試析某高校體育館中央空調新風系統改造應用

史 震，朱曉立，董建波

(國際關系學院 后勤服務中心，北京 100091)

0 引 言

針對當前已建成的公共建筑中所使用的中央空調系統，特別是全空氣系統或是新風系統，如何利用已有設備進行改造升級，實現空氣凈化的功能，進而全面改善公共建筑的室內空氣質量是擺在管理部門面前的一大課題。在此，筆者以某高校體育館中央空調空氣凈化系統改造工程為例，從可持續、低能耗、低維護的技術角度做一些探討。

某高校體育館是進行體育教學的重要場所，該場所的空氣質量是廣大師生最為關心首要大事，是保障師生教學和身體健康的重要工作內容，同時節能減排也是創建節能型高等院校永恒不變的課題，因此一方面提供優質的空氣質量保障正常的教學、另一方面進行節能減排是管理運行部門的首要任務。

1 體育館中央空調系統的配置以及存在的問題

某高校體育館建于2001年，總建筑面積：4 563 m2(其中地下面積：1 780 m2)，建筑層數主體部分為一層大空間分為綜合館和網球館，輔助配樓為五層用于教學科研用房。

(1)地上大空間綜合訓練館、網球館空調設計為全空氣系統，現狀空調機組2臺，單臺風量40 000 m3/h)?？照{機組規格型號FY-40-UGBR。

(2)地下室綜合訓練館為風機盤管加新風系統，現狀新風機組1臺，風量10 000 m3/h?？照{機組規格型號FY-10-JGSR。

經調查，地上大空間的兩個場館夏季采用中央空調全空氣系統時，制冷效果雖能夠滿足要求，但空氣質量無法滿足師生教學的需求，空氣質量下降。

(3)原有空調機組和新風機組為定頻系統，不能實現風量的調節控制，耗電量較大。

(4)原有水系統上，無法根據室內溫濕度變化，調節水流量，能耗大。

(5)原有風道系統上沒有比例調節閥，無法根據室外室內空氣變化特點，調節新風和回風的混合比例。

(6)春秋冬三季無法使用空調系統和新風系統。

2 確定改造原則

管理部門與設計部門經過研究，確定了空調新風系統改造原則：

即以保障體育館中央空調制冷需求為基本前提，以提升空氣凈化質量需求和舒適滿意度為主要目的，綜合考慮節能環保的整體改造，確?？照{系統的制冷均衡，在滿足北京市空氣凈化標準的前提下，立足長遠，達到社會效益與經濟效益的統一。

(1)更換位于屋頂的使用了十七年之久的兩臺401 kW的風冷式制冷機組(冷媒為R22)，采用環保冷媒R134A的兩臺438 kW變頻風冷式制冷機組，確保制冷系統的冷源供應，考慮最佳、合理的能源使用。

(2)將位于地下空調機房的空調機組和新風機組進行變頻調速改造，實現自動化控制。并在減少風量損耗的前提下對機組前端加裝前置凈化裝置(分初效、中效、高效三級凈化)，實現空氣凈化的目標。根據上述使用功能、使用時間等因素對于系統能耗的影響，達到整體系統綜合節能及降低能耗的效果。

(3)針對地下室的四個獨立訓練場地各加裝吊頂式全熱回收式新風機(空氣熱交換、非電加熱)，補充室外新風。

(4)在水系統上增加調節閥，根據室內溫濕度變化，調節水流量。

(5)在風道系統上增加比例調節閥，根據室外室內空氣變化特點，調節新風和回風的混合比例。

3 實現體育館空調、新風凈化設備技術成果

3.1 初效、中效、高效組合式的空氣凈化

一層綜合訓練館、網球館空調設計為全空氣系統，組合式空調機組2臺，單臺風量40 000 m3/h，最小回風量為32 000 m3/h，最大新風量為8 000 m3/h。

3.1.1 初效過濾

為了節省空間，在新風豎井入口處前置安裝采用粗濾網與電子除塵一體化結構的模塊設備，單臺潔凈空氣量>3 400 m3/h，PM2.5凈化效率>95%，風壓30 Pa，臭氧濃度0.003 mg/m3，共計八臺。

可過濾小至0.001微米的顆粒物、氣溶膠和細菌病毒等空氣污染物，高效除塵殺毒。可以通過清洗的方式消除聚集的灰塵，風吹干之后又恢復高效凈化性能。通過清洗實現重復使用。

該設備單元模塊利用靜電除塵技術，每個模塊可獨立外接220V電源并聯運行，配備供電電源開關和限位安全開關雙重保護，以確保在檢修時及時切斷電源、保證檢修人員的人身安全。

3.1.2 中效過濾

中效過濾網，采用摩擦電納米空氣凈化技術: 采用多殼層復合納米顆粒(MSCD)，利用摩擦發電原理， 使納米材料之間形成高強度的摩擦靜電場， 當空氣中顆粒物經過摩擦靜電場時被吸附來凈化空氣。高效去除PM2.5，高效物理性滅殺細菌病毒等微生物; 針對40 000 m3/h的組合式空調機組單臺機組安裝15個。 針對10 000 m3/h的新風機組安裝5個。

3.1.3 高效過濾器。

(1)與前置嵌入式的中效過濾網組合使用，實現高效的空氣過濾，過濾效果達到不低于H10的凈化效果。

(2)針對40 000 m3/h的組合式空調機組，在混合段道安裝HMV2424-5V過濾器9個(額定風量4 200 m3/h，初始壓降180 pa)，HMV2412-3V過濾器6個(額定風量4 200 m3/h，初始壓降180 pa)，單臺機組共計15個。

針對10 000 m3/h的新風機組，在原來中效過濾網的位置加上2個HMV2424-5V(額定風4 200 m3/h，初始壓降180 pa)和3個HMV1212-2VF25過濾器(額定風量800 m3/h，初始壓降180 pa)。

3.1.4 地下室房間全熱交換新風

針對地下室部分區域僅為新風，無回風的問題，通風換氣不暢，濕度大。在乒乓球、形體訓練室、健身房、體能訓練室房間各增加一臺吊頂式雙向全熱交換新風凈化一體機AH500(空氣熱交換、非電加熱)，高速風量500 m3/h，最大噪聲≤60 dB，換熱效率≥80%，凈化效率≥95%。利用全熱交換器將室內排出的污濁空氣和室外送入的新鮮空氣既通過傳熱板交換溫度，同時又通過板上的微孔交換濕度，從而達到既通風換氣又保持室內溫、濕度穩定的效果。當全熱交換器在夏季制冷期運行時，新風從排風中獲得冷量，使溫度降低，同時被排風干燥，使新風濕度降低;在冬季運行時，新風從排風中獲得熱量，使溫度升高，同時被排風加濕。初效濾網為前置金屬濾網，復合濾芯采用靜電除霾殺菌技術，過濾PM2.5與細菌病毒。濾芯可水洗重復使用。

3.2 節能升級

(1)原有空調和新風機組為定頻系統，不能實現風量的調節控制，啟動方式為星-角啟動，耗電量較大。本次對原有的控制系統進行變頻節能升級。采用PLC自動控制，實現如下功能：相關控制部件實現3套機組風機的變頻調速功能，對機組進行自動化控制。同時實現調節新風和回風的比例，對機組進行自動化控制，共3套變頻控制系統。(不增加原有用電負荷，不改變前端配電柜的開關容量)。

(1)組合式空調器、新風機組的風機實現變頻控制。

(2)組合式空調器的新風、回風風發的調節實現PID自動控制。

(3)組合式空調器(新風機組)的冷凍水(熱水)流量實現PID自動調節。

(4)預留4個AI接點用于后期控制系統升級(如在控制系統中增加CO2、TVOC、PM2.5等傳感器)。

(5)具備四種運行模式：全新風模式、內循環模式、新風回風混合模式和熱回收模式。

(6)具有Modbus RTU(RS485)遠傳接口。

3.3 變頻器控制要求

其中兩套為22 kW，一套為11 kW,進行訂制。

由于中央空調系統都是按大負載并增加一定余量設計，而實際上在體育館全年滿負載下運行只有二十余天，幾乎絕大部分時間負載都在70%以下運行。中央空調系統中冷凍主機能隨末端設備的負荷變化自動調節負載，而作為末端設備的組合式空調機組(新風機組)采用的是工頻風機不能自動調節負載，長期在100%負載下運行，造成了能量的極大浪費，也惡化了中央空調的運行環境和運行質量。 隨著變頻技術的日益成熟，利用變頻器、PLC、數模轉換模塊、溫度傳感器、溫度模塊等器件的有機結合，構成溫差閉環自動控制系統，自動調節組合式空調器(新風機組)的頻率。

采用變頻調速技術不僅能使體育館室溫維持在所期望的狀態，讓人感到舒適滿意，可使整個系統工作狀態平緩穩定，更重要的是其節能效果高達30%以上，能帶來很好的經濟效益。

變頻器控制柜采用ABB變頻器實現風機的軟啟動和頻率自動調節。

原有水系統上，增加比例式調節閥，根據室內溫濕度變化，調節水流量，實現節能降耗。

原有風道系統上增加比例調節閥，根據室外室內空氣變化特點，調節新風和回風的混合比例。

在風量為40 000 m3/h的兩臺空調機組的送風前端與回風末端管道中配置二套空氣熱交換系統(包括排風管道、排風風箱、降噪消音系統)，換熱效率不低于40% 。每臺機組的排風量為8 000 m3/h，排風機選擇直連離心風機，全壓350 pa，換熱效率50%，為防止熱回收系統中的溶液凍結，溶液采用濃度為30%的乙二醇溶液。

冬季，對三臺空調新風機組實現防凍結功能，同時不影響新風的進入。

4 空調機組及新風系統改造后的效果

體育館空調及新風機組系統改造完成后。截至目前，系統已正常使用一年半。通過此次改造，實現了預期的改造目標。據調研，學校師生普遍反映比改造前溫度舒適，不定期監測室內空氣質量明顯提高(凈化后的數值區間：PM2.5 3～15 μg/m3, PM10 6～33 μg/m3)。同時每個制冷季節約電能39 600度，可以說，空調及新風機組系統改造達到了空氣凈化和節能減排提升雙實現的目標，取得了較好的效果。

改善空氣質量和節能減排關乎民生。隨著人民群眾對美好生活向往的日益提升以及國家對環境和大氣質量的要求愈來愈高，全國高校都在挖掘空氣調節系統升級改造的技術潛力。隨著科技的發展，新技術、新設備、新方法更會層出不窮，總結某高校體育館中央空調及新風系統改造的原則、方法和成效，主要目的在于拋磚引玉，以期更好的提升工作效果，滿足教學和科研需要。