水系統(tǒng)：系統(tǒng)1 負擔大樓（除實驗室新風外）負荷，系統(tǒng)2 負擔實驗室新風負荷。

9～11 層潔凈室單獨設(shè)置一套集中空調(diào)系統(tǒng)，總冷負荷為1387 kW，總熱負荷為1352 kW，冷熱源采用風冷螺桿式冷熱水機組（冷凍水溫采用7/12 ℃）。

大樓實驗室共劃分為33 套變風量排風系統(tǒng)且配套凈化裝置做廢氣處理（末端為通風柜、萬向罩）；按7個區(qū)域劃分設(shè)置14 套變風量新風空調(diào)系統(tǒng)，每個區(qū)域各設(shè)1 套高溫新風（送風溫度26 ℃）系統(tǒng)及1 套低溫新風（送風溫度18.5 ℃）系統(tǒng)。

2 主要應(yīng)用技術(shù)與節(jié)能分析

2.1 實驗室夏季分設(shè)高低溫新風系統(tǒng)

大樓空調(diào)負荷（除潔凈室空調(diào)外）主要由以下幾部分組成：圍護結(jié)構(gòu)負荷，人員負荷，照明負荷，設(shè)備負荷及新風負荷等[1]。

其中辦公室新風量取保證人員最小需求的新風量，而實驗室新風量則根據(jù)運行模式可分為：房間人員最小新風量，實驗室6 次/h 的最低通風換氣要求，通風柜開啟時的補風量。

實驗室圍護結(jié)構(gòu)負荷、人員負荷、照明負荷、設(shè)備負荷等合計2565 kW，占大樓空調(diào)負荷7187 kW（除潔凈室空調(diào)系統(tǒng)外）的36%，節(jié)能潛力較低。實驗室夏季新風冷負荷4604 kW 占大樓空調(diào)負荷（除潔凈室空調(diào)系統(tǒng)外）7187 kW 的比例高達64%，是該大樓常規(guī)人員新風負荷558 kW 的8.3 倍，可見實驗室新風負荷的節(jié)能潛力較大，把節(jié)能技術(shù)的研究重點落在實驗室新風空調(diào)系統(tǒng)，具有較高的應(yīng)用價值。

根據(jù)以上的負荷特性及實驗設(shè)備運行規(guī)律，本項目實驗室新風空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計為：夏季采用高、低溫兩套新風系統(tǒng)同時供給（圖1）。低溫新風系統(tǒng)（送風溫度18.5 ℃）滿足空調(diào)房間人員最小新風量、同時保證實驗室最低通風換氣次數(shù)。高溫新風系統(tǒng)（送風溫度26 ℃）則滿足通風柜開啟時的補風要求，同時保證房間壓差。低溫新風系統(tǒng)總新風量為195000 m3/h，高溫新風系統(tǒng)總新風量為250000 m3/h。

圖1 新/排風系統(tǒng)示意圖

實驗室低溫新風系統(tǒng)處理到室內(nèi)等濕度線上（機器露點取95%），室內(nèi)冷負荷及最小換氣要求（衛(wèi)生、人員新風量）的新風冷負荷由風機盤管及低溫新風系統(tǒng)共同承擔，室內(nèi)濕負荷均由風機盤管系統(tǒng)承擔。

通風柜及萬向罩等實驗設(shè)備工作時，開啟高溫新風系統(tǒng)，高溫新風處理到室內(nèi)等濕度線上（機器露點取95%），再經(jīng)顯熱回收機組處理至室內(nèi)設(shè)計溫度26 ℃送風。該部分新風冷負荷及濕負荷均由新風換熱組合機組承擔。

2.2 實驗室夏季高溫新風系統(tǒng)采用新風機組與換熱機組聯(lián)合運行的熱交換技術(shù)

實驗室夏季高溫（送風溫度26 ℃）新風空調(diào)系統(tǒng)采用新風機組與換熱機組聯(lián)合運行模式（新風換熱組合機組）：室外引入的新風經(jīng)過換熱機組預冷卻，然后由新風機組冷卻除濕處理，新風機組出口的低溫新風（t=18.5 ℃，φ=95%）再進入換熱機組，把部分冷量傳遞給室外引入的新風，提高送風溫度（26 ℃）再送入室內(nèi)，確保實驗設(shè)備運行的新風量要求，同時也保證了室內(nèi)環(huán)境的舒適度與溫度穩(wěn)定性。

利用新風自身熱量的交換，使通過換熱機組預冷處理的新風冷負荷減少，降低制冷系統(tǒng)能耗。換熱機組的另一側(cè)，則是讓送入室內(nèi)的新風得到室外引入新風的“自身”再熱處理，可以節(jié)省其他再熱能源，避免能源浪費。

冬季工況則通過閥門切換關(guān)斷換熱模塊，減少阻力損失，新風經(jīng)過新風空調(diào)機組處理后直接送入室內(nèi)。

2.2.1 夏季新風系統(tǒng)處理流程圖及i-d 圖

圖2 為高溫新風（26 ℃）系統(tǒng)處理流程圖，圖3、4為常規(guī)新風（18.5 ℃露點送風）與高溫新風（26 ℃）處理過程i-d 圖。

圖2 高溫新風（26 ℃）系統(tǒng)處理流程圖

圖3 常規(guī)新風（18.5 ℃露點送風）處理過程i-d 圖

圖4 高溫新風（26 ℃）處理過程i-d 圖

2.2.2 公式及狀態(tài)點

1）計算公式：新風與回風量相同時，顯熱交換的效率：

本案例計算中，顯熱交換效率取值ηt=60%[2]。

2）處理過程空氣狀態(tài)點

室外空氣計算參數(shù)：tg=34.2 ℃，ts=27.8 ℃；室內(nèi)空氣設(shè)計參數(shù)：tg=26 ℃，φ=60%。

表1 為常規(guī)新風（18.5 ℃露點送風）處理過程空氣狀態(tài)點。

表1 常規(guī)新風（18.5 ℃露點送風）處理過程空氣狀態(tài)點

由顯熱交換效率公式，預冷后的新風最低為t=tw-(tw-tl)×60%=34.2-(34.2-18.5)×0.6=24.78 ℃，低于室外新風的露點溫度，為冷卻除濕處理過程（已考慮冷凝排水）；送風狀態(tài)最大可處理至to=t1+(tw-tl)×60%=18.5+(34.2-18.5)×0.6=27.9 ℃，而實際需求為再熱至26 ℃，通過電動風閥開度調(diào)節(jié)高低溫新風的混風比，可達到26 ℃送風狀態(tài)，根據(jù)能量守恒定律，G×(hN-hL)=G×(hw-hw’)，得到表2 各空氣狀態(tài)點。

表2 高溫新風（26 ℃）處理過程空氣狀態(tài)點

2.2.3 節(jié)能分析

高溫（送風溫度26 ℃）新風系統(tǒng)總風量為L1=250000 m3/h，占實驗室總新風量的56.2%；低溫（送風溫度18.5 ℃）新風系統(tǒng)總風量為L2=195000 m3/h，占實驗室總新風量的43.8%。

1）高溫新風系統(tǒng)總質(zhì)量流量：

低溫新風系統(tǒng)總質(zhì)量流量：

低溫新風系統(tǒng)采用冷卻除濕處理后送風，所需總制冷量為:

按本項目蒸發(fā)冷凝冷水機組COP=4.2，折合為所需制冷功率：

低溫新風系統(tǒng)的風系統(tǒng)能耗（全壓800 Pa，余壓500 Pa，風機全壓效率按70%，機械效率按100%）：

2）假設(shè)高溫系統(tǒng)采用常規(guī)的處理方式：冷卻除濕+再熱至26 ℃送風，則高溫新風系統(tǒng)所需的總制冷量具體為：

按本項目蒸發(fā)冷凝冷水機組COP=4.2，折合為所需制冷功率：

高溫新風系統(tǒng)所需總再熱量為：

假設(shè)再熱處理的熱源采用風冷熱泵機組，COPh=3.5，折合為所需制熱功率：

高溫新風的風系統(tǒng)能耗（全壓800 Pa，余壓500 Pa，風機全壓效率按70%，機械效率按100%）：

3）高溫新風系統(tǒng)采用新風機組與換熱機組聯(lián)合運行的熱交換技術(shù)，則高溫新風系統(tǒng)所需總制冷量為

按本項目蒸發(fā)冷凝冷水機組COP=4.2，折合為所需制冷功率:

高溫新風系統(tǒng)由新風自身提供再熱量，無需其他再熱熱源。

高溫新風的風系統(tǒng)能耗（由于增設(shè)換熱模塊，查詢廠商提供的數(shù)據(jù)，增加的壓力損失按150 Pa×2 考慮，即全壓'=800+150×2 Pa，余壓500 Pa，風機全壓效率按70%，機械效率按100%）：

由以上計算可得，高溫新風系統(tǒng)采用新風機組與換熱機組聯(lián)合運行的熱交換技術(shù)與采用常規(guī)的冷卻除濕+再熱處理方式對比：

可節(jié)約總制冷量650 kW，占常規(guī)處理高溫新風系統(tǒng)所需總制冷量3235 kW 的20%。

可節(jié)約制熱量650 kW，占常規(guī)處理高溫新風系統(tǒng)所需制熱量390 kW 的100%。

可節(jié)約耗電功率：N=(770+185.7+79.365)-(616+109.127)=309.938 kW，占常規(guī)處理高溫新風系統(tǒng)耗電功率（770+185.7+79.365=1035.065 kW）的30%，占實驗室總新風系統(tǒng)耗電功率（1035.065+601+61.905=1698 kW）的18.3%。即采用新風機組與換熱機組聯(lián)合運行模式的高溫新風系統(tǒng)節(jié)能率為30%，實驗室新風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率為18.3%。

2.3 采用先進的實驗室變風量通風控制技術(shù)

實驗室排風系統(tǒng)風機采用管道靜壓變頻控制，控制器將持續(xù)監(jiān)測管道靜壓，通過調(diào)整風機轉(zhuǎn)速來恒定靜壓。通風柜的面風速控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置值持續(xù)地監(jiān)測實際面風速，并通過風閥開度調(diào)整風量以恒定面風速設(shè)定值，整體為閉路控制。

面風速控制值根據(jù)占用情況自動調(diào)整，系統(tǒng)通過紅外線檢測器實現(xiàn)當通風柜前有操作人員工作時面風速控制在某一設(shè)定值，當通風柜前無人操作時，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)換至低速設(shè)定檔以節(jié)省運行費用。出現(xiàn)異常情況時，緊急鍵將驅(qū)動風閥開度最大，該模式下啟用最大排風量，不受面風速值的控制。

實驗室新風系統(tǒng)根據(jù)房間使用特點分別采用直接壓差控制及流量差控制兩種變風量控制方式。

2.3.1 房間流量差控制系統(tǒng)

運行原理：持續(xù)地監(jiān)測實驗室的排風風量與送新風風量的流量差，調(diào)整新風送風量，確保風量差控制在設(shè)定的范圍下運行。

使用范圍：適用于實驗室使用規(guī)范較差或泄露率較高很難維持房間的壓差，本項目應(yīng)用于通風柜為文丘里閥的實驗室及部分大套間開放實驗室。

2.3.2 房間壓差控制系統(tǒng)

運行原理：持續(xù)地監(jiān)測實驗室與走廊的壓差，調(diào)整新風的風量，確保實驗室在設(shè)定的壓差范圍下運行。

使用范圍：適用于對壓差要求較高，排風腐蝕較大及管道較復雜，對實驗室使用要求規(guī)范的房間，本項目應(yīng)用于實驗室門需關(guān)閉的房間等其他非流量差控制系統(tǒng)實驗室。

3 結(jié)語

實驗室夏季采用高、低溫兩套新風系統(tǒng)同時供給的方式，與實驗室運行規(guī)律相匹配，在滿足衛(wèi)生及舒適的前提下，實現(xiàn)按需供冷，可最大限度節(jié)約實驗室通風空調(diào)系統(tǒng)能耗。夏季高溫新風空調(diào)系統(tǒng)采用新風空調(diào)機組與換熱機組聯(lián)合運行模式，通過新風自身熱量的交換，免去再熱能耗，并給新風預冷卻，節(jié)約空調(diào)系統(tǒng)運行能耗。應(yīng)用該節(jié)能技術(shù)，高溫新風系統(tǒng)節(jié)能率為30%。實驗室新風空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能率為18.3%，該值跟高溫新風量的比例有關(guān)，高溫新風量設(shè)計越大，節(jié)能優(yōu)勢越突出。采用先進的實驗室變風量通風控制技術(shù)，根據(jù)實驗室實際運行情況調(diào)節(jié)新/排風量，具有高品質(zhì)的控制性能和可靠的安全性，也是節(jié)能應(yīng)用必要手段。