負壓通風環境下自適應補風系統設計

胡 洪 張偉程

(上海建筑設計研究院有限公司,上海)

1 項目概況

上海市檢測中心位于張江高科技園區張衡路1500號。其功能主要包括計量校準、食品藥品檢驗、包裝材料檢驗、生物安全檢測等,建立了約200個功能實驗區,擁有500多個現代化實驗室,成為長江三角洲地區具有國際先進水平的檢測平臺。生物與安全檢測實驗樓(又名生物量樓)為上海檢測中心的核心檢驗大樓,主要承擔環境樣品、食品、農產品、化學品等多種功能性檢測。而這些檢測實驗大部分都需要在一定的溫濕度環境中展開,實驗室環境條件直接影響著各種實驗或檢測的結果,實驗室環境工藝對溫度和濕度有較嚴格的要求,室內的溫濕度和氣流速度等對在實驗室工作的人員和儀器設備都存在影響,需要控制溫濕度滿足實驗要求;同時為了外部環境安全,檢測過程中各實驗室對外均需要保持一定的負壓。

生物量樓共3層,樓內各房間面積相對較小,空調末端為風機盤管+新風的形式,空調冷熱源由能源中心集中供應。各檢驗區域內空調及新風末端共同確保各檢驗實驗室處于要求的溫濕度環境下;同時各檢測區設有房間全面排風系統,以及萬向排氣罩、排風柜、生物安全柜等工藝排風系統;新風系統也對應設有房間平時新風補風(滿足房間正常的衛生和負壓要求),以及工藝排風的新風補風(對應于工藝排風設置)。上述新、排風系統的設置,可確保各檢測實驗室滿足人員衛生、環境衛生要求,并維持實驗室的負壓運行,以確保外部環境的安全。多年來,該中心檢測業務不斷發展,生物量樓實驗室內部不斷新增萬向排氣罩、排風柜、生物安全柜、局部排風等排風系統。隨著內部排風點位、排風系統等的不斷增加,用于補充排風對應的新風補風系統卻沒有增加(有部分房間因溫度失控后增加了分體空調),最終導致生物量樓出現室內負壓過大、墻體及風口凝露、溫濕度失控等問題。

2 改造要求和目標

在改造設計前,與業主進行了溝通,業主對本次改造提出了以下要求和目標:

1) 本次改造需解決因大量增加排風導致的新風量不足、負壓過大、凝露、房間溫濕度失控等問題,且需在工作期間確保大樓室內區域與室外呈微負壓(-10～-5 Pa)。大樓內部雖布置多個獨立的檢測房間,但多年來為解決風量失衡、溫濕度失控等問題,檢測人員在整個檢測過程中已習慣將內部各檢測房間的門保持常開,本次改造業主也明確今后內部各房間房門可按常開運行,整個樓層可按一個連通的大空間考慮,只要確保大樓內部整體與室外微負壓即可。

2) 不得對原各實驗室的溫濕度造成不利影響,并有助于各實驗室現有空調設備對實驗室環境的溫濕度控制。

3) 本次改造應充分調研各實驗室的后續需求,系統上應考慮實驗室后續一定的業務拓展需求。

4) 整個改造過程中,應盡可能不影響或少影響日常檢測工作。

5) 預算經費有限,應考慮改造方案的經濟性。

6) 改造過程應盡可能減少對現有土建的破壞。

7) 新增空調系統需接入原樓宇自動化控制系統(BAS)。

8) 本次改造不涉及消防,不得對原有消防產生影響。

3 擬采取的技術方案

3.1 現場壓差與溫濕度實測

為了獲得現場壓差和溫濕度的數據,業主委托了專業團隊對室內壓差分布、溫濕度等進行了實測,并編寫了診斷優化報告①。根據報告內容,每層壓差測試結果如圖1所示,各房間溫濕度測試結果如圖2所示。

注:101～116、201～223、301～321為房間號。圖1 平面壓差分布圖

圖2 各房間溫濕度實測數據

①上海市檢測中心生物與安全檢測實驗樓空調風系統運行及BA系統控制診斷優化報告,2018.

根據現場測試及調研發現,該項目存在較為明顯的室內負壓情況,室內負壓主要表現在以下方面:

1) 1層入戶大門難以推開,閉門狀態下存在明顯風嘯聲,大廳內外壓差達到111 Pa;

2) 1層南側通道風感強烈,閉門狀態下內外壓差達到121 Pa;

3) 1層準備室(110房間)存在較明顯的排風量大于送風量現象;

4) 1層西區部分實驗室負壓明顯,主要是由室內排風設備造成的;

5) 2層西區房間不存在明顯的室內外壓差;

6) 2層東區前處理室(221房間)存在顯著的負壓情況,其相對周邊房間均為負壓狀態;

7) 3層東區準備室(301房間)存在負壓情況,其相對周邊房間均為負壓狀態;

8) 3層西北樓梯口存在負壓,該狀態是由2層負壓較強導致的。

從圖2可以看出,室內溫度主要分布在23～25 ℃之間,部分房間溫度約為27 ℃;但室內相對濕度整體偏高,主要分布在60%～70%之間,部分區域相對濕度甚至接近90%,主要受室外滲透風的直接影響。

3.2 確認改造需求

室內負壓嚴重是由于新風與排風的風量不平衡導致的。因實驗室的發展需要,實驗室內部新增了部分排風柜、生物安全柜、排風罩,即新增了一些排風系統,但新風補風系統卻未相應增加。對現場各新風、排風系統的設備銘牌進行逐一收集和統計,計算大樓總額定新風量為33 600 m3/h,總額定排風量為71 723 m3/h,兩者差值38 123 m3/h,即通過門窗等滲透風理論計算風量為38 123 m3/h。

通過內外部圍護結構門窗的啟閉來控制滲透風路徑用以實測滲透風總量。測試時,將1、3層外圍護結構大門,所有送、排風系統,內部各房間門全部開啟。在建筑其他區域外圍護結構的內外部無明顯壓差時,對開啟的所有大門的滲透風量進行檢測。檢測結果顯示,該工況下建筑結構的外部滲透風量為45 325 m3/h。

滲透風的測試風量較理論計算風量大,其中有新風機組使用10余年設備老化導致送風量不足的緣由,也有可能部分新增的排風系統實際排風量超過額定風量。結合理論計算和現場實測,確定現階段排風與新風的差額為45 325 m3/h。

根據上述改造要求,對業主各檢測房間負責人進行了走訪,獲得了各房間后續對新增排風(生物安全)柜、萬向排氣罩、排風系統等的具體需求,并按樓層統計,結果見表1。

表1 各樓層后續需新增排風量 m3/h

根據現場實測和統計,目前新排風差額為45 325 m3/h,后續需進一步增加排風總量為9 475 m3/h,得到總的新排風最大差額為54 800 m3/h。改造目標要求維持整個大樓與外界-10～-5 Pa的壓差,理論上,新風補風量可以少于54 800 m3/h,考慮到新風機組后續可能也會衰減,還有統計之外的新增排風可能性,加之本次新增的新風機組配置變頻電動機按室內壓差進行調頻調節風量,以及結合業主希望留有一定安全余量等多方面因素,本次改造新風機組選型總風量為60 000 m3/h,考慮實驗過程排風設備的啟停控制,新增機組風機配置變頻電動機,可實現大幅度調頻。

3.3 可能的方案探討

新風機組選型風量確定后,需要結合現場條件、改造要求等考慮可行的改造方案。經多方面考量,給出了以下3個方案供業主選擇。

1) 方案1:選用2臺30 000 m3/h的整體式直膨機組,利用東西兩側的樓梯間作為送風豎井,各層樓梯間對室內的門保持常開,補風經樓梯間至各樓層區域。系統送風原理圖見圖3。此方案優點是管路簡單,但西側樓梯因不上屋面會增加1個出屋面的土建風井。

圖3 整體式直膨機組利用樓梯間送風(方案1)

2) 方案2:選用2臺30 000 m3/h的整體式直膨機組,沿東西兩側外墻設置豎向送風立管,各樓層設送風支管。系統送風原理圖見圖4。

注:VAV為變風量空調系統。圖4 整體式直膨機組利用豎向風管送風(方案2)

3) 方案3:選用6臺10 000 m3/h的分體式直膨機組,室內機吊裝在各層東西兩側吊頂內,沿外墻設置制冷劑管連接各室內外機。系統送風原理圖見圖5。

圖5 分體式直膨機組分樓層吊裝室內機送風(方案3)

3個方案各有特點,為了更為直觀地顯示各方案的優劣,將3個方案的優缺點進行了匯總,見表2。

表2 3個方案的特點

從表2可以看出:方案1投資最省,但需樓梯間門保持常開而存在消防隱患;方案3造成室內噪聲影響,是業主不希望的。經過設計建議、業主內部討論,最終確定選取方案2。

4 自適應補風系統設計

確認選用方案2后,需對該系統進行進一步設計,包括系統的具體控制實現、屋面設備和管路主要管路走向布置等。

4.1 自適應補風系統及控制要求

由圖4可知,屋面新增2臺30 000 m3/h風量的整體式直膨新風機組,通過沿外墻設置立管和各樓層設置送風分支管路,將補風送至各樓層。整個補風系統自控原理圖見圖6。

注:PLC為可編程邏輯控制器;DI為數字輸入;AI為模擬輸入;DO為數字輸出;AO為模擬輸出;Δp為壓差傳感器;H為相對濕度傳感器。圖6 新增新風補風系統自控原理圖

設計要求新增直膨新風機組需帶PLC控制器,對管路及房間的壓差、相對濕度、變風量空調末端(VAV-box)等信號進行監控,對屋頂主機自帶PLC提出的主要控制要求如下。

1) 時間控制。

① 備機時段:設定機組在工作時段處于通電備機狀態。

② 停機時段:非工作時段,系統處于停機狀態。

2) 啟?？刂啤?/p>

① 啟動控制:工作時段內當室內任意壓差傳感器檢測到區域負壓絕對值大于15 Pa并持續一段時間后,自動啟動補風系統。

② 停機控制:當室內所有壓差傳感器檢測到區域負壓絕對值均小于5 Pa并持續一段時間后(或變頻風機頻率低于某一數值并持續一段時間,具體可現場調試整定),補風系統自動處于停機準備狀態。

3) 壓差控制。

① 室內區域壓差控制:室內各區域設置室內外壓差傳感器,實時檢測室內外的壓差(為盡可能避免室外主導風對壓差檢測造成瞬時干擾,設計時每層布置2個室外壓差探頭,1個布置于北面,另一個布置于西面,均布置于上海地區主導風向(東南風)的背風面,且計算中取2個壓差數據的平均值)。通過調節VAV-box風量維持此區域的壓差至-10～-5 Pa范圍內,當室內負壓絕對值小于5 Pa時,關閉對應的VAV-box。

② 系統壓差控制:在主管道末端1/3處設置壓力傳感器,無論房間送風量如何變化,通過風機變頻轉速調節送風量始終維持該處靜壓值為200 Pa(定靜壓控制,靜壓值可根據現場調試再設定)。

4) 濕度控制。

① 夏季:采用濕度優先控制,各區域設有相對濕度傳感器,根據相對濕度平均值控制新風機組送風的含濕量(主機按濕度優先控制,通過冷凝廢熱予以再熱,以恒定送風溫度,如可設定送風溫度為18 ℃)。

② 冬季:根據室內相對濕度傳感器平均值,控制冬季加濕器電磁閥的啟閉,確保冬季室內區域的平均相對濕度在要求的范圍內。

5) 通訊要求。

屋頂主機需采用Modbus通信協議,預留RS485通信接口與大樓BA進行通訊。

4.2 屋面設備及主要管路布置

現場實地察看了立管布置條件,并綜合考慮新增進入各樓層室內的分支管路布置可行性及業主意見,最終確定西側立管沿209房間西側外墻布置,東側立管沿221房間東側外墻布置,各樓層分支管在室內均有管位,立管也盡可能地藏于建筑外墻的凹角處。

4.3 大幅度調頻新風直膨機組構造要求

如前所述,本次新增2臺新風機組,單臺額定風量為30 000 m3/h?？紤]實驗過程排風設備的啟?？刂?新增機組配置了變頻電動機,在實際運行過程中需要大幅度調頻。

根據上海地區夏季室外空氣比焓,按新風處理至室內等濕點,單臺30 000 m3/h的新風機組制冷量為360 kW。根據廠家提供的資料,因機組風量變化較大,相應的制冷量也會隨之有較大變化,故廠家為了適應制冷量的變化,配置了5臺壓縮機,按3大2小的原則,單臺大壓縮機制冷量90 kW、工頻,單臺小壓縮機制冷量45 kW、變頻。機組內部由5個獨立的制冷劑盤管拼裝布滿機組迎風橫斷面(見圖7)。

圖7 制冷劑盤管布置示意圖

廠家對機組初始配置的意圖為:5臺壓縮機,5套制冷劑盤管,每臺壓縮機與對應的每個制冷劑盤管形成獨立的制冷回路。根據新風量及室外空氣比焓的變化,通過調節壓縮機的運行臺數及頻率來調節新風機組輸出制冷量的變化。

這一控制邏輯,初看能滿足運行調節要求,但仔細思考后,覺得存在較大問題。該新風機組風量和冷量在運行過程中均存在大幅度的變化,當新風量較小時,制冷量需求也較小。例如,當設計日夏季某時刻新風量需求為額定風量的25%,即7 500 m3/h時,需求的最大制冷量為90 kW,根據廠家控制邏輯可投入1臺90 kW的大壓縮機(或2臺45 kW的小壓縮機)來滿足制冷量的要求,此時有制冷能力的制冷劑盤管也就對應為1個大制冷劑盤管(或2個小制冷劑盤管),其他制冷劑盤管均無制冷能力。然而對于新風來說,各個制冷劑盤管在新風的流道上都是相通的,也就是說需求的9 000 m3/h新風量并不會像想象的那樣只流經有制冷能力的盤管,而是按整個橫斷面均勻流動。顯然,9 000 m3/h風量中,僅有25%的新風量流經了有制冷能力的制冷劑盤管進行冷卻除濕,還有75%的新風相當于是直接“旁通”了,這顯然不對。

由此,設計要求廠家在這5個盤管后面均設置了電動風閥,電動風閥與壓縮機連鎖啟閉,即當某個盤管對應的壓縮機停止運行時,對應盤管后的電動風閥也連鎖關閉,由此解決了風的旁通問題,確保機組風量、冷量在大幅度變化過程中始終能滿足項目的使用要求。

5 對類似項目設計的體會與展望

該項目為改造工程,從前期介入至施工驗收交付過程中,設計方參與了整個項目全過程。項目2020年3月竣工,竣工前按業主要求對各主要區域進行了室內外壓差實測,結果見表3。

表3 室內外壓差實測結果 Pa

因測試選定的房間,在測試過程中不同時段下運行了相應的局部排風設備,造成測試壓差數據不斷波動,但整體在合理范圍內,滿足設計要求。

項目至今運行已3年多,經回訪反饋,系統一直運行良好?；仡櫿麄€過程,有如下體會:

1) 在設計前期,應充分了解改造項目所產生的問題,以及業主的期望、改造過程中的要求、投資控制等,做到改造方案與業主期望密切融合。

2) 對項目系統方案需經過周密的分析和推敲,在滿足要求的前提下力求簡單易行。該項目利用變風量空調系統的思路,構建了負壓自適應補風系統,以簡單的方式滿足了項目實際需求。

3) 對于該項目直膨式新風機組的選用,并未直接應用常規大風量直膨式新風機,而是分析了項目的多種運行工況,發現常規機組并不適用于該項目的大幅度變頻工況,進而提出了機組的改進思路,使之契合該項目的變工況需求。

4) 為避免大風量低溫新風補入房間造成房間過冷,設計要求新風機組除濕后需具備再熱功能,且再熱采用壓縮機的冷凝熱,由于篇幅限制,沒有具體介紹?？紤]項目投資和工期,新風機組未設置U形除濕熱管,后續項目若有條件可設置U形熱管來預冷新風和再熱送風,以降低夏季新風處理的能耗;當然,若有條件實施排風熱回收,可利用熱回收技術進一步節能。