某地下車間空調系統節能優化控制集成設計

榮祥森，鄧章林*，吳貫青，段 帥，黃春杰，金曉公，宗禹賾

(1.中國空氣動力研究與發展中心高速所，四川 綿陽 621000；2.陸軍工程大學 國防工程學院，江蘇 南京 210007；3.軍事科學院 國防工程研究院，北京 100000；4.31659部隊，福建 廈門 361000)

0 引言

某地下車間屬于地下工程，位于四川綿陽，具有濕負荷明顯、房間功能分區清晰等特點。本文闡述的是在保障滿足人員對環境熱濕舒適健康等要求的基礎上，對工程空調除濕系統進行智能控制優化集成設計，實現工程在日常運行更節能、內部環境健康和舒適的目標。

該地下車間由試驗大廳和控制室兩個區域組成(見圖1)，其中試驗大廳面積約1 500 m2，層高10 m;控制室共兩層，面積約300 m2，層高4 m，包含機房、控制間、電源間、庫房、休息室等功能房間。試驗大廳平時運行期間人員數量少于8人，設備產生熱量20 kW。控制室人員數量少于10人，設備產生熱量30 kW。原工程試驗大廳設計送風量38 000 m3/h,新風量18 000 m3/h，利用控制間回風8 000 m3/h，大廳回風12 000 m3/h；控制室設計新風量8 000 m3/h；工程排風22 000 m3/h。工程采用兩臺除濕機分別對試驗大廳、控制室的空氣進行熱濕處理。冬季采用鍋爐熱水供暖模式。經計算及系統運行發現，該系統不僅運行成本大，而且工程環境參數難以滿足設計指標要求。為解決上述能耗大、環境沒法滿足舒適健康要求等問題，對原工程方案進行優化。

圖1 除濕空調系統

1 車間空調除濕方案設計

該地下車間屬于地下工程，不僅具有地下工程特性，還具有功能房間區域劃分性。其圍護結構的熱濕特性與地面建筑有著顯著的不同，具體表現為冬暖夏涼，其夏季空調冷負荷和冬季熱負荷顯著低于地面建筑，夏季空調時屬于小余熱工程[1]；在濕特性方面，由于地下建筑圍護周邊在地下水作用下，存在壁面散濕，濕負荷大于同類地面建筑。針對這一特點，系統優化方案中，試驗大廳采用集中式除濕空調系統，控制區域采用獨立新風+新型水環熱泵除濕空調系統，通過對新風量變頻控制、調節控制、水系統冷熱負荷能量轉移、排風量控制、室內外溫濕度監測等手段，實現對工程節能運行管理。

1.1 大廳空調除濕系統設計方案

大廳空調機房仍利用原空調機房，大廳空調除濕機的空調保障范圍：大廳車間、工作車間。其中，大廳車間和工作車間設置送風管送風。大廳除濕空調機不再接收控制室回風系統的回風，只接受其送風區域的回風。大廳屬于小余熱地下工程，若采用冷水機組+組合式空調器方案，則需要在空調器中增加電加熱裝置，若采用除濕空調機，利用冷凝熱(廢熱)再熱，大大降低系統的運行能耗，故大廳空調采用除濕空調機，選擇除濕空調機型號為ZCK220，制冷量210 kW，除濕量110 kg/h，送風量35 000 m3/h，機組的總功率為59 kW。經計算空調區域的換氣次數約為7次/小時，取新風量為9 000 m3/h(新風比26%)，一方面考慮維持工程的空氣質量，另一方面將降低空調運行能耗和設備容量。

試驗大廳冬季工況，由于整個工程比較干燥，工程大廳二層產生霉變污染的可能大大降低，故新風量和排風量均可以降低。因此，新風取3 000 m3/h，這樣一方面可以滿足人員衛生要求，并且可以確保冬季無需加濕和加熱，省去原來的鍋爐熱水系統。過渡季節工況，新風取11 000 m3/h，因在過渡季節除濕機組不工作，過大的新風會增大送風和排風系統的輸送能耗。

1.2 控制區空調除濕系統設計方案

控制區空調設備的保障范圍為控制區一樓和二樓的各個空調房間，考慮到二樓房間及一樓庫房平時使用較少，在通往該區域的送風管設置多電動葉調節閥，進行風量輸送分配調節。

控制區空調設備采用新風處理機組+新型水環熱泵除濕空調器，新風處理機組給各個空調房間提供空調送風。水環熱泵除濕空調器采用 “單壓縮機雙循環系統”技術，具有制冷、制熱、微升溫除濕、微降溫除濕和通風5種運行模式。控制區域夏季新風為3 000 m3/h或1 000 m3/h；過渡季節工況，新風取4 000 m3/h；冬季新風為1 500 m3/h或650 m3/h(見表1)。

表1 控制區域不同保障模式下的新風量 單位：m3/h

1.3 排風系統設計方案

整個工程設一個排風機，排風機設置在原大廳空調機房內，排風機選低噪聲風機箱，風量16 000 m3/h。排風機和大廳二層的排風管相連接，排風機工作時，吸入大廳二層的空氣，通過排風機排出工程外。夏季排風機關閉，系統排風從大門排出，工程內排風在工程超壓作用下，這樣可以阻止室外新風滲入工程，保持進入工程的通道干燥，防止室外壁面工程外潮濕空氣滲入而在通道壁面結露。冬季排風機仍關閉，工程內排風在工程超壓作用下，通過工程大門排出，保持通道內溫度在適宜的范圍內。過渡季節排風機打開，排風量等于進風量。在夏季和冬季，除濕機自動控制系統檢測大廳二層的空氣溫濕度，如果相對濕度超標時，必須開啟排風機，但必須對排風量進行控制，使其小于工程新風量[2]。

1.4 新風系統設計方案

工程的新風機設置在原工程的新風機房，新風機選低噪聲風機箱，風量18 000 m3/h。該工程的新風是空調系統的能耗大戶，尤其是本工程為地下工程，其在夏季和冬季的能耗占整個工程總能耗的50%以上。新風的作用除了滿足工程內人員的換氣要求，最重要的作用就是排除工程可能產生的有害物質，對于大廳車間，二層雖然沒有人工作，如果不通風和除濕，就會霉變，產生異味。因此，在夏季的設計新風量為9 000 m3/h，冬季工程相對濕度較低，比較干燥，新風取3 000 m3/h，既滿足人員換氣需要，又可以排除工程內的有害氣體。

1.5 冷卻系統設計方案

該通風空調系統的冷卻裝置仍選用冷卻塔+水箱。在夏季選用閉式冷卻塔，被冷卻介質在密閉的管道內流動不與外界空氣相接觸，熱量通過換熱器管壁與外部的空氣、噴淋水進行換熱，最終實現冷卻介質降溫的設備。

通過水系統將控制室、網絡機房、電源間等房間的熱量遷移到水箱，同時也將其他庫房小余熱房間冷量遷移到水箱，這樣機房熱量可以平衡其他小余熱房間的熱濕負荷。

2 智能控制系統設計方案

按《公共建筑節能設計標準》(GB/T 50189—2015)和《建筑設備監控系統工程技術規范》(JGJ/T 334—2014)，為了實現工程的節能運行，必須對工程的新風量、排風量及其除濕機的制冷量進行自動調節，因此，專門設立除濕系統智能化控制系統[3]。該系統采用分布式計算機控制系統，其管理計算機設置在工程的控制機房。該智能化系統的功能如下：

(1)實時監測工程大廳和各個房間的溫度、濕度參數，并將大廳區域的溫濕度控制在要求的范圍內，這些監測點作為智能化控制系統輔助決策參數依據。

(2)實時監測兩個空調區域的CO2濃度，這些監測點作為智能化控制系統輔助決策參數依據。

(3)根據室外氣象參數，控制工程的新風量和排風量，使工程既滿足人員衛生要求，又降低系統的運行能耗。

(4)因控制室空調區域的換氣次數(4次)偏小，但其中一樓、二樓庫房平時不使用，在確保一樓、二樓庫房干燥(相對濕度滿足要求)的前提下，可通過將安裝在風管上風管的電動風閥的閥門關小，實現減少一樓、二樓庫房的送風量，確保一樓房間的換氣次數控制算法，這樣既滿足了使用要求，又避免該區域空調裝機容量和運行能耗都偏大的情況出現。

3 節能分析

3.1 智能控制系統輔助決策參數

室外平均溫度：

(1)

室外平均濕度：

(2)

室內平均溫度：

(3)

室內平均濕度：

(4)

(5)

(6)

3.2 試驗大廳的運行控制策略

試驗大廳屬于大空間區域，空調運行模式為夏季模式、過渡季節運行模式、冬季運行模式，結合試驗大廳對溫度、濕度和CO2濃度均有要求，下面對其運行策略進行分析。

3.2.1 夏季模式

由于試驗大廳人員很少，根據空調除濕設計要求，智能控制系統將試驗大廳新風調節閥自動調節至75%，通過管道式風量計反饋風量值與設計值比較，經變頻器不斷反饋調節新風風機運行頻率，直至新風風量≥6 500 m3/h且≤7 500 m3/h。除濕空調機組選擇調溫除濕模式運行，新風風量自動控制如圖2所示。

圖2 新風風量自動控制

3.2.2 過渡季節模式

圖3 綿陽當地1971—2000年基本氣候情況

3.2.3 冬季模式

進入冬季，因為試驗大廳人員極少，試驗大廳新風量根據空調除濕設計要求，智能控制系統將試驗大廳新風調節閥自動調節至50%，通過管道式風量計反饋風量值與設計值比較，新風接力風機關閉，直至新風風量≥2 500 m3/h且≤3 500 m3/h。除濕空調機組選擇通水模式運行，利用控制區域水環熱泵制冷產生余熱放進水箱，通過水泵進行局部循環，將>25 ℃通往除濕機組的盤管與新風進行熱交換，隨著熱水進出口溫差的加大，除濕空調機組盤管換熱能力均升高[5],實現給新風升溫。

3.3 控制區域的運行控制策略

控制區域包含大部分閑置庫房、幾間機房及控制間，運行模式為夏季模式、過渡季節運行模式、冬季運行模式，結合控制區域對溫度、濕度和CO2濃度均有要求，下面對其運行策略進行分析。

3.3.1 夏季模式

表2 控制區域夏季模式新風閥開度控制 單位：%

3.3.2 過渡季節模式

表3 控制區域過渡季節模式新風閥開度控制 單位：%

3.3.3 冬季模式

表4 控制區域冬季模式新風閥開度控制 單位：%

4 結語

該工程通過多環境參數檢測、比較以及現場調試，結合專業知識，利用新風量合理調配、冷卻水系統能量遷移、末端根據實際使用需求靈活選擇等手段，在初步設計、深化設計、施工、現場調試、智能化系統集成各個環節，密切加強自動化系統與設備系統配合，確保工程 BA系統要達到預期的目標，實現自動化和設備系統一體化集成。