空调系统节能技术在中国网通业务楼中的应用

张 哲

我国建筑用能已超过全国能源消费总量的1/4,并将随着人民生活水平的提高逐步增加到1/3以上。公共建筑用能数量巨大,浪费严重。工程设计人员在建筑设计中应用节能技术,有利于改善公共建筑的热环境,提高暖通空调系统的能源利用效率,从根本上扭转公共建筑用能严重浪费的状况,为实现国家节约能源和环境保护的战略,贯彻有关政策和法规做出应有的贡献。

1 建筑概况

1.1 建筑基本信息

北京市通信公司综合业务楼工程位于新改造的骡马市大街与菜市口大街十字路口的东北部,本建筑为高层办公楼,总建筑面积59 998 m2。本建筑地下3层、地上南楼15层、北楼8层,建筑总高度60 m。地下2层,3层为车库和冷冻站、水泵房等设备用房,其中地下3层车库战时为人防物资库;地下1层为变配电室、传输机房、厨房等附属用房;首层、2层为电信博物馆;3层中庭东侧部分为报告厅;北楼3层,4层为会议室,5层,6层为办公室,7层为餐厅,8层为多功能厅;南楼5层为职工俱乐部,6层～15层均为办公室。

1.2 冷热负荷需求

根据北京市室外气象参数,经过计算,本工程夏季空调总冷负荷为6 645 kW,冬季空调总热负荷为6 636 kW。

2 系统节能技术应用

2.1 变频冷水机组的应用

2.1.1 冷水机组的设置

地下3层的冷冻站内设置两台离心式冷水机组,每台制冷量为3 000 kW,冷冻水供回水温度为6℃/11℃。另设置一台螺杆式冷水机组,制冷量为700 kW,冷冻水供回水温度为7℃/12℃。变风量空调系统的冷量由离心式冷水机组提供。螺杆式冷水机组负担内区配电间的负荷,全年供冷,冬季工况时单独运行,夏季及过渡季工况与两台离心式冷水机组联合运行。

2.1.2 采用变频冷水机组的意义

其中一台离心式冷水机组和螺杆式冷水机组配变频调速启动装置,以便于低负荷运行,节省能源。

在非额定工况时,变频式离心冷水机组将导流叶片控制与变频控制有机结合,共同控制压缩机,既能扩大机组的运行范围,又能达到良好的节能目的。变频系统不同于普通变频器的简单控制,其了解冷水机组的运行情况,机组能测定现在的工作点,选择相应的容量调节模式,并能准确预测离心机的喘振区,从而可以在10%～100%负荷范围内绝对避免喘振的发生,允许机组在喘振点附近正常工作。一般说来,与定频机组相比,采用变频控制的离心机组每年可节约20%～30%的运行费用。

变频式离心冷水机组可有效利用低温冷却水,提高机组的能效比。冷却水温度越低,电机允许的转速越低,越节能。在有昼夜温差和四季温差,冷却水温度低于设计值,非额定工况下长时间运行时,采用变频式离心冷水机组可达到节能目的。

变频系统可实现真正的软启动。电机在不同电源频率下,如果电压/频率比保持恒定,电机的扭矩和电流特性基本不变。配置变频系统的机组在电机启动时电源频率调得很低,随后频率逐渐提高,电机单位电流的扭矩很高,而使启动电流最小。启动电流不会超过满负荷电流(FLA),防止电源冲击,增加了电机寿命。

离心式冷水机组的大部分噪声是由制冷剂高速排气造成的。变频系统在机组部分负荷运行时降低压缩机的转速,从而降低了制冷剂气体的速度,大大降低了机组噪声。

2.2 VAV系统的应用

2.2.1 变风量系统概念及构成

与定风量空调系统一样,变风量空调系统也是全空气空调系统的一种形式。变风量空调系统,亦称VAV系统(Variable Air Volume System),其工作原理是当空调房间负荷发生变化时,系统末端装置自动调节送入房间的风量,确保房间温度保持在设计要求范围内。同时,空调机组将根据各末端装置风量的变化,通过自动控制调节送风机的风量,达到节能的目的。

本工程变风量空调系统的主要设备包括串联型风机动力型VAV末端装置(Fan Powered Box,简称 FPB)、变风量集中空调机组、变风量空调楼宇自控系统等。

2.2.2 末端装置的选择

本工程选用的串联型FPB是指在该变风量箱内一次风既通过一次风阀,又通过增压风机。它将较低温度的一次风同温暖的顶棚内空气混合成所需温度的空气送到空调房间内。一次风的温度低、风量小,可使集中空调机组的规格和送回风管及其配件的尺寸减小,节省设备初投资费用和减少吊顶空间。串联型FPB始终以恒定风量运行,因此适用于本工程需要一定换气次数的大开间办公室。

2.2.3 系统控制及风机变频

本工程采用的是外区再热型单风道变风量空调系统,其适用于进深较大,需要设置内、外区的大开间办公室。从风系统来看,它与不分内、外区的单风道系统无多大区别。系统中各串联型FPB按内、外区分别设置,外区串联型FPB带有热水再热盘管。

系统运行时,变风量集中空调机组为了满足内区的要求,常年送冷风(即送风温度低于空调房间的设计温度),在冬季,外区需要供热时,由外区串联型FPB再热盘管进行加热,保证外区的温度要求。

本工程变风量集中空调机组风机的电动机由变频装置驱动,可适应系统风量变化,达到节能之目的。其送风量根据系统中各房间的逐时负荷最大值确定;区域送风量按区域逐时负荷最大值确定;房间送风量按房间逐时负荷最大值确定。

2.3 排风能量回收新技术的应用

2.3.1 排风能量回收系统的意义

在空调负荷中,新风负荷占的比例很大,利用全热交换器或显热交换器回收排风中的能量,节约新风负荷是空调系统节能的一项有利措施。

采用排风热回收进行空气处理,提供更加完善的空气质量的同时,节省了大量能源的消耗,运行和维护简单可靠,大量节省系统投资和运行费用。它满足公共建筑节能设计标准的规定,在节省建筑能源消耗过程中,起到了很大的作用,成为解决我国日益严峻的能源与环境问题的有效途径之一。

2.3.2 排风能量回收系统的分类

目前,我们在市场上常见的能量回收系统主要有以下几种形式(见图1)。

1)中间热媒式热回收。采用普通的盘管式换热器,利用水泵驱动热媒溶液作为介质在两个换热器中循环,实现能量的回收。中间热媒通常为水,为了降低水的冰点,一般在水中加入一定比例的乙二醇。这种方式送排风完全隔离,在卫生场合应用较多。

2)叉流板式热回收。这是一种静止式热交换器。通过相互错排的换热通道进行送风与回风热交换。热回收效率可达75%。从换热原理上讲,换热介质逆流运动效率是最高的,但逆流换热器的结构复杂而且难于实现气密性,故常采用叉流交换方式。

3)热管式热回收。热能通过蒸发器从外部热源经管壁传给工作流体,并流至凝结器,冷凝成液体,并将潜热传给外界冷源。冷凝后的液体通过吸液芯的毛细孔和沟槽返回至蒸发段,重新蒸发吸热。

4)转轮式热回收。通过转轮的旋转,使送排风的热量进行交换,从而达到能量回收的目的。其材质主要为铝箔。转轮由轴承支撑安装在轴上,转轮内交互式填充多层平直或波形铝箔,以形成通风通道,使换热器保持最高的换热效率,在一定运行条件下,热回收效率可达85%以上。

为了实现高效的能源回收,本工程变风量集中空调机组选用的即是回收效率较高的转轮式热回收方式。

利用排风进行能量回收可以有效降低整个空调系统的能源需求。以冬季为例,室外新风经过转轮热回收预热后,温度可以升高23.2℃,其节能效果详见图2。

2.3.3 一体化机组的设置

本工程选用的转轮式热回收机组配置的转轮,可以处理的新风比例不是固定的30%或40%,而是在30%～100%范围内任意可调,在不耗费更多能量的情况下,充分满足室内的新风需求。

3 结语

民用建筑的供暖、通风与空气调节系统工程量大面广,其能耗在建筑总能耗中占有相当大的比例,为了大力推行和实施建筑节能,建设资源节约型社会和环境友好型社会,在工程建设中进一步贯彻落实建筑节能标准,工程设计人员应正确选择和应用成熟的节能技术,进行建筑节能设计,以响应国家的政策和号召,达到合理有效地使用能源,促进能源、经济与环境的协调和可持续性发展。

[1] 赵荣义.空气调节[M].第3版.北京:中国建筑工业出版社,2007.

[2] 赵荣义.简明空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

[3] 路延魁.空气调节设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[4] 唐文波.变频器在安装中应注意的几个问题[J].山西建筑,2008,34(16):185-186.

[5] GB 50189-2005,公共建筑节能设计标准[S].

[6] DBJ 01-621-2005,公共建筑节能设计标准[S].