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在我國(guó)的民用與工業(yè)建筑中,實(shí)驗(yàn)室、藥廠、化工企業(yè)等建筑的高能耗問(wèn)題十分突出，因?yàn)檫@類(lèi)建筑大多設(shè)有集中通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)以滿足健康、安全的人工環(huán)境和生產(chǎn)工藝的要求。人們都比較關(guān)注這類(lèi)建筑通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和可靠性，卻往往忽略了其能耗問(wèn)題。本文以美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)(Texas A&M University）某綜合實(shí)驗(yàn)樓節(jié)能技術(shù)改造工程為例,介紹實(shí)驗(yàn)樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)常見(jiàn)的運(yùn)行與控制問(wèn)題、技術(shù)解決方案、節(jié)能效果以及節(jié)能效果的可持續(xù)性，這些研究成果對(duì)我國(guó)同類(lèi)實(shí)驗(yàn)室、藥廠、化工企業(yè)等建筑的節(jié)能技術(shù)改造、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化以及關(guān)鍵節(jié)能技術(shù)的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。
實(shí)驗(yàn)樓通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)案例簡(jiǎn)介
美國(guó)德州農(nóng)工大學(xué)內(nèi)一綜合實(shí)驗(yàn)樓建于上世紀(jì)80年代，是帶有一層地下室的四層建筑,地下室包括一個(gè)動(dòng)物標(biāo)本室和計(jì)算機(jī)房，一樓主要為教室，二樓為物理實(shí)驗(yàn)室，三樓為辦公用房，四樓是化學(xué)實(shí)驗(yàn)室，總建筑面積約為8,600m2。
?該綜合實(shí)驗(yàn)樓共有12臺(tái)空調(diào)機(jī)組(AHU）.AHU—3、AHU—8、AHU—11和AHU—12是單風(fēng)道變風(fēng)量末端再熱空調(diào)機(jī)組，并由計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，分別服務(wù)于一至四樓的主體部分；其余8臺(tái)空調(diào)機(jī)組均為當(dāng)?shù)貧鈩?dòng)控制：AHU—4 和AHU—7分別服務(wù)地下室的計(jì)算機(jī)房和動(dòng)物標(biāo)本室，AHU—5和AHU-6服務(wù)于一樓的階梯教室，AHU-9和AHU—10服務(wù)于三樓的階梯教室，AHU-2是一臺(tái)新風(fēng)機(jī)組，向AHU-3、AHU—8、AHU—11和AHU-12供處理過(guò)的室外空氣，AHU—1是只帶熱水加熱盤(pán)管的補(bǔ)風(fēng)（通風(fēng)）機(jī)組，向四樓化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)柜和吊式排風(fēng)罩提供室外空氣。該樓屋頂頂上裝有46臺(tái)排風(fēng)機(jī)，其中36臺(tái)用于四樓化學(xué)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)，其余10臺(tái)用于衛(wèi)生間和其它房間排風(fēng)，樓內(nèi)空調(diào)機(jī)組和排風(fēng)機(jī)常年不間斷運(yùn)行。該實(shí)驗(yàn)樓的冷凍水和供熱熱水由校園內(nèi)冷熱水管網(wǎng)提供,并設(shè)有兩臺(tái)二級(jí)冷凍水泵和兩臺(tái)二級(jí)熱水泵。
通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)存在的問(wèn)題和優(yōu)化解決方案
在經(jīng)過(guò)多年使用之后，該樓工作人員對(duì)樓內(nèi)人工環(huán)境的抱怨時(shí)常發(fā)生。另外,根據(jù)能耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)顯示,該樓的空調(diào)用冷量、供熱量和用電量均超高。因此，在2000年3月和4月對(duì)通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行了全面完整的檢測(cè),并據(jù)此采取了維護(hù)和控制系統(tǒng)的優(yōu)化措施。在這次節(jié)能技術(shù)改造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題和解決方案如下：
1)用于四樓化學(xué)實(shí)驗(yàn)室排風(fēng)柜的補(bǔ)風(fēng)機(jī)組AHU-1從1995年至2000年一直停運(yùn)。運(yùn)行管理人員反映:如果開(kāi)補(bǔ)風(fēng)機(jī)組大量室外空氣會(huì)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室，使實(shí)驗(yàn)室夏季室內(nèi)溫度升高，冬季室內(nèi)溫度下降.經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)造成這一問(wèn)題的真正原因是許多化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的排風(fēng)機(jī)沒(méi)有正常工作，如有些排風(fēng)機(jī)的皮帶日久松弛，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速下降，排風(fēng)量減少；而有些風(fēng)機(jī)的皮帶斷裂脫落，電機(jī)轉(zhuǎn)，但風(fēng)機(jī)不轉(zhuǎn)；另外，補(bǔ)風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制閥被卡住，不能調(diào)節(jié)風(fēng)量，這些都致使排風(fēng)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于補(bǔ)風(fēng)量，大量室外空氣滯留在室內(nèi)。
解決方案：更換排風(fēng)機(jī)皮帶；修復(fù)補(bǔ)風(fēng)機(jī)風(fēng)量控制閥;開(kāi)啟補(bǔ)風(fēng)機(jī)組；達(dá)到四樓化學(xué)實(shí)驗(yàn)室的空氣平衡。
2)新風(fēng)機(jī)組AHU—2的預(yù)熱盤(pán)管控制閥失靈,并處于開(kāi)啟狀態(tài).導(dǎo)致空氣在夏季仍然被不必要的加熱，不僅浪費(fèi)大量的熱量，而且需要額外的冷量來(lái)抵消加熱。
解決方案：更換預(yù)熱盤(pán)管控制閥.
3)新風(fēng)機(jī)組AHU—2是氣動(dòng)控制，表冷器控制閥的控制器失靈導(dǎo)致閥門(mén)處于常開(kāi)狀態(tài)。該新風(fēng)機(jī)組的送風(fēng)設(shè)計(jì)溫度為15?C,但實(shí)際上可達(dá)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(fēng)溫度設(shè)定在設(shè)計(jì)值15?C.
4)服務(wù)于階梯教室的空調(diào)機(jī)組AHU—6的加熱盤(pán)管熱水控制閥失靈,并處于開(kāi)啟狀態(tài)。這導(dǎo)致送風(fēng)溫度過(guò)高,同時(shí)需要額外的冷量來(lái)抵消這一熱量。在檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)關(guān)閉加熱盤(pán)管的手動(dòng)閥,送風(fēng)溫度則由原來(lái)的20?C下降到13?C。
解決方案：更換加熱盤(pán)管熱水控制閥。
5)房間溫度由氣動(dòng)溫控器控制,檢測(cè)發(fā)現(xiàn)在總數(shù)87個(gè)溫控器當(dāng)中有34個(gè)需要校對(duì),36個(gè)需要更換.表1給出了溫控器檢測(cè)和維修情況。
表1 一至四樓末端裝置檢測(cè)與維修情況
解決方案：校對(duì)和更換失靈的溫控器。
?6)冷凍水泵的電機(jī)由變頻器控制,使冷凍水系統(tǒng)供回水壓差滿足空調(diào)負(fù)荷變化的需要。優(yōu)化前根據(jù)冷凍水流量供回水壓差設(shè)在100kpa~370kpa，偏高；優(yōu)化后的供回水壓差則是根據(jù)室外溫度設(shè)在35kpa～175kpa，見(jiàn)表2。由于供回水壓差降低了，節(jié)約了水泵電機(jī)用電量。
表2 冷凍水供回水壓差與室外溫度關(guān)系
7)優(yōu)化前AHU—3、AHU—8、AHU-11和AHU-12的送風(fēng)溫度在整個(gè)夏季都是13?C，這個(gè)溫度值是設(shè)計(jì)值，即滿足最大設(shè)計(jì)負(fù)荷要求。但從節(jié)能角度考慮，送風(fēng)溫度應(yīng)該隨空調(diào)負(fù)荷變化,即在部分負(fù)荷時(shí)適當(dāng)提高送風(fēng)溫度，以節(jié)約冷量。優(yōu)化后的送風(fēng)溫度與室外溫度間的關(guān)系見(jiàn)表3。
表3 冷風(fēng)道溫度設(shè)定值與室外溫度的關(guān)系
8)空調(diào)機(jī)組AHU—3、AHU—8、AHU-11和AHU—12風(fēng)機(jī)設(shè)有變頻器,優(yōu)化前送風(fēng)靜壓控制值為0。68kpa，這一定值對(duì)與大多數(shù)部分負(fù)荷情況下是偏高的.優(yōu)化后的送風(fēng)靜壓與室外溫度的關(guān)系見(jiàn)表4.周末和晚上樓內(nèi)人員較少,送風(fēng)靜壓見(jiàn)表5。由于靜壓降低了，風(fēng)機(jī)的用電量也隨之降低。
表4 送風(fēng)靜壓值與室外溫度的關(guān)系
表5 周末與夜晚的送風(fēng)靜壓值
?節(jié)能量分析與節(jié)能效果的可持續(xù)性
德州農(nóng)工大學(xué)共有200多棟建筑，學(xué)校能源辦擁有一個(gè)強(qiáng)大的能量數(shù)據(jù)庫(kù)(LoanSTAR數(shù)據(jù)庫(kù))，收集、存儲(chǔ)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(shí)驗(yàn)樓節(jié)能改造前后的能耗數(shù)據(jù)即取自該數(shù)據(jù)庫(kù)。節(jié)能改造從2000年3月20日開(kāi)始,2000年6月30日結(jié)束，歷時(shí)3個(gè)多月。
為了更好地說(shuō)明通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能改造的節(jié)能效果和可持續(xù)性,圖1和圖2分別給出了節(jié)能改造前后冷凍水能耗和電耗以及改造后第4年相應(yīng)能耗監(jiān)測(cè)情況。節(jié)能改造前（Pre-CC）的數(shù)據(jù)時(shí)段為1999年1月1日至2000年3月20日；節(jié)能改造后(Post—CC）的數(shù)據(jù)時(shí)段為2000年4月20日至2000年6月30日；節(jié)能改造后第4年檢測(cè)（CC Follow—up）的數(shù)據(jù)時(shí)段為2004年1月1日至2004年8月23日。通過(guò)對(duì)這些能耗數(shù)據(jù)分析可以得出如下結(jié)論：
1）該實(shí)驗(yàn)樓的節(jié)能技術(shù)改造的節(jié)能效果明顯.其中冷凍水平均每天節(jié)能21x106kJ(20mmBtu/day)，約占每日總量25％；每天節(jié)電約1500kWh，約為每日總電量20％，總體節(jié)能效果在20％以上。
2）該節(jié)能成果都是來(lái)自“無(wú)、低費(fèi)”節(jié)能技術(shù)，包括：新的優(yōu)化控制程序、空氣平衡、維修控制閥、更換溫控器以及啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)室補(bǔ)風(fēng)機(jī)組等。“無(wú)、低費(fèi)”節(jié)能技術(shù)的主要特點(diǎn)是:成本低,投資回報(bào)快,一般不超過(guò)6個(gè)月。
3）曾有人對(duì)以優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行為主的“無(wú)、低費(fèi)”節(jié)能技術(shù)（節(jié)能方案）的持久性持懷疑態(tài)度，認(rèn)為改造后過(guò)不了幾年能耗還會(huì)回到原來(lái)的水平，對(duì)節(jié)能來(lái)說(shuō)不如采用“中、高費(fèi)”方案（如更換大型設(shè)備)實(shí)現(xiàn)一勞永逸。這種擔(dān)心是沒(méi)必要的：實(shí)驗(yàn)樓改造4年后的2004年，其節(jié)能量(包括冷凍水和電能節(jié)約量?jī)煞矫妫┤曰颈３衷?000年技術(shù)改造剛完成后的水平。
?結(jié)語(yǔ)
國(guó)外綜合實(shí)驗(yàn)樓節(jié)能改造實(shí)例及其節(jié)能量分析說(shuō)明，以對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化為主的“無(wú)、低費(fèi)”節(jié)能技術(shù)(節(jié)能方案）的節(jié)能效果顯著、見(jiàn)效快。這種技術(shù)除包括對(duì)建筑能耗系統(tǒng)的正常維護(hù)、更換失靈控制器和控制閥等措施外,更主要的是對(duì)能耗控制系統(tǒng)的綜合優(yōu)化，這對(duì)我國(guó)同類(lèi)建筑的節(jié)能改造也具有較好的參考價(jià)值.
