吳耀洲
(海德聯(lián)創(chuàng)設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,浙江 杭州 310000)
暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)是基于與常規(guī)暖通空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)的情況下,滿足室內(nèi)技術(shù)參數(shù)溫度、相對(duì)濕度、氣流組織、新風(fēng)量、噪聲等要求;目標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行載荷,滿足系統(tǒng)載冷流量、壓力、溫度等要求,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行達(dá)到節(jié)能。系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)是通過(guò)合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)備功能設(shè)計(jì)、空調(diào)冷熱源機(jī)組產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及使用管理制度等要素,綜合、科學(xué)組合實(shí)現(xiàn);暖通空調(diào)系統(tǒng)主要是由冷熱源機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、末端裝置、盤(pán)管風(fēng)機(jī)、空調(diào)風(fēng)柜、空氣處理機(jī)組、新排風(fēng)系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)通過(guò)消耗能源介質(zhì)轉(zhuǎn)換,實(shí)現(xiàn)供熱制冷達(dá)到室溫的目的,通過(guò)科學(xué)、高效的節(jié)能設(shè)計(jì)將每一構(gòu)成要素降低消耗能量或最大限度低耗,提高整個(gè)暖通空調(diào)系統(tǒng)全年綜合能效比,從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)初期節(jié)省投資,降低造價(jià),運(yùn)行使用節(jié)能,使用增值。暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能評(píng)價(jià)應(yīng)貫穿于設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行階段。
系統(tǒng)性原則是暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),基于國(guó)家節(jié)能減排政策、自然生態(tài)環(huán)保法律規(guī)定,行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及用戶對(duì)系統(tǒng)功能、工藝等要求,故設(shè)計(jì)方案既要符合運(yùn)行節(jié)能的經(jīng)濟(jì)性及維修保養(yǎng)操作要求,又要確保系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命周期,滿足功能性用途。系統(tǒng)性的原則,體現(xiàn)設(shè)計(jì)人員對(duì)節(jié)能設(shè)計(jì)的整體思路,建立節(jié)能設(shè)計(jì)平臺(tái),針對(duì)性對(duì)系統(tǒng)全年綜合能效比計(jì)算,優(yōu)化節(jié)能方案,比選方案,最終正確選擇方案。
暖通空調(diào)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)技術(shù)性復(fù)雜、綜合的工作,影響因素很多,涉及建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)圖原始數(shù)據(jù)及第一手現(xiàn)場(chǎng)資料,以及功能、工藝的需要;再者,隨著冷熱源機(jī)組技術(shù)開(kāi)發(fā)的不斷更新,控制系統(tǒng)人工智能化廣泛應(yīng)用,技術(shù)方案也應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況,不斷優(yōu)化完善。
暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)以科學(xué)發(fā)展觀為原則[1],采用各項(xiàng)節(jié)能措施及運(yùn)行策略,在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不斷導(dǎo)入新技術(shù)元素,既符合國(guó)家節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向,又有利于建設(shè)工程施工管理、系統(tǒng)全壽命周期運(yùn)營(yíng)管理及節(jié)省建造施工運(yùn)行成本。
在方案設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)理念主導(dǎo)著空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方向,主要體現(xiàn)在工程項(xiàng)目造價(jià)、成本、運(yùn)營(yíng)、管理等費(fèi)用支出大小的特點(diǎn)。設(shè)計(jì)方案在符合專業(yè)設(shè)計(jì)的情況下,應(yīng)充分了解業(yè)主使用意圖及習(xí)慣,導(dǎo)入業(yè)主對(duì)系統(tǒng)的節(jié)能規(guī)劃、節(jié)能控制及節(jié)能管理,形成優(yōu)化節(jié)能管理體系。如審定的設(shè)計(jì)方案是否影響占用機(jī)房或占用機(jī)房用面積的大小及建成投入運(yùn)行后的值班、操作、維護(hù)人員數(shù)量等,這些因素將決定運(yùn)行管理成本高低。
暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)是直接影響系統(tǒng)的能耗指標(biāo)之一,其合理性決定系統(tǒng)冷熱源機(jī)組、系統(tǒng)設(shè)備、末端機(jī)組等投入的運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短。室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)主要有室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、新排風(fēng)量、風(fēng)速、噪聲等,在規(guī)范規(guī)定的設(shè)計(jì)取值范圍內(nèi),確保人體舒適或工藝要求,滿足客戶要求,再者也要避免標(biāo)準(zhǔn)過(guò)高。比如不同地區(qū),室內(nèi)、外空氣的參數(shù)、相對(duì)濕度及室外平均風(fēng)速不同,夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù),規(guī)范設(shè)計(jì)取值為24 ~27 ℃、相對(duì)濕度50% ~60%,當(dāng)取值為24℃/50%或27 ℃/60%時(shí)均在設(shè)計(jì)參數(shù)范圍內(nèi),但前者使空調(diào)負(fù)荷增加約30%,增大了電功率。再者,合理設(shè)定冷熱源機(jī)組運(yùn)行參數(shù),是最直接有效的節(jié)能措施之一。比如冷水機(jī)組供水回水溫度常規(guī)控制7/12 ℃,結(jié)合工程項(xiàng)目使用實(shí)際可控制在8 ~13 ℃,溫差控制在4 ~6 ℃,如此,提高了機(jī)組的制冷效率。相關(guān)文獻(xiàn)及經(jīng)測(cè)試表明,機(jī)組設(shè)定溫度每升高1 ℃,能耗可以節(jié)省電功率4% ~6%[2],同時(shí)降低冷量單價(jià)成本,減小投資空調(diào)費(fèi)用。
空調(diào)系統(tǒng)冷熱源機(jī)組能耗約占系統(tǒng)總能耗的60%,選擇COP 值大,高附加值產(chǎn)品。從不同角度作方案比選:
(1)根據(jù)水冷式螺桿機(jī)組、水冷式離心機(jī)組、風(fēng)冷式模塊機(jī)組、地源熱泵機(jī)組、海冷式機(jī)組等不同機(jī)型在不同建筑環(huán)境中的使用優(yōu)劣,取長(zhǎng)補(bǔ)短,靈活組合使用,不同的需求環(huán)境選擇不同冷量機(jī)型,以搭配方式滿足要求;根據(jù)場(chǎng)所的不同,選擇相應(yīng)的模式機(jī)型,比如醫(yī)院、賓館、餐飲行業(yè)優(yōu)先選擇帶余熱回收功能機(jī)型,把回收余熱的能量轉(zhuǎn)換為生活熱水,從而節(jié)約制造熱水成本,同時(shí)提高機(jī)組高效率運(yùn)行,大幅度提高綜合能效比,降低能耗。
(2)不斷優(yōu)化制冷控制系統(tǒng),選擇的空調(diào)主機(jī)控制系統(tǒng)需具有變頻、智能調(diào)節(jié)調(diào)級(jí)功能。設(shè)計(jì)技術(shù)方案并根據(jù)項(xiàng)目工程的需要,制冷控制系統(tǒng)導(dǎo)入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能、Matlab 語(yǔ)言、自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)技術(shù)三者綜合應(yīng)用,整合反饋數(shù)據(jù),它能根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)偏差值的大小調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)[3],使系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)冷凍水流量、冷卻水流量、冷卻塔風(fēng)量及房間的溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè)并合理的判斷和設(shè)定,最終實(shí)現(xiàn)機(jī)組動(dòng)態(tài)運(yùn)行效率與室內(nèi)最佳的空氣溫濕度質(zhì)量相適應(yīng),當(dāng)制冷量與負(fù)荷達(dá)到平衡時(shí),機(jī)組能耗最小。
水系統(tǒng)一般由冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、末端風(fēng)機(jī)盤(pán)管、風(fēng)柜及管道、閥門(mén)等組成一個(gè)閉式或開(kāi)式環(huán)路,輸送系統(tǒng)載冷劑進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)可采用如下步驟實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì):
(1)通過(guò)科學(xué)對(duì)系統(tǒng)管路布局不斷優(yōu)化,簡(jiǎn)化路徑設(shè)置,準(zhǔn)確計(jì)算水路沿程阻力損失,選擇合適的水泵揚(yáng)程,避免揚(yáng)程過(guò)大,增加能耗。
(2)水泵、水塔電機(jī)根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)置定頻+變頻智能結(jié)合使用,如兩臺(tái)以上循環(huán)泵組系統(tǒng)。系統(tǒng)循環(huán)水流量根據(jù)工程特點(diǎn),定頻定流量+變頻變流量控制,避免大流量小溫差。采用上述兩種方式,水系統(tǒng)泵組及冷卻電機(jī)節(jié)能率約占其額定功率15%。
(3)供冷網(wǎng)管壓力、流量均衡設(shè)計(jì),除了增設(shè)必要的壓力平衡閥(水力平衡裝置)外,注重管網(wǎng)整體與局部的流量分配,如區(qū)域間采用同程管網(wǎng)或同程管網(wǎng)與異程網(wǎng)結(jié)合,以達(dá)到冷量均衡,溫度場(chǎng)舒適,減小投入大功率機(jī)組運(yùn)行,節(jié)省能耗。
(4)減小供冷管網(wǎng)的冷量損失。在滿足設(shè)計(jì)壓力的情況下,冷凍管材可以選擇導(dǎo)熱損失小的U-PVC管替代熱鍍鋅管,降低冷水輸送過(guò)程冷量損失。
(5)相關(guān)測(cè)試驗(yàn)證,提高供回水溫度,網(wǎng)管冷水輸送過(guò)程冷量減小損失10% ~15%。
末端設(shè)備主要有風(fēng)機(jī)盤(pán)管、全空氣空調(diào)風(fēng)柜、全熱新風(fēng)機(jī)等,是載冷劑轉(zhuǎn)換能量的主設(shè)備,是室內(nèi)溫度、相對(duì)濕度、噪聲、風(fēng)速、氣流組織及新風(fēng)量的影響因素,也是影響能耗大小的直接因素。
(1)整體與局部區(qū)域的機(jī)型選擇,關(guān)系運(yùn)行區(qū)間設(shè)備工作時(shí)間的長(zhǎng)短,對(duì)于建筑空調(diào)使用面積較大、功能用途相同且集中溫控場(chǎng)所,應(yīng)選擇全空氣空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)控制模式;對(duì)需要控制不同房間不同溫度的,應(yīng)采用變風(fēng)量系統(tǒng)控制,如風(fēng)機(jī)盤(pán)管。
(2)新風(fēng)系統(tǒng)在空調(diào)使用過(guò)渡季節(jié),采用室外自然冷源輸送入室內(nèi),滿足新風(fēng)量及冷量的需要;夏季采用空氣全熱交換機(jī)組,通過(guò)帶低溫冷源的排風(fēng)與室外輸送入室內(nèi)的高溫新風(fēng)進(jìn)行熱交換,降低室外送入新風(fēng)溫度,充分利用排風(fēng)交換的能量,大大降低空調(diào)能耗。
(3)結(jié)合建筑主體結(jié)構(gòu)及室內(nèi)環(huán)境,改善建筑構(gòu)造保溫性能,減小冷熱損失。如建筑外結(jié)構(gòu)采用保溫性能差的玻璃幕墻將直接影響設(shè)備配置及能源消耗。
(4)室內(nèi)管道采用節(jié)能產(chǎn)品及材料,提高絕熱性,選擇末端設(shè)備具有控流量、風(fēng)量、溫度功能的產(chǎn)品。
設(shè)計(jì)階段結(jié)合建筑設(shè)計(jì)模型(BIM)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化圖紙?jiān)O(shè)計(jì),通過(guò)對(duì)建筑數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行整體分析,更精準(zhǔn)計(jì)算暖通空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷參數(shù),準(zhǔn)確配置區(qū)間設(shè)備功率大小,減小設(shè)計(jì)誤差。特別在大、中型的暖通空調(diào)系統(tǒng),在已有的設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上,進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng),計(jì)算管網(wǎng)水力損失、冷熱負(fù)荷,為方案決策提供科學(xué)依據(jù),精準(zhǔn)選擇制冷機(jī)組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔型號(hào)及組合數(shù)量,降低投資及系統(tǒng)運(yùn)行能耗。建造設(shè)計(jì)中應(yīng)用BIM 技術(shù)匯集各專業(yè)數(shù)據(jù),搭建數(shù)字模型可以通過(guò)三維技術(shù)和數(shù)字技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和施工信息完整表達(dá)出來(lái),其可視化和模擬性能有效提高方案設(shè)計(jì)質(zhì)量和施工安裝技術(shù)水平。如對(duì)設(shè)備安裝標(biāo)高、管線走向路徑、綜合排布仿真模擬,將二維設(shè)計(jì)圖轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體模型,把實(shí)際問(wèn)題清晰顯示出來(lái)。方案設(shè)計(jì)是否合理或所存在的問(wèn)題,設(shè)計(jì)人員通過(guò)三維圖一目了然,有效防止管線間相互碰撞,合理處置與消防、電氣、給排水等專業(yè)設(shè)施、管道的空間定位或其他問(wèn)題,避免管路水循環(huán)系統(tǒng)不暢通或形成氣囊,保證空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果,同時(shí)節(jié)約能耗。BIM 技術(shù)不但具有視化性、模擬性、優(yōu)化性,同時(shí)也具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一性[4],設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)動(dòng)態(tài)信息或業(yè)主要求隨時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)或設(shè)計(jì)變更,大大提高工作效率。
由于水系統(tǒng)中含有大量的鈣鎂離子,其在溫度及二氧化碳作用下析出晶體,系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行后晶體不斷沉積于換熱器及管道表面,形成的常見(jiàn)水垢,其增加管道阻力及降低冷凝器、蒸發(fā)器熱交換效果,嚴(yán)重制約機(jī)組最佳運(yùn)行狀態(tài),使制冷機(jī)組性能下降,增加了水泵、制冷機(jī)組運(yùn)行功率,增加了能耗。相關(guān)資料表明:當(dāng)冷凝器水垢厚度達(dá)0.5 mm 時(shí),制冷機(jī)組能耗增加約20%,冷凝溫度每上升1 ℃,機(jī)組制冷性能下降2%,管道水垢每增加0.15 mm,水泵能耗增加15%。由此,在做方案設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮上述諸因素,在系統(tǒng)管道增設(shè)降低水垢或去除水垢裝置,如電子除垢儀??茖W(xué)進(jìn)行水質(zhì)處理,減小系統(tǒng)中運(yùn)行的不利因素,有利于提高設(shè)備運(yùn)行效率,延長(zhǎng)壽命,節(jié)省能耗。
空調(diào)室內(nèi)冷凝水有兩個(gè)明顯特點(diǎn):
(1)溫度較低,根據(jù)空氣調(diào)節(jié)原理可知,當(dāng)空氣溫度低于其露點(diǎn)溫度,空氣中的濕空氣就會(huì)形成凝結(jié)水,即產(chǎn)生冷凝水,冷凝水通常較冷凍水回水溫度高5 ~6 ℃。測(cè)試數(shù)據(jù)表明,當(dāng)冷凍水供水溫度為8.0~9.1 ℃,回水溫度13.0 ~14.0 ℃時(shí),室內(nèi)冷凝水排出管口水溫為18.2 ~19.5 ℃,夏季室外溫度33.5 ℃以上,冷凝水是一個(gè)很好的冷源。
(2)冷凝水產(chǎn)量不但與空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間有關(guān),還與空氣的溫度、濕度、表冷器蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)面積、風(fēng)量、冷量有很大的關(guān)系。
經(jīng)計(jì)算與測(cè)試表明風(fēng)機(jī)盤(pán)管及制冷風(fēng)柜,冷負(fù)荷當(dāng)量產(chǎn)冷凝水約0.5 ~0.6 kg/kW·h,新風(fēng)機(jī)組冷負(fù)荷當(dāng)量產(chǎn)冷凝水0.6 ~0.7 kg/kW·h[5]。若設(shè)計(jì)系統(tǒng)冷源制冷量3500 kW,室內(nèi)配置冷負(fù)荷總冷量4200 kW,系統(tǒng)每天運(yùn)行時(shí)間15 h,室內(nèi)負(fù)荷利用率按75 %計(jì)算,則收集冷凝水4200 kW × 0.6 kg/kW·h × 15 h ×75% = 23625 kg,相當(dāng)23.6 m3/天;系統(tǒng)冷源制冷量3500 kW 對(duì)應(yīng)配置冷卻塔循環(huán)水流量為3 500 kW ×0.215 m3/ kW·h = 752 .5 m3/h(標(biāo)準(zhǔn)工況下每kW 冷量配比水流量按0.172 m3/h,冷卻水流量取冷凍水的1.25 倍,即0.172 m3/h × 1.25 = 0.215 m3/h),冷卻塔水損失量一般在0.8% ~1.5%,取1. 5%則補(bǔ)水量為752.5 m3/h × 1.5% = 11.3 m3/h;每天運(yùn)行按15 h 計(jì)算,側(cè)總補(bǔ)水量為11.3 m3/h × 15 h = 169.3 m3,每天節(jié)約率23.6 m3÷ 169.3 m3= 13.9%。節(jié)約用水量轉(zhuǎn)換經(jīng)濟(jì)價(jià)值,每立方水按4.0 元計(jì)算,每個(gè)月相當(dāng)節(jié)約費(fèi)用30 天× 23.6 × m3/天× 4 元/ m3= 2832 元,每年按6 個(gè)月計(jì)算,每年節(jié)省費(fèi)用2832 元/月× 6 月=16992 元。
由此可見(jiàn),對(duì)于冷負(fù)荷較大的大、中型的中央空調(diào)系統(tǒng),夏季制冷運(yùn)行時(shí),末端制冷設(shè)備產(chǎn)生大量的冷凝水,并將其利用于冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水,大大節(jié)約水資源,具有很大的經(jīng)濟(jì)意義。同時(shí),利用冷凝水具有冷源低溫的特點(diǎn),對(duì)降低冷卻水也有很大作用,正常工況下冷卻塔集水盤(pán)出水溫度30.0 ~32.0 ℃,回水溫度35.0 ~37.0 ℃,當(dāng)加入18.2 ~19.5 ℃冷凝水補(bǔ)水時(shí),無(wú)需消耗電功率就可以抵消部分熱量,使冷卻水在冷卻塔原散熱的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步降低溫度,低溫的冷卻水更有利于降低制冷機(jī)組冷凝溫度,提高制冷系數(shù),減小能耗。傳統(tǒng)做法是把冷凝水直接排放,不再利用,其實(shí)這是一種水資源及能源的浪費(fèi)。故此,技術(shù)方案設(shè)計(jì)需考慮冷凝水回收合理利用的積極因素。
采用節(jié)能管理系統(tǒng)(合同能源管理)管理運(yùn)行,集中管理分散控制。該系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)冷熱負(fù)荷變化智能調(diào)節(jié)冷熱源機(jī)組投入運(yùn)的臺(tái)數(shù)或調(diào)節(jié)容量,綜合運(yùn)用恒流量變溫差、變流量變溫差或供水溫度不變提高回水溫度等控制策略及調(diào)節(jié)方式控制冷量。基于暖通空調(diào)系統(tǒng)使用是動(dòng)態(tài)的、受干擾因素多,具有不確定性,外部氣象參數(shù)的變化直接影響系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行相互耦合特性、系統(tǒng)運(yùn)行效率。節(jié)能管理系統(tǒng)運(yùn)行,通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及終端傳感觸角、網(wǎng)絡(luò)全方位對(duì)冷熱源機(jī)組、末端設(shè)備、室內(nèi)參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、收集、反饋、分析處理、存儲(chǔ),適時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)控制,并實(shí)時(shí)提供數(shù)據(jù)給管理者。這種管理方式能讓管理者隨時(shí)撐握系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及能源消耗情況,系統(tǒng)節(jié)省能耗率占整個(gè)系統(tǒng)暖通空調(diào)功率的21%。
暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)貫穿系統(tǒng)運(yùn)行使用的全壽命周期,系統(tǒng)源頭設(shè)計(jì)節(jié)能奠定后期維護(hù)使用節(jié)能的基礎(chǔ)。通過(guò)多維度思考,建立節(jié)能設(shè)計(jì)平臺(tái),應(yīng)用科學(xué)技術(shù),不斷優(yōu)化系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì),綜合各項(xiàng)節(jié)能設(shè)計(jì)措施,提高暖通空調(diào)系統(tǒng)全年運(yùn)行的綜合能效比,實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能,最終達(dá)到預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益。