新建电学计量检测实验室中的节能应用

/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

近年来，节约能源、保护环境得到世界各国的关注，节能降耗已经成为了全世界的共识。与此同时，“绿色建筑”已经成为土木工程领域的前沿研究方向。为了提高计量检测实验室的节能性能和长期健康监测所需的感知性能，提出了通过“绿色实验室系统”建造来实现节能降耗的目标。目前节能实验室的关注焦点主要在于室内热环境方面，也就是所谓的“绿色节能建筑”建造工艺的研究探讨阶段。

在电学计量检测实验室的建设中，积极响应上海市十二五规划节能降耗工作要求，依托新技术、新材料、新管理，实现节能降耗目标，打造绿色节能实验室系统。

1 实验室外部结构节能[1][2]

外部结构建设直接影响实验室恒温恒湿效果，保证外部结构保温效果，是实现实验室节能降耗目标的重要手段之一。

1.1 墙体保温

所谓外墙外保温，是指在用砖石、混凝土或新型砌块材料建造在外墙外表面上的保温层。这种外保温，可用于新建墙体，也可以用于既有建筑外墙的改造。该保温层对外墙的保温效能增加明显，其热阻值超过 1 m2·K/W。

1.2 屋面保温

屋面保温采用聚苯颗粒保温浆料屋面保温技术，适用于严寒和寒冷地区、夏热冬冷地区，其特性如表1所示。

1.3 门窗保温

门窗保温采用三密封平开节能保温窗，保温性能达到8级，特别适用于炎热、严寒地区的建筑物。

表1 聚苯颗粒保温材料性能分析表

特点：框、扇、梃等主型材为四腔室、三密封结构，可显著提高保温性能和隔声性能。另外，由于门窗各部分的热损失中玻璃所占比例最高，因此三密封平开窗在使用三层玻璃后，保温性能显著提高。既可节约能源，又可防止门窗结雾、结霜现象。物理性能：三密封平开窗（尺寸1 500 mm×1 500 mm，双扇平开，中空玻璃 5 mm ＋ 12 mm ＋5 mm）的保温性能达到 8 级 [K= 2.1 W/(m2·K)]，隔声性能达到 4 级（RW= 36 dB），抗风性能达到 6 级（p3= 3 500 kPa，-p3= 4 800 kPa），水密性能达到 5级（Δp= 667 kPa），气密性能（正负风压）达到 5 级。

节能建筑主要通过外墙、屋面、门窗等方面提高围护结构的热阻值和密闭性，达到节约建筑物使用能耗的目的，从而降低实验室空调系统的用电能耗。

2 内部结构节能

实验室内部门窗框和玻璃扇的传热系数及密闭性是内部节能的关键环节之一。为保证门窗能达到预期的节能要求，安装过程中需特别注意以下几个问题：

（1）选择门窗时，复查其抗风压性、空气渗透性、雨水渗漏性等性能指标。

（2）安装门窗框时要反复检查框角的垂直度。变形严重、缝隙超标、密封条不密闭的门窗扇不能安装。

（3）在框与扇、扇与扇之间须设密封条，以防渗水、透气，局部缝隙较大的位置用单组份密封膏挤注。

（4）粘贴密封条或挤注密封膏时，事先将接缝处清理干净干燥，无灰尘和污物。

（5）实验室安装钢制气密门，采用机械闭门器，保持实验室门常闭状态，以控制实验室内部温湿度要求。

3 实验室环境控制系统

电学计量检测实验室对恒温恒湿准确度要求较高，一般温度要求（23±2）℃和湿度要求（50±10）%RH，特殊实验室温度准确度要求达到±0.25 ℃，因此实验室环境控制系统设计尤为重要。

3.1 温湿度独立控制中央空调系统（一级控温）

温湿度独立控制空调系统在国外称为独立新风系统，简称DOAS系统。

主要特征：只要将新风独立处理到较低的温度（7 ℃左右），让新风承担室内全部的湿负荷和部分或全部的显热负荷，其余的负荷由室内的干工况设备来承担。因此室内无凝结水出现，无需凝结水盘和凝结水管路，除去了霉菌等细菌滋生环境，改善室内空气品质。

独立新风系统与常规全空调系统相比具有的优点：空气品质好（无回风污染）、安全、风道断面尺寸小、节约实验室空间、空调房间无凝结水等。

1）温湿度独立控制空调系统的控制方案

温湿度独立控制空调系统的控制系统较之常规空调系统更为简单，是通过调节送风的含湿量和风量来控制实验室内的温度。通过调节室内末端（土干式风机盘管）的制冷量（如调节风机盘管的风量）和冷机的出水温度来控制实验室内的温度，从而实现准确的室内热环境控制和调节。

2）温湿度独立控制空调系统的能效分析

（1）避免冷源浪费和能质的不匹配：温湿度独立控制空调，由于除湿任务由除湿系统承担，显温系统的冷水温度可由常规冷凝除湿空调系统中的7 ℃提高到18 ℃左右，为天然冷源的使用提供了条件。即使采用人工制冷，由于制冷温度的提高，也将带来制冷机组的性能系数的大幅度提高，减少了冷源浪费和能质的不匹配。

（2）降低空气处理过程的能耗：温湿度独立控制空调系统的除湿与降温处理过程相互独立，可以满足不同实验室热湿比不断变化的要求，克服了常规空调系统中难以同时满足温、湿度参数的要求，避免了实验室内温度过高（或过低）的现象。由于室内相对湿度可以一直维持在60%以下，较高的室温就可以达到舒适要求。

（3）改善实验室内空气品质：温湿度独立控制空调系统使用性能很好地吸附物质对空气进行除湿处理，这些吸附物质在吸湿的同时，对空气中的微小尘粒，附着在尘粒上的微生物、细菌、病毒等具有很好的捕集作用；除湿过程中空气的高温、低温工况，对一些细菌和病毒也有很好的抑制作用。

（4）改善室内末端送风的气流组织：室温度独立控制空调系统的末端设备由于不存在凝水问题，可采用灵活、多样的结构和安装方式，降低吊顶空间，设备费和安装费大幅度降低，也可降低吹风感。

（5）降低输配能耗：温湿度独立控制空调系统的回风可以通过末端装置就地处理，无需送回空调机房，这就大大降低了输配耗能。

（6）解决热电联供和分布式能源系统的能量平衡问题：温湿度独立控制空调系统可方便实现蓄冷，系统中设置储存溶液的容器，负荷小的时候储存溶液，负荷大的时候用来除湿，从而减小了系统的容量和相应的投资；其单位体积蓄冷能力是冰蓄冷的2～5倍，而且系统结构简单，无需其他保温措施。

3.2 恒温恒湿精密空调系统（二级控温）

基于中央空调的温度控制的前提下，通过技术方案设计，采取加强的精密空调机房保温条件、温湿度调节送回风管道的设计及保温处理、加强电磁屏蔽室的隔热保温和增加超高精度温湿度控制的微调手段等措施，实现内部的节能保温，将系统设计要求的二级控温准确度指标由±0.5 ℃提高到±0.25 ℃，达到工作环境温湿度指标的要求。

例如：钟房实验室温控系统

中央空调系统（一级控温）：（23±2）℃，精密恒温恒湿空调系统（二级温控）（23±0.25）℃，具体实验室分项明细见表2。

3.3 照明系统节能

1）灯管的发光效率

室验室对灯管要求较高，主要指标有灯具的整体光效，地面照度要达到国家要求，无眩光无频闪，显色指数Ra需达到80以上甚至更高。

普通日光灯的发光效率大概是53 lm/W左右，LED日光灯（扩散罩）大概是80 lm/W左右，用透明罩的可高达97 lm/W，而且LED白光芯片发光效率仍在改善中，实验级芯片已高达150 lm/W以上，其理论最高值可达450 lm/W。 再之，传统日光灯是全方位（360°）发光，有一大部分浪费在背面，实际用于照明的总光量只有60%～65%；一般LED日光灯的发光角在120°～180°，基本上都是有效光。

表2 钟房实验室分项明细表

按此方法计算：

一个40 W（外加8 W镇流器）的传统灯的发光量为：53 lm/W×40 W×65%（有效发光）=1 378 lm。

一个 18 W的 LED灯的发光量为：80 lm/W×19 W（实耗）×100%（有效发光）=1 520 lm。

综上所述，18 W的LED日光灯管的光效全面超过了40 W传统灯管（实耗48 W），从照明上已经可以胜任。

2）节能情况

见表3。

表3 节能情况比较

以商业用电1 kWh电费1元、24 h开灯来计算，LED日光管一年可比普通日光管省256元，比白炽灯省1594元。

4 结语

通过外部结构节能、实验室环境控制系统、内部结构节能等措施在满足电学计量检测实验室的建设要求的基础上，也实现了节能降耗的目标。加大科技创新力度，拓宽节能降耗思路，推广应用成熟的新技术、新设备、新材料，能促进节能技术水平的不断提高。加强节能降耗的宣传力度和日常管理工作才是治本之举，大力开展多种形式的宣传教育，树立节能意识，普及节能知识，提高全员对节能紧迫性重要性的认识，坚持“从我做起、从现在做起、从点滴做起”，增强全民族全社会的低碳环保意识，树立节约资源的观念，共同建设资源节约型社会。