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      技術導航 | 實驗室建筑通風空調系統優化控制與節能分析

         日期:2022-07-26     來源:現代實驗室裝備網    瀏覽:855    
      核心提示:以對系統運行優化為主的“無、低費”節能技術(節能方案)的節能效果顯著、見效快。

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      在我國的民用與工業建筑中,實驗室、藥廠、化工企業等建筑的高能耗問題十分突出,因為這類建筑大多設有集中通風空調系統以滿足健康、安全的人工環境和生產工藝的要求。人們都比較關注這類建筑通風空調系統運行的安全性和可靠性,卻往往忽略了其能耗問題。本文以美國德州農工大學(Texas A&M University)某綜合實驗樓節能技術改造工程為例,介紹實驗樓通風空調系統常見的運行與控制問題、技術解決方案、節能效果以及節能效果的可持續性,這些研究成果對我國同類實驗室、藥廠、化工企業等建筑的節能技術改造、通風空調系統優化以及關鍵節能技術的研發具有一定的參考價值。
       

      實驗樓通風空調系統案例簡介

      美國德州農工大學內一綜合實驗樓建于上世紀80年代,是帶有一層地下室的四層建筑,地下室包括一個動物標本室和計算機房,一樓主要為教室,二樓為物理實驗室,三樓為辦公用房,四樓是化學實驗室,總建筑面積約為8,600m2。


       

      ?該綜合實驗樓共有12臺空調機組(AHU).AHU—3、AHU—8、AHU—11和AHU—12是單風道變風量末端再熱空調機組,并由計算機遠程控制,分別服務于一至四樓的主體部分;其余8臺空調機組均為當地氣動控制:AHU—4 和AHU—7分別服務地下室的計算機房和動物標本室,AHU—5和AHU-6服務于一樓的階梯教室,AHU-9和AHU—10服務于三樓的階梯教室,AHU-2是一臺新風機組,向AHU-3、AHU—8、AHU—11和AHU-12供處理過的室外空氣,AHU—1是只帶熱水加熱盤管的補風(通風)機組,向四樓化學實驗室的通風柜和吊式排風罩提供室外空氣。該樓屋頂頂上裝有46臺排風機,其中36臺用于四樓化學實驗室排風,其余10臺用于衛生間和其它房間排風,樓內空調機組和排風機常年不間斷運行。該實驗樓的冷凍水和供熱熱水由校園內冷熱水管網提供,并設有兩臺二級冷凍水泵和兩臺二級熱水泵。
       

      通風空調系統存在的問題和優化解決方案

      在經過多年使用之后,該樓工作人員對樓內人工環境的抱怨時常發生。另外,根據能耗監測系統能耗數據顯示,該樓的空調用冷量、供熱量和用電量均超高。因此,在2000年3月和4月對通風空調系統進行了全面完整的檢測,并據此采取了維護和控制系統的優化措施。在這次節能技術改造過程中發現系統存在的主要問題和解決方案如下:


       

      1)用于四樓化學實驗室排風柜的補風機組AHU-1從1995年至2000年一直停運。運行管理人員反映:如果開補風機組大量室外空氣會進入實驗室,使實驗室夏季室內溫度升高,冬季室內溫度下降.經過仔細檢查發現造成這一問題的真正原因是許多化學實驗室的排風機沒有正常工作,如有些排風機的皮帶日久松弛,風機轉速下降,排風量減少;而有些風機的皮帶斷裂脫落,電機轉,但風機不轉;另外,補風機風量控制閥被卡住,不能調節風量,這些都致使排風量遠遠小于補風量,大量室外空氣滯留在室內。

      解決方案:更換排風機皮帶;修復補風機風量控制閥;開啟補風機組;達到四樓化學實驗室的空氣平衡。


       

      2)新風機組AHU—2的預熱盤管控制閥失靈,并處于開啟狀態.導致空氣在夏季仍然被不必要的加熱,不僅浪費大量的熱量,而且需要額外的冷量來抵消加熱。

      解決方案:更換預熱盤管控制閥.


       

      3)新風機組AHU—2是氣動控制,表冷器控制閥的控制器失靈導致閥門處于常開狀態。該新風機組的送風設計溫度為15?C,但實際上可達到10?C,這增加了冷量的消耗。

      解決方案:更換控制器,并將送風溫度設定在設計值15?C.


       

      4)服務于階梯教室的空調機組AHU—6的加熱盤管熱水控制閥失靈,并處于開啟狀態。這導致送風溫度過高,同時需要額外的冷量來抵消這一熱量。在檢測過程中,當關閉加熱盤管的手動閥,送風溫度則由原來的20?C下降到13?C。

      解決方案:更換加熱盤管熱水控制閥。


       

      5)房間溫度由氣動溫控器控制,檢測發現在總數87個溫控器當中有34個需要校對,36個需要更換.表1給出了溫控器檢測和維修情況。

      表1 一至四樓末端裝置檢測與維修情況


      解決方案:
      校對和更換失靈的溫控器。

      ?6)冷凍水泵的電機由變頻器控制,使冷凍水系統供回水壓差滿足空調負荷變化的需要。優化前根據冷凍水流量供回水壓差設在100kpa~370kpa,偏高;優化后的供回水壓差則是根據室外溫度設在35kpa~175kpa,見表2。由于供回水壓差降低了,節約了水泵電機用電量。

      表2  冷凍水供回水壓差與室外溫度關系


      7)優化前AHU—3、AHU—8、AHU-11和AHU-12的送風溫度在整個夏季都是13?C,這個溫度值是設計值,即滿足最大設計負荷要求。但從節能角度考慮,送風溫度應該隨空調負荷變化,即在部分負荷時適當提高送風溫度,以節約冷量。優化后的送風溫度與室外溫度間的關系見表3。

      表3  冷風道溫度設定值與室外溫度的關系


      8)空調機組AHU—3、AHU—8、AHU-11和AHU—12風機設有變頻器,優化前送風靜壓控制值為0。68kpa,這一定值對與大多數部分負荷情況下是偏高的.優化后的送風靜壓與室外溫度的關系見表4.周末和晚上樓內人員較少,送風靜壓見表5。由于靜壓降低了,風機的用電量也隨之降低。

      表4  送風靜壓值與室外溫度的關系


      表5  周末與夜晚的送風靜壓值


      ?節能量分析與節能效果的可持續性

      德州農工大學共有200多棟建筑,學校能源辦擁有一個強大的能量數據庫(LoanSTAR數據庫),收集、存儲和分析大部分建筑的能耗情況,包括冷凍水能耗、供熱熱水能耗和用電量等,綜合實驗樓節能改造前后的能耗數據即取自該數據庫。節能改造從2000年3月20日開始,2000年6月30日結束,歷時3個多月。


       

      為了更好地說明通風空調系統節能改造的節能效果和可持續性,圖1和圖2分別給出了節能改造前后冷凍水能耗和電耗以及改造后第4年相應能耗監測情況。節能改造前(Pre-CC)的數據時段為1999年1月1日至2000年3月20日;節能改造后(Post—CC)的數據時段為2000年4月20日至2000年6月30日;節能改造后第4年檢測(CC Follow—up)的數據時段為2004年1月1日至2004年8月23日。通過對這些能耗數據分析可以得出如下結論:


       

      1)該實驗樓的節能技術改造的節能效果明顯.其中冷凍水平均每天節能21x106kJ(20mmBtu/day),約占每日總量25%;每天節電約1500kWh,約為每日總電量20%,總體節能效果在20%以上。


       

      2)該節能成果都是來自“無、低費”節能技術,包括:新的優化控制程序、空氣平衡、維修控制閥、更換溫控器以及啟動實驗室補風機組等。“無、低費”節能技術的主要特點是:成本低,投資回報快,一般不超過6個月。


       

      3)曾有人對以優化系統運行為主的“無、低費”節能技術(節能方案)的持久性持懷疑態度,認為改造后過不了幾年能耗還會回到原來的水平,對節能來說不如采用“中、高費”方案(如更換大型設備)實現一勞永逸。這種擔心是沒必要的:實驗樓改造4年后的2004年,其節能量(包括冷凍水和電能節約量兩方面)仍基本保持在2000年技術改造剛完成后的水平。

      ?結語

      國外綜合實驗樓節能改造實例及其節能量分析說明,以對系統運行優化為主的“無、低費”節能技術(節能方案)的節能效果顯著、見效快。這種技術除包括對建筑能耗系統的正常維護、更換失靈控制器和控制閥等措施外,更主要的是對能耗控制系統的綜合優化,這對我國同類建筑的節能改造也具有較好的參考價值.


       


       

       
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