实验室建筑通风空调系统优化控制与节能分析

.实验室建筑通风空调系统优化控制与节能分析摘要：为更好地满足建筑内舒适、健康、安全的人工环境以及生产工艺的要求并达到节能降耗，越来越多的实验室、药厂、化工企业等既有建筑亟需对集中通风空调系统进行技术改造。本文以美国德州农工大学（Texas A&M University）某综合实验楼节能技术改造工程为例，介绍实验楼通风空调系统常见的运行与控制问题、技术解决方案、节能效果以及节能效果的可持续性。该课题的研究对我国同类实验室、药厂、化工企业等建筑节能技术改造、通风空调系统优化以及关键节能技术的研发具有一定的参考价值。基金项目：江苏省建设厅科技项目（编号JS2007JH01）作者简介：刘成刚（1958），男，副教授，工学硕士，1998年2006年美国德州农工大学高级访问学者，主要从事建筑节能技术与DSM研究。关键词：实验室建筑；建筑节能；通风系统优化在我国的民用与工业建筑中，实验室、药厂、化工企业等建筑的高能耗问题十分突出，因为这类建筑大多设有集中通风空调系统以满足健康、安全的人工环境和生产工艺的要求。人们都比较关注这类建筑通风空调系统运行的安全性和可靠性，却往往忽略了其能耗问题。本文以美国德州农工大学（Texas A&M University）某综合实验楼节能技术改造工程为例，介绍实验楼通风空调系统常见的运行与控制问题、技术解决方案、节能效果以及节能效果的可持续性，这些研究成果对我国同类实验室、药厂、化工企业等建筑的节能技术改造、通风空调系统优化以及关键节能技术的研发具有一定的参考价值。1 实验楼通风空调系统案例简介美国德州农工大学内一综合实验楼建于上世纪80年代，是带有一层地下室的四层建筑，地下室包括一个动物标本室和计算机房，一楼主要为教室，二楼为物理实验室，三楼为办公用房，四楼是化学实验室，总建筑面积约为8，600m2。该综合实验楼共有12台空调机组（AHU）。AHU-3、AHU-8、AHU-11和AHU-12是单风道变风量末端再热空调机组，并由计算机远程控制，分别服务于一至四楼的主体部分；其余8台空调机组均为当地气动控制：AHU-4 和AHU-7分别服务地下室的计算机房和动物标本室，AHU-5和AHU-6服务于一楼的阶梯教室，AHU-9和AHU-10服务于三楼的阶梯教室，AHU-2是一台新风机组，向AHU-3、AHU-8、AHU-11和AHU-12供处理过的室外空气，AHU-1是只带热水加热盘管的补风（通风）机组，向四楼化学实验室的通风柜和吊式排风罩提供室外空气。该楼屋顶顶上装有46台排风机，其中36台用于四楼化学实验室排风，其余10台用于卫生间和其它房间排风，楼内空调机组和排风机常年不间断运行。该实验楼的冷冻水和供热热水由校园内冷热水管网提供，并设有两台二级冷冻水泵和两台二级热水泵。2 通风空调系统存在的问题和优化解决方案在经过多年使用之后，该楼工作人员对楼内人工环境的抱怨时常发生。另外，根据能耗监测系统能耗数据显示，该楼的空调用冷量、供热量和用电量均超高。因此，在2000年3月和4月对通风空调系统进行了全面完整的检测，并据此采取了维护和控制系统的优化措施。在这次节能技术改造过程中发现系统存在的主要问题和解决方案如下：1) 用于四楼化学实验室排风柜的补风机组AHU-1从1995年至2000年一直停运。运行管理人员反映：如果开补风机组大量室外空气会进入实验室，使实验室夏季室内温度升高，冬季室内温度下降。经过仔细检查发现造成这一问题的真正原因是许多化学实验室的排风机没有正常工作，如有些排风机的皮带日久松弛，风机转速下降，排风量减少；而有些风机的皮带断裂脱落，电机转，但风机不转；另外，补风机风量控制阀被卡住，不能调节风量，这些都致使排风量远远小于补风量，大量室外空气滞留在室内。解决方案：更换排风机皮带；修复补风机风量控制阀；开启补风机组；达到四楼化学实验室的空气平衡。2) 新风机组AHU-2的预热盘管控制阀失灵，并处于开启状态。导致空气在夏季仍然被不必要的加热，不仅浪费大量的热量，而且需要额外的冷量来抵消加热。解决方案：更换预热盘管控制阀。3) 新风机组AHU-2是气动控制，表冷器控制阀的控制器失灵导致阀门处于常开状态。该新风机组的送风设计温度为15C，但实际上可达到10C，这增加了冷量的消耗。解决方案：更换控制器，并将送风温度设定在设计值15C。4) 服务于阶梯教室的空调机组AHU-6的加热盘管热水控制阀失灵，并处于开启状态。这导致送风温度过高，同时需要额外的冷量来抵消这一热量。在检测过程中，当关闭加热盘管的手动阀，送风温度则由原来的20C下降到13C。解决方案：更换加热盘管热水控制阀。5) 房间温度由气动温控器控制，检测发现在总数87个温控器当中有34个需要校对，36个需要更换。表1给出了温控器检测和维修情况。表1 一至四楼末端装置检测与维修情况Table 1 楼层1层2层3层4层总数末端温控器总数2518232187需校对数1647734需更换数9109836解决方案：校对和更换失灵的温控器。6) 冷冻水泵的电机由变频器控制，使冷冻水系统供回水压差满足空调负荷变化的需要。优化前根据冷冻水流量供回水压差设在100kpa370kpa，偏高；优化后的供回水压差则是根据室外温度设在35kpa175kpa，见表2。由于供回水压差降低了，节约了水泵电机用电量。表2 冷冻水供回水压差与室外温度关系Table 2 室外温度(C)34优化压差(kpa)35701051401757) 优化前AHU-3、AHU-8、AHU-11和AHU-12的送风温度在整个夏季都是13C，这个温度值是设计值，即满足最大设计负荷要求。但从节能角度考虑，送风温度应该随空调负荷变化，即在部分负荷时适当提高送风温度，以节约冷量。优化后的送风温度与室外温度间的关系见表3。表3 冷风道温度设定值与室外温度的关系Table 3室外温度(C )30送风温度 (C )161514138) 空调机组AHU-3、AHU-8、AHU-11和AHU-12风机设有变频器，优化前送风静压控制值为0.68kpa，这一定值对与大多数部分负荷情况下是偏高的。优化后的送风静压与室外温度的关系见表4。周末和晚上楼内人员较少，送风静压见表5。由于静压降低了，风机的用电量也随之降低。表4 送风静压值与室外温度的关系Table 4室外温度(C )5152128送风静压 (kpa)AHU-30.250.320.320.37AHU-80.370.500.500.62AHU-110.370.500.500.74AHU-120.440.570.570.70表5 周末与夜晚的送风静压值Table 5空调机组AHU-3AHU-8AHU-11AHU-12送风静压 (kpa)0.250.370.370.443 节能量分析与节能效果的可持续性德州农工大学共有200多栋建筑，学校能源办拥有一个强大的能量数据库（LoanSTAR数据库），收集、存储和分析大部分建筑的能耗情况，包括冷冻水能耗、供热热水能耗和用电量等，综合实验楼节能改造前后的能耗数据即取自该数据库。节能改造从2000年3月20日开始，2000年6月30日结束，历时3个多月。为了更好地说明通风空调系统节能改造的节能效果和可持续性，图1和图2分别给出了节能改造前后冷冻水能耗和电耗以及改造后第4年相应能耗监测情况。节能改造前（Pre-CC）的数据时段为1999年1月1日至2000年3月20日；节能改造后（Post-CC）的数据时段为2000年4月20日至2000年6月30日；节能改造后第4年检测（CC Follow-up）的数据时段为2004年1月1日至2004年8月23日。通过对这些能耗数据分析可以得出如下结论：1） 该实验楼的节能技术改造的节能效果明显。其中冷冻水平均每天节能21x106kJ（20mmBtu/day），约占每日总量25%；每天节电约1500kWh，约为每日总电量20%，总体节能效果在20%以上。2） 该节能成果都是来自“无、低费”节能技术，包括：新的优化控制程序、空气平衡、维修控制阀、更换温控器以及启动实验室补风机组等。“无、低费”节能技术的主要特点是：成本低，投资回报快，一般不超过6个月。3） 曾有人对以优化系统运行为主的“无、低费”节能技术（节能方案）的持久性持怀疑态度，认为改造后过不了几年能耗还会回到原来的水平，对节能来说不如采用“中、高费”方案（如更换大型设备）实现一劳永逸。由图1和图2可以看出，这种担心是没必要的：实验楼改造4年后的2004年，其节能量（包括冷冻水和电能节约量两方面）仍基本保持在2000年技术改造刚完成后的水平。图1节能技术改造前后冷冻水能耗与室外空气温度的关系Figure1 图2 节能技术改造前后用电量电与室外空气温度的关系Figure2 4 结语国外综合实验楼节能改造实例及其节能量分析说明，以对系统运行优化为主的“无、低费”节能技术（节能方案）的节能效果显著、见效快。这种技术除包括对建筑能耗系统的正常维护、更换失灵控制器和控制阀等措施外，更主要的是对能耗控制系统的综合优化，这对我国同类建筑的节能改造也具有较好的参考价值。参考文献1 C. Liu, S. Deng, H. Bruner et alThe Temperature and Relative Humidity Control in Cushing LibraryThe 2nd ICEBO International Conference on Enhance Building operation, Dallas, TX, Oct., 20022 W. D. Turner, D. E. Claridge, S. Deng, S. Cho, et alPersistence of Savings Obtained from Continuous CommissioningSMNational Conference on Building Commissioning, San Francisco, CA, 20013 刘拴强,刘晓华,江亿温湿度独立控制空调系统在医院建筑中的应用J暖通空调，2009,4：68-734 宋清弟综合办公大楼中央空调节能措施的经济效益分析制冷与空调J，2009，1：61-635 蒋普生,许学年,张韦达等某生物安全实验室节能控制方案暖通空调J，2009，5：147-149Optimization and Analysis of Ventilation and Air Conditioning Systems for a Laboratory BuildingChenggang Liu,Haifeng Huang,Weijia Zhang(Suzhou University of Science and Technology, Suzhou 215011,China)ABSTRACT For requirement of more comfortable, healthy and safety indoor environment, production process and energy savings, more and more centre exhaust and air conditioning systems in existing buildings like laboratory, drug maker and chemical manufacture need to be recommissioned. This paper uses recommissioning of a laboratory complex at Texas A&M University campus in US as an example to introduce common issues of operation and controls of exhaust and air conditioning systems, technical solution, result of energy savings and its