余热利用及其控制技术在智能建筑中的应用

文｜同方泰德国际科技（北京）有限公司 韩素燕

余热利用及其控制技术在智能建筑中的应用

文｜同方泰德国际科技（北京）有限公司 韩素燕

余热利用在钢铁、建材、化工等高能耗行业中得到大力支持和发展，取得了显著的节能降耗效果；然而在智能建筑中的应用却比较少见。通过大胆的设想、精确的计算，合理地利用余热，实现能源的循环利用，对建设绿色建筑、创新节能方式具有重要的意义。

本文将介绍余热利用控制技术在某新建客运专线调度中心中的成功应用。

1 工程概况与使用功能分析

某新建客运专线调度中心大楼，建筑面积80000m2，地下二层，地上七层，建成后将成为所属路局的调度指挥中心。

大楼内的主要功能用房为：办公用房、调度指挥中心、设备机房。

一方面，广大办公人员和调度员作为运输生产的指挥员，岗位关键；空调系统必须为他们提供安全舒适的办公环境。另一方面，调度指挥中心是路局的神经中枢，各专业系统设备繁多，机房遍布各层，机房内的设备肩负重任，是确保路局安全生产和提高运输效率的核心；因此，空调系统还必须为这些设备提供安全稳定的运行环境。

综上所述，大楼内人工环境的设计目标是：为路局调度指挥各级工作岗位上的工作人员提供安全、舒适的调度和办公环境；为各个运调专业机房设备提供稳定安全的运行环境。

2 余热利用可行性分析

（1）能量平衡分析

为达到新建客运专线调度中心大楼人工环境的设计目标，大楼内设计两套空调系统，即舒适性中央空调系统和机房空调系统，分别用于为大楼内的“人”和“设备”营造其所需的工作环境。余热利用正是这两个系统之间能量的释放和吸收的循环利用。

夏季，舒适性空调系统通过向办公区域注入冷气，同时带走多余的热量，来营造凉爽舒适的温度环境；机房空调系统输送冷气、带走自然环境和机器设备产生的余热——在夏季，这两套系统都需制冷，降低环境温度来维系适宜的温度环境，彼此间并不存在能量的互补。

冬季的情况则有很大不同。在冬季，我国北方城市过低的温度（可达到-10℃），使得办公区域必须吸收热量才能保证温度保持在与“人”的需求相符的水平。此时，舒适性空调系统需要制热。而与此同时，机房设备产生的高热量仍然使得环境温度过高；为保证设备的正常运行，仍然需要降低环境温度，带走设备产生的多余热量——机房空调系统仍然需要制冷。

在冬季，舒适性空调系统需要供热，机房空调系统需要制冷；这一“热”一“冷”，使得两个系统的能量循环利用成为可能。

（2）热量计算

经暖通专业和水专业计算，冬季舒适性空调总热负荷为4470kW，机房空调系统总冷负荷为6696kW。由于冬季机房空调系统产生的余热大于舒适性空调的供热量；因此从两个系统能量需求的角度来看，机房空调系统产生的余热完全可以满足舒适性空调系统对热源的要求，也就是说舒适性空调冬季热源可以不依赖城市热网，而完全由机房空调系统产生的余热来供应。

（3）余热利用的主要设备

实现机房空调系统冬季余热利用的关键设备为水环热泵螺杆机组。目前水环热泵螺杆机组技术成熟，运行稳定，系统效率高，完全能够满足要求。

3 余热利用设计

（1）舒适性空调冷热源设计

根据项目所在地能源与资源状况以及节能环保的原则，采用“城市热网＋水环热泵系统”，即由水环热泵提供系统冷热源，冬季不足部分由城市热网提供的冷热源形式。水环热泵的水源，夏季为冷却塔，冬季为机房专用空调系统冷却水。水环热泵系统夏季提供7/12℃的冷水作为空调系统的冷源，冬季提供45/38℃的热水作为空调系统的热源。冬季供热量不足和水温不能满足要求时，补充城市热网供热。

计算总冷负荷为5972kW，计算总热负荷为4470kW。

选用三台水环热泵螺杆制冷机组（单台制冷量为1930kW）作为空调冷源主要设备。

夏季冷冻水设计供回水温度为7/12℃，冬季热水设计供回水温度为45/38℃。

冷却水设计供回水温度在夏季为32/37℃，在冬季高于15/10℃。

（2）冷却水设计

本项目冷却水循环系统分为两部分，即舒适性空调冷却循环水系统和机房专用空调冷却水循环系统。舒适性空调冷却水系统采用开式压力回流系统，冷却塔设在屋顶，冷却塔进出水温度分别为37℃和32℃。机房专用空调冷却水循环水系统采用闭式系统，冷却塔为闭式冷却塔；在冬季低温时，冷却循环水作为水环热泵机组的热源，不通过冷却塔进行循环。

（3）主要冷热源设备

主要冷热源设备如表1所示。

表1 主要冷热源设备表

（4）冬季工况余热利用工艺流程

冬季工况时，检测机房空调冷却水回水总管上的温度、流量参数；在冷却水回水温度、流量满足舒适性空调应用条件，且达到水环热泵机组的开启参数要求时，余热利用控制系统关闭冷却塔方向阀门，开启余热利用阀门，开启余热利用循环水泵，使得冷却水流入舒适性空调，成为水环热泵机组热源。

水环热泵机组利用机房空调冷却水余热，制备45℃热水供舒适性空调使用。

机房空调冷却水经过水环热泵机组，释放多余热量后，重新流入机房冷却水供水管，供机房空调系统使用。

4 余热利用控制系统设计

空调冷热源控制采用集散型设备自动化控制系统（BAS）实现，控制与管理的对象包括机房空调冷却水系统、舒适性空调冷热源系统，以及此二系统间的余热利用系统。

（1）系统架构

BAS系统设计为两层网络结构，如图1所示。

管理层网络由BAS系统主机、操作站、网络设备等构成，采用B/S结构，负责实现整个冷热源系统的数据采集和控制管理。

现场层网络由DDC控制器组成，采用标准开放的BACnet协议。DDC控制器就近安置在被控设备附近，实现对被控设备的控制与管理。

（2）余热利用的数据采集与控制管理

为了实现冬季工况时的余热利用，需要对舒适性空调冷热源系统和机房空调系统冷热源系统的参数进行全面采集，并根据余热的利用条件开启、动态调节余热利用相关设备。控制与管理的主要对象包括水环热泵机组、开式塔、冷冻水循环泵、冷却水循环泵、闭式塔、机房空调冷却水循环泵、热泵机组循环泵等设备，以及两个系统的流量、压力、温度等主要参数。余热利用控制流程如图2所示。

针对余热利用的实现，监测与控制的内容如下：

◆ 通过水环热泵机组的第三方接口取得机组运行的主要参数；

◆ 在机房空调冷却水系统总管上安装水道温度传感器、水道流量传感器和水道压力传感器，检测冷却水总管的温度、流量和压力；

◆ 在热泵机组循环泵出口安装水流开关，检测水泵的水流状态；

◆ 自动检测热泵机组循环泵的运行状态、故障状态和手/自动状态，并自动控制其启停；

◆ 检测热水循环泵的运行状态、故障状态和手自动状态，并自动控制水泵的启停；

◆ 自动控制开式冷却塔供回水总管阀门（MV1、MV2）的启闭；

◆ 自动控制闭式塔供回水阀门（MV6、MV7）的启闭；

◆ 自动控制闭式塔供回水总管间旁通阀（MV5）的启闭；

◆ 自动控制机房空调冷却水和水环热泵机组之间的阀门（MV3、MV4）的启闭。

（3）余热利用控制点

余热利用控制点如表2所示。

表2 余热利用控制点表

（4）控制策略

根据室外温度条件和时间计划确定冬季运行工况。

冬季工况时，自动关闭开式冷却塔供回水阀门MV1、MV2，停止使用开式塔相关设备；检测机房空调冷却水温度T，当T低于15℃时，自动关闭闭式塔供回水阀门MV6、MV7，打开冷却塔供回水旁通阀门MV5——机房空调冷却水不再经过闭式冷却塔循环。

自动检测机房空调冷却水温度、压力和流量。当温度高于10℃，且流量不低于1100m3时，打开余热利用阀门MV3、MV4；自动打开水环热泵机组循环泵。机房空调冷却水通过热泵机组进行循环。

热泵机组一次侧各设备运转正常后，按预定程序打开热泵机组热水供水侧各设备，并检测其运行是否正常，最后启动水环热泵机组。热泵机组利用机房余热制备45℃热水供舒适性空调使用。

目前，该客运专线大楼设备自动化系统和余热利用系统已经实施完毕，各系统试运行正在紧张进行中。待机房空调系统全部投入定运行，并达到稳定后，余热利用系统将会按计划逐步投入使用。

5 余热利用的思考

舒适性空调系统在未启用机房空调余热利用的情况下，全部热源由城市热网提供。我国北方地区冬季漫长，供暖季节长达4个月，供暖费用在楼宇物业支出中所占比例相当大。合理利用机房空调余热后，整个大楼在漫长的冬季中将不再依靠城市供暖，可以节省全部的冬季取暖费用。

余热利用节能空间巨大，但并不适用于所有建筑。通过前文的分析可知，应用余热利用必须建立在保证系统间能量供需平衡，即一个系统的余热完全能够满足另一个系统的热量需求的基础上。如果只能少部分满足，即使加以利用，也必须补充城市热网提供的热能；这种情况下虽然可以节省一定量的能源，但是因配备热泵机组，增加余热应用管道、阀门、泵等设备会导致投资增加，最终很可能会造成“节能不节资”的状况。因此，系统间余热利用只能应用于特定类型的建筑，如生产办公性质的楼宇，实验楼，数据中心，铁路、轨道交通等行业的指挥中心，广播电视大楼等。本文涉及的新建客运专线分布于各地的调度中心均引入了余热利用。

6 结束语

《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十二个五年规划的建议》倡导绿色发展，强调建设资源节约型、环境友好型社会。将余热利用应用于建筑物中，通过能源的梯级利用，达到节能的目标，无疑会成为建筑节能的又一个有力的手段。