变新风量空调系统的设计与应用

沈彦骅 李海磊

（上海仁会生物制药股份有限公司，上海 201321）

当今社会科技迅速发展，企业也逐渐意识到，唯有从自身的消耗出发，寻求良好的节能降耗措施，才能创造更好的利益。因此，各式各样的节能方法也在世界各地衍生出来。在厂区，办公楼，商场楼宇日常运行的设施中HVAC系统是耗能最大的系统。在需要大量改造时间和投资成本的条件下，如冷冻水系统变频控制，水蓄冷，冷却水热回收等针对HVAC系统的节能方法都需要进行较大的投资和改造。同时考虑到改造时影响运营和生产时间，及改造项目的投资回收率，已无法满足现在企业节能的迫切需要，那么通过在过渡季变新风量的方法来减少冷热能源消耗，对于企业厂区，特别是办公楼和研发中心来说是迅速且较容易达到节能效果的措施。

1 传统集中式空调系统的缺陷

传统集中式空调系统设计是基于冬、夏两季的典型室外工况和最小新风量的设计。在空调系统验收时，按冬、夏季设计工况进行调试，达到设计要求即可交付使用。因此传统集中式空调系统有以下三大缺陷：

（1）往往在冬夏季使用工况下空调系统控制运行正常，但是在过渡季使用时按工况设计选用的冷热源设备容量较大，小负荷下运行能耗大、控制难[1]。

（2）为了达到现行规范的节能要求，现在建筑的围护结构保温性能较好，故在过渡季节室内的回风温度还是相对较高的。如在维持设计新风比的情况下，为了满足空调系统的送风温度达到人的舒适要求，就必须在适当时段开启冷热源。频繁的使用冷热源就会增加能耗。

（3）按最小新风量设计的空调系统，新风量有限；过渡季时，空调系统不能同时满足内外区的不同温湿度等舒适要求；同时出于美观、安全、节能等多因素考虑，建筑物可开启外窗的面积较小；因此，员工普遍感到闷热、头昏等不适，工作效率下降[1]。

2 变新风量空调系统的设计及控制

变新风量空调系统采用回风CO2传感器反馈实时调节新风量设计来解决传统集中式空调系统新风量有限的缺陷，通过在新、回、排风管路上设置电动风阀，风机频率根据送、排风管内的静压自动调整来实现过渡季节新风最大化的措施。设计变新风量系统的前端冷热源时需考虑大容量和小容量的设备适当搭配，在过渡季节负荷变化较大的情况下减少能耗。如冷水系统可采用离心机和螺杆机搭配使用，且螺杆机设计为双机头（即两个压缩机）制冷剂双回路方式。

由图1变新风量空调系统流程图所示，变新风量系统温湿度控制原理如下：

新风处理机组（以下简称新风机组）功能段组合顺序为：新风、初效过滤段、转轮热交换器（与排风处理机组的排风进行热交换）、表冷器、风机段、均流段、加热段、加湿段、中效过滤段。在新风机组阶段，保证送风露点达到办公区域要求的露点温度值，送风温度只是进行预处理，由空调机组进行送风温度的最终处理（达到21～23℃的送风温度）,再通过房间温度传感器的反馈实时调节变风量阀的送风量，使区域温度达到控制值。由于送风露点温度在新风机组处理阶段已经达到了办公区湿度控制的要求值，房间内无散湿量，所以达到设定的房间温度后，对应的相对湿度也符合需求。

其变新风量控制原理如下：

→排风处理机组变频器变化（图中5）

过渡季节新风最大化的措施如下：

将空调机组新风电动风阀（图中2）和空调机组排风电动风阀（图中4）手动设为100% （可多台空调机组一起设置）→密切观察新风机组的送风静压（图中6）和风机频率（图中3）的变化→如果新风机组风机频率未达到满频，则可手动调节空调机组回风电动风阀变化（图中7）直至风机满频→对空调机组控制办公区域进行巡查，发现房间压差过大及时调整该区域对应空调机组的回风电动风阀（图中7）。

3 变新风量空调系统在不同区域的控制方法

3.1 有压差梯度控制的洁净室或实验区控制方法

压差梯度是由该房间的送风减去回风和排风的余风量值来建立。由于系统总送风是由总新风和总回风组成，新风量变化需防止集中式空调总回风量的变化，避免影响到房间的余风量，造成压差梯度的变化。所以在洁净室或实验区运行时，变新风量系统在冬夏季模式和过渡季模式的两种运行模式有以下控制方法：

图1 变新风量空调系统流程图Fig. 1 Variable fresh air volume air-conditioning system fl ow fi gure

（1）冬夏季模式：变新风量系统在冬夏季模式时，只要根据达到设计新风比风量平衡后的交付使用状态运行。由于通常洁净室或实验区的人员也比较少，所以空调机组回风CO2浓度传感器应保持在很低的浓度（甚至控制区域为洁净室的空调考虑到传感器不易清洁和需要消毒的缘故，可以不安装回风CO2浓度传感器）。

（2）过渡季模式：对于洁净室或实验区来说，在过渡季模式实现新风最大化有三个前提条件：空调机组排风管与空调机组新风管的尺寸要匹配；空调机组送风机风量及风压需要有一定的余量；设计时采用定风量控制的空调自控系统。定风量控制的空调自控系统设计必须包括空调箱新风管与排风管安装联锁控制的电动风阀；采用送风静压与空调箱送风机变频联锁及末端送风口安装定风量阀；增加回风箱采用回风静压与回风箱风机变频联锁及末端回风口安装定风量阀。当在空调自控系统中手动开大新风阀增大空调机组送风的新风比后，与新风阀联锁的排风阀也会自动调整到相应的开度，通过空调箱送风机的频率变化和末端送风定风量阀的自动调节保持送风量几乎不变，通过回风箱风机的频率变化和末端排风定风量阀的自动调节保持区域房间的回风量、空调机组的总回风量几乎不变，不影响原有的压差梯度。鉴于过渡季白天和晚上温差较大，建议晚上恢复到冬夏季模式。

3.2 不需要考虑压差梯度的办公区控制方法

在办公区运行时，变新风量系统在冬夏季模式和过渡季模式的两种运行模式可以参照3中具体描述的变新风量控制方法。变新风量空调系统流程图（图1）中参与控制的传感器和电动风阀必须在空调系统设计时考虑。由于办公区集中式空调系统一般在晚上处于停止状态，所以无需切换回冬夏季模式。

4 过渡季节新风比最大化新风比值的确定及切换条件

4.1 确定最大化新风比值的意义

4.1.1 以室外环境温湿度范围大小来确定适合现场的最大化新风比值。室外环境温湿度范围越大，实际新风比最大化使用时间越长，节能量越多。

4.1.2 最大化新风比值越高，安装施工投资越大，日常运行时排风风机耗能越多。所以在设计中合理地确定最大化新风比值尤为重要。

4.2 如何合理地确定过渡季节新风比最大化的新风比值

4.2.1 在焓湿图上分析过渡季节新风最大化的新风比值

首先根据设计规范在焓湿图上设立两个办公区过渡季节室内状态点（假设办公区的维护结构保温较好），N（25.5℃，45%）为非雨季环境控制点，N’（25.5℃，65%）为雨季环境控制的极限点。

在设计中根据办公区发热量及维护结构负荷推算出送风状态两个点，这两点的温度应在21～23℃之间，露点温度接近室内温度点。如S（22℃，54.6%），S’（22℃，78.1%）

根据10%新风比，30%新风比比较，确立30%新风比下，节能的室外环境温湿度范围，如图2所示红色框内区域为30%新风比比10%新风比节能的室外环境温湿度范围。

根据10%新风比，50%新风比比较，确立50%新风比下，节能的室外环境温湿度范围，如图3所示蓝色框内区域采用50%新风比比10%新风比节能的室外环境温湿度范围。另图3中红色的阴影区域为30%新风比值比50%新风比值适用室外环境温湿度范围多出的部分。由此可见，新风比值30%比新风比值50%应用的室外环境温度范围更大。

4.2.2 室外环境温度范围与实际新风比最大化使用时间的比较

将BMS中2013年3月～2014年3月室外环境趋势图截取（见图4）。比较后发现，图4中红色区域的温度和露点温度范围与图2所示红色框内区域的室外环境温湿度范围相符合，故过渡季节采取新风比30%措施是可行的，且节能时间段可达到半年。

4.3 如何在楼宇控制系统（以下简称BMS）中实现冬夏季模式和过渡季节新风比最大化模式之间的自动切换

4.3.1 室外环境温湿度监测点的选取原则

由于较快的风速会对测温湿度进行干扰，宜选取新风预处理的新风机进风初效过滤段设置温湿度传感器。

4.3.2 冬夏季模式和过渡季节新风比最大化模式的自动切换

图2 过渡季节新风比最大化30%与10%比较分析图Fig. 2 The fresh air ratio 30% and 10% of fresh air maximization in transition season comparative analysis fi gure

图3 过渡季节新风比最大化50%，30%与10%比较分析图Fig. 3 The fresh air ratio 50%, 30% and 10% of fresh air maximization in transition season comparative analysis fi gure

在BMS系统中增加冬夏季模式和过渡季节新风比最大化模式的自动切换程序，设置自动切换条件。以30%新风比为例，当白天8:30～17:30时间段室外环境温湿度监测点同时达到温度在13～24℃，露点温度在0～20℃的两个条件后，即可开启新风比最大化模式。相应地当室外环境温湿度监测点同时达到温度在22℃以上，相对湿度在90%以上的两个条件后，则切换为冬夏季模式。并设置24℃为极限温度（节能量很低，可能还耗能），一旦达到温度超过24℃的单一条件也必须切换为冬夏季模式。由于考虑到避免压差和冷热源负荷的频繁变化，在BMS程序中设置两种模式之间每天只能切换一次。

5 工程实例分析

5.1 工程概况

上海某办公楼为3层，总面积为20 000 m2。空调系统设计为集中式中央空调，空调开启时间为8:30～18:30。夏季冷媒采用7℃冷媒水工况，加热采用55℃热水工况，加湿采用蒸汽降压0.1MPa进行处理，冷媒水、热水和蒸汽由公用工程集中处理供应。

图4 2013年3月～2014年3月室外环境趋势图Fig. 4 outdoor climates trend fi gure from Mar. 2013 to Mar.2014

5.2 工程特点

办公区温度控制要求18 ～ 26℃，相对湿度控制要求40% ～ 70%。

5.3 空调系统主要指标

空调系统采用新风预处理，空调系统设计总送风量为290 000 m3/h，日常运行时新风比10%。

5.4 温湿度控制方式

在新风预处理阶段，保证送风露点达到办公区域要求的露点温度值，送风温度只是进行预处理，由空调机组进行送风温度的最终处理，达到22℃的送风温度。再通过房间温度传感器的反馈实时调节变新风量阀的送风量，使区域温度达到温度需求值。

5.5 新风比控制方式

5.5.1 冬夏季模式：回风CO2浓度传感器自动调节新风比。

5.5.2 过渡季节模式：新风比手动设置为30%。运行时间段为2013年3月1日～5月31日，2013年9月15日～12月15日。

5.6 历年运行数据比较

新风量最大化措施是依靠冷热源系统及其辅助设备与历年运行的节省电能来进行节能，故主要节能量会体现在公用系统动力中心的用电量上。

2012年3月1日～5月31日，2012年9月15日～ 12月15日冷热源系统及其辅助设备在8:30～18:30时间段的运行数据为：56天螺杆式冷冻机开启，加载率低于70%；20天螺杆式冷冻机开启，加载率高于70%；38天离心式冷冻机开启，加载率低于50%；50天离心式冷冻机开启，加载率低于70%；20天离心式冷冻机开启，加载率高于70%。

2013年同期冷热源系统及其辅助设备在8:30～18:30时间段的运行数据为：75天螺杆式冷冻机开启，加载率低于50%；48天螺杆式冷冻机开启，加载率低于70%；18天螺杆式冷冻机90%以上加载；21天离心式冷冻机开启，加载率低于50%；16天离心式冷冻机开启，加载率低于70%；6天离心式冷冻机开启，加载率高于70%。

根据公用系统动力中心电表历年数据比较，2013年采用变新风量系统措施后年总节能费用约17万元，且办公楼员工对空调系统的满意度提高。

6 变新风量系统设计施工时需要考虑的问题

6.1 设计时考虑的问题

（1）要采用变新风量空调系统时，建议设计新风集中预处理，不设计每台AHU 单独新风处理。

（2）设计新风预处理系统时，可以适当增大风机电机选型以达到30%～40%的新风量（最大频率时达到）。且新风总管和通往各空调箱的新风管都必须根据最大化新风量设计尺寸，以满足新风比最大化要求。

（3）需考虑新风总管的尺寸和空调机房新风进风百叶窗的进风量，避免由于负压产生空调机房噪音。

（4）需考虑设计如何在新风比增大的情况下保证雾霾天气不影响空调出风口空气质量。在雾霾天气尽量不要采用新风最大化模式，防止过滤器的快速堵塞。

6.2 实施时考虑的问题

（1）通过巡检记录每月平均送风温度，平均回风温度值及冷热源开启情况的数据。根据数据在焓湿图上分析过渡季节新风最大化的新风比值。

（2）可考虑与排风余热回收节能措施同时使用，节能效果更好。

（3）在雾霾天气尽量不要采用新风比最大化模式，避免过滤器的快速堵塞。

7 结论

传统集中式空调系统由于基于冬、夏两季的典型工况和最小新风量的设计，而现在楼层的围护结构保温较好，导致在过渡季节空调系统仍在大量使用冷热水，大量冷热水的使用导致冷热源及辅助设备增加能耗及无法进行停机大修。本方案采用变新风量空调系统，冬夏季时依靠回风CO2浓度传感器自动调节新风比以满足人员舒适度要求，过渡季采用新风最大化措施，可减少或者甚至不使用冷热源，最终达到节能的效果。

[1] 杨纯华，邱相武.全年运行空调系统变新风控制策略的探讨[M].