试析某高校体育馆中央空调新风系统改造应用

史 震，朱晓立，董建波

(国际关系学院 后勤服务中心，北京 100091)

0 引 言

针对当前已建成的公共建筑中所使用的中央空调系统，特别是全空气系统或是新风系统，如何利用已有设备进行改造升级，实现空气净化的功能，进而全面改善公共建筑的室内空气质量是摆在管理部门面前的一大课题。在此，笔者以某高校体育馆中央空调空气净化系统改造工程为例，从可持续、低能耗、低维护的技术角度做一些探讨。

某高校体育馆是进行体育教学的重要场所，该场所的空气质量是广大师生最为关心首要大事，是保障师生教学和身体健康的重要工作内容，同时节能减排也是创建节能型高等院校永恒不变的课题，因此一方面提供优质的空气质量保障正常的教学、另一方面进行节能减排是管理运行部门的首要任务。

1 体育馆中央空调系统的配置以及存在的问题

某高校体育馆建于2001年，总建筑面积：4 563 m2(其中地下面积：1 780 m2)，建筑层数主体部分为一层大空间分为综合馆和网球馆，辅助配楼为五层用于教学科研用房。

(1)地上大空间综合训练馆、网球馆空调设计为全空气系统，现状空调机组2台，单台风量40 000 m3/h)。空调机组规格型号FY-40-UGBR。

(2)地下室综合训练馆为风机盘管加新风系统，现状新风机组1台，风量10 000 m3/h。空调机组规格型号FY-10-JGSR。

经调查，地上大空间的两个场馆夏季采用中央空调全空气系统时，制冷效果虽能够满足要求，但空气质量无法满足师生教学的需求，空气质量下降。

(3)原有空调机组和新风机组为定频系统，不能实现风量的调节控制，耗电量较大。

(4)原有水系统上，无法根据室内温湿度变化，调节水流量，能耗大。

(5)原有风道系统上没有比例调节阀，无法根据室外室内空气变化特点，调节新风和回风的混合比例。

(6)春秋冬三季无法使用空调系统和新风系统。

2 确定改造原则

管理部门与设计部门经过研究，确定了空调新风系统改造原则：

即以保障体育馆中央空调制冷需求为基本前提，以提升空气净化质量需求和舒适满意度为主要目的，综合考虑节能环保的整体改造，确保空调系统的制冷均衡，在满足北京市空气净化标准的前提下，立足长远，达到社会效益与经济效益的统一。

(1)更换位于屋顶的使用了十七年之久的两台401 kW的风冷式制冷机组(冷媒为R22)，采用环保冷媒R134A的两台438 kW变频风冷式制冷机组，确保制冷系统的冷源供应，考虑最佳、合理的能源使用。

(2)将位于地下空调机房的空调机组和新风机组进行变频调速改造，实现自动化控制。并在减少风量损耗的前提下对机组前端加装前置净化装置(分初效、中效、高效三级净化)，实现空气净化的目标。根据上述使用功能、使用时间等因素对于系统能耗的影响，达到整体系统综合节能及降低能耗的效果。

(3)针对地下室的四个独立训练场地各加装吊顶式全热回收式新风机(空气热交换、非电加热)，补充室外新风。

(4)在水系统上增加调节阀，根据室内温湿度变化，调节水流量。

(5)在风道系统上增加比例调节阀，根据室外室内空气变化特点，调节新风和回风的混合比例。

3 实现体育馆空调、新风净化设备技术成果

3.1 初效、中效、高效组合式的空气净化

一层综合训练馆、网球馆空调设计为全空气系统，组合式空调机组2台，单台风量40 000 m3/h，最小回风量为32 000 m3/h，最大新风量为8 000 m3/h。

3.1.1 初效过滤

为了节省空间，在新风竖井入口处前置安装采用粗滤网与电子除尘一体化结构的模块设备，单台洁净空气量>3 400 m3/h，PM2.5净化效率>95%，风压30 Pa，臭氧浓度0.003 mg/m3，共计八台。

可过滤小至0.001微米的颗粒物、气溶胶和细菌病毒等空气污染物，高效除尘杀毒。可以通过清洗的方式消除聚集的灰尘，风吹干之后又恢复高效净化性能。通过清洗实现重复使用。

该设备单元模块利用静电除尘技术，每个模块可独立外接220V电源并联运行，配备供电电源开关和限位安全开关双重保护，以确保在检修时及时切断电源、保证检修人员的人身安全。

3.1.2 中效过滤

中效过滤网，采用摩擦电纳米空气净化技术: 采用多壳层复合纳米颗粒(MSCD)，利用摩擦发电原理， 使纳米材料之间形成高强度的摩擦静电场， 当空气中颗粒物经过摩擦静电场时被吸附来净化空气。高效去除PM2.5，高效物理性灭杀细菌病毒等微生物; 针对40 000 m3/h的组合式空调机组单台机组安装15个。 针对10 000 m3/h的新风机组安装5个。

3.1.3 高效过滤器。

(1)与前置嵌入式的中效过滤网组合使用，实现高效的空气过滤，过滤效果达到不低于H10的净化效果。

(2)针对40 000 m3/h的组合式空调机组，在混合段道安装HMV2424-5V过滤器9个(额定风量4 200 m3/h，初始压降180 pa)，HMV2412-3V过滤器6个(额定风量4 200 m3/h，初始压降180 pa)，单台机组共计15个。

针对10 000 m3/h的新风机组，在原来中效过滤网的位置加上2个HMV2424-5V(额定风4 200 m3/h，初始压降180 pa)和3个HMV1212-2VF25过滤器(额定风量800 m3/h，初始压降180 pa)。

3.1.4 地下室房间全热交换新风

针对地下室部分区域仅为新风，无回风的问题，通风换气不畅，湿度大。在乒乓球、形体训练室、健身房、体能训练室房间各增加一台吊顶式双向全热交换新风净化一体机AH500(空气热交换、非电加热)，高速风量500 m3/h，最大噪声≤60 dB，换热效率≥80%，净化效率≥95%。利用全热交换器将室内排出的污浊空气和室外送入的新鲜空气既通过传热板交换温度，同时又通过板上的微孔交换湿度，从而达到既通风换气又保持室内温、湿度稳定的效果。当全热交换器在夏季制冷期运行时，新风从排风中获得冷量，使温度降低，同时被排风干燥，使新风湿度降低;在冬季运行时，新风从排风中获得热量，使温度升高，同时被排风加湿。初效滤网为前置金属滤网，复合滤芯采用静电除霾杀菌技术，过滤PM2.5与细菌病毒。滤芯可水洗重复使用。

3.2 节能升级

(1)原有空调和新风机组为定频系统，不能实现风量的调节控制，启动方式为星-角启动，耗电量较大。本次对原有的控制系统进行变频节能升级。采用PLC自动控制，实现如下功能：相关控制部件实现3套机组风机的变频调速功能，对机组进行自动化控制。同时实现调节新风和回风的比例，对机组进行自动化控制，共3套变频控制系统。(不增加原有用电负荷，不改变前端配电柜的开关容量)。

(1)组合式空调器、新风机组的风机实现变频控制。

(2)组合式空调器的新风、回风风发的调节实现PID自动控制。

(3)组合式空调器(新风机组)的冷冻水(热水)流量实现PID自动调节。

(4)预留4个AI接点用于后期控制系统升级(如在控制系统中增加CO2、TVOC、PM2.5等传感器)。

(5)具备四种运行模式：全新风模式、内循环模式、新风回风混合模式和热回收模式。

(6)具有Modbus RTU(RS485)远传接口。

3.3 变频器控制要求

其中两套为22 kW，一套为11 kW,进行订制。

由于中央空调系统都是按大负载并增加一定余量设计，而实际上在体育馆全年满负载下运行只有二十余天，几乎绝大部分时间负载都在70%以下运行。中央空调系统中冷冻主机能随末端设备的负荷变化自动调节负载，而作为末端设备的组合式空调机组(新风机组)采用的是工频风机不能自动调节负载，长期在100%负载下运行，造成了能量的极大浪费，也恶化了中央空调的运行环境和运行质量。 随着变频技术的日益成熟，利用变频器、PLC、数模转换模块、温度传感器、温度模块等器件的有机结合，构成温差闭环自动控制系统，自动调节组合式空调器(新风机组)的频率。

采用变频调速技术不仅能使体育馆室温维持在所期望的状态，让人感到舒适满意，可使整个系统工作状态平缓稳定，更重要的是其节能效果高达30%以上，能带来很好的经济效益。

变频器控制柜采用ABB变频器实现风机的软启动和频率自动调节。

原有水系统上，增加比例式调节阀，根据室内温湿度变化，调节水流量，实现节能降耗。

原有风道系统上增加比例调节阀，根据室外室内空气变化特点，调节新风和回风的混合比例。

在风量为40 000 m3/h的两台空调机组的送风前端与回风末端管道中配置二套空气热交换系统(包括排风管道、排风风箱、降噪消音系统)，换热效率不低于40% 。每台机组的排风量为8 000 m3/h，排风机选择直连离心风机，全压350 pa，换热效率50%，为防止热回收系统中的溶液冻结，溶液采用浓度为30%的乙二醇溶液。

冬季，对三台空调新风机组实现防冻结功能，同时不影响新风的进入。

4 空调机组及新风系统改造后的效果

体育馆空调及新风机组系统改造完成后。截至目前，系统已正常使用一年半。通过此次改造，实现了预期的改造目标。据调研，学校师生普遍反映比改造前温度舒适，不定期监测室内空气质量明显提高(净化后的数值区间：PM2.5 3～15 μg/m3, PM10 6～33 μg/m3)。同时每个制冷季节约电能39 600度，可以说，空调及新风机组系统改造达到了空气净化和节能减排提升双实现的目标，取得了较好的效果。

改善空气质量和节能减排关乎民生。随着人民群众对美好生活向往的日益提升以及国家对环境和大气质量的要求愈来愈高，全国高校都在挖掘空气调节系统升级改造的技术潜力。随着科技的发展，新技术、新设备、新方法更会层出不穷，总结某高校体育馆中央空调及新风系统改造的原则、方法和成效，主要目的在于抛砖引玉，以期更好的提升工作效果，满足教学和科研需要。