许穗民

广东省建筑设计研究院有限公司

0 引言

我国经济及科学技术快速发展，并随着市场监督管理制度的完善，企业对产品质量控制严格，配套建设实验室的需求激增。实验室通风空调系统是专业性较强的工艺设计，伴着对实验室舒适性要求提高，实验室通风空调能耗也显著提升，节能应用空间较大。

以广东某药检所项目为例，该项目通风空调系统由办公室及实验室舒适性空调系统、实验室新排风系统、洁净空调系统三部分组成。其中实验室新风空调系统夏季冷负荷4604 kW，占大楼总冷负荷8556 kW的54%，因此，根据实验室通风空调系统的特点，采取相应节能措施，可有效减少新风负荷，达到节能目的。

1 项目概况

大楼建筑总面积为31783 m2，地下2 层，地上11层，总建筑高度63.6m。地下1、2 层为车库及设备房，地上11 层为各功能实验室、办公室、洁净室等。

1～11 层办公室及实验室设置空调供冷/ 供暖系统，总冷负荷为7187 kW，总热负荷为3225 kW，冷热源采用螺杆蒸发式冷凝冷热水机组（冷冻水温采用7/12 ℃），共设两个独立的集中空调水系统：系统1 负担大楼（除实验室新风外）负荷，系统2 负担实验室新风负荷。

9～11 层洁净室单独设置一套集中空调系统，总冷负荷为1387 kW，总热负荷为1352 kW，冷热源采用风冷螺杆式冷热水机组（冷冻水温采用7/12 ℃）。

大楼实验室共划分为33 套变风量排风系统且配套净化装置做废气处理（末端为通风柜、万向罩）；按7个区域划分设置14 套变风量新风空调系统，每个区域各设1 套高温新风（送风温度26 ℃）系统及1 套低温新风（送风温度18.5 ℃）系统。

2 主要应用技术与节能分析

2.1 实验室夏季分设高低温新风系统

大楼空调负荷（除洁净室空调外）主要由以下几部分组成：围护结构负荷，人员负荷，照明负荷，设备负荷及新风负荷等[1]。

其中办公室新风量取保证人员最小需求的新风量，而实验室新风量则根据运行模式可分为：房间人员最小新风量，实验室6 次/h 的最低通风换气要求，通风柜开启时的补风量。

实验室围护结构负荷、人员负荷、照明负荷、设备负荷等合计2565 kW，占大楼空调负荷7187 kW（除洁净室空调系统外）的36%，节能潜力较低。实验室夏季新风冷负荷4604 kW 占大楼空调负荷（除洁净室空调系统外）7187 kW 的比例高达64%，是该大楼常规人员新风负荷558 kW 的8.3 倍，可见实验室新风负荷的节能潜力较大，把节能技术的研究重点落在实验室新风空调系统，具有较高的应用价值。

根据以上的负荷特性及实验设备运行规律，本项目实验室新风空调系统设计为：夏季采用高、低温两套新风系统同时供给（图1）。低温新风系统（送风温度18.5 ℃）满足空调房间人员最小新风量、同时保证实验室最低通风换气次数。高温新风系统（送风温度26 ℃）则满足通风柜开启时的补风要求，同时保证房间压差。低温新风系统总新风量为195000 m3/h，高温新风系统总新风量为250000 m3/h。

图1 新/排风系统示意图

实验室低温新风系统处理到室内等湿度线上（机器露点取95%），室内冷负荷及最小换气要求（卫生、人员新风量）的新风冷负荷由风机盘管及低温新风系统共同承担，室内湿负荷均由风机盘管系统承担。

通风柜及万向罩等实验设备工作时，开启高温新风系统，高温新风处理到室内等湿度线上（机器露点取95%），再经显热回收机组处理至室内设计温度26 ℃送风。该部分新风冷负荷及湿负荷均由新风换热组合机组承担。

2.2 实验室夏季高温新风系统采用新风机组与换热机组联合运行的热交换技术

实验室夏季高温（送风温度26 ℃）新风空调系统采用新风机组与换热机组联合运行模式（新风换热组合机组）：室外引入的新风经过换热机组预冷却，然后由新风机组冷却除湿处理，新风机组出口的低温新风（t=18.5 ℃，φ=95%）再进入换热机组，把部分冷量传递给室外引入的新风，提高送风温度（26 ℃）再送入室内，确保实验设备运行的新风量要求，同时也保证了室内环境的舒适度与温度稳定性。

利用新风自身热量的交换，使通过换热机组预冷处理的新风冷负荷减少，降低制冷系统能耗。换热机组的另一侧，则是让送入室内的新风得到室外引入新风的“自身”再热处理，可以节省其他再热能源，避免能源浪费。

冬季工况则通过阀门切换关断换热模块，减少阻力损失，新风经过新风空调机组处理后直接送入室内。

2.2.1 夏季新风系统处理流程图及i-d 图

图2 为高温新风（26 ℃）系统处理流程图，图3、4为常规新风（18.5 ℃露点送风）与高温新风（26 ℃）处理过程i-d 图。

图2 高温新风（26 ℃）系统处理流程图

图3 常规新风（18.5 ℃露点送风）处理过程i-d 图

图4 高温新风（26 ℃）处理过程i-d 图

2.2.2 公式及状态点

1）计算公式：新风与回风量相同时，显热交换的效率：

本案例计算中，显热交换效率取值ηt=60%[2]。

2）处理过程空气状态点

室外空气计算参数：tg=34.2 ℃，ts=27.8 ℃；室内空气设计参数：tg=26 ℃，φ=60%。

表1 为常规新风（18.5 ℃露点送风）处理过程空气状态点。

表1 常规新风（18.5 ℃露点送风）处理过程空气状态点

由显热交换效率公式，预冷后的新风最低为t=tw-(tw-tl)×60%=34.2-(34.2-18.5)×0.6=24.78 ℃，低于室外新风的露点温度，为冷却除湿处理过程（已考虑冷凝排水）；送风状态最大可处理至to=t1+(tw-tl)×60%=18.5+(34.2-18.5)×0.6=27.9 ℃，而实际需求为再热至26 ℃，通过电动风阀开度调节高低温新风的混风比，可达到26 ℃送风状态，根据能量守恒定律，G×(hN-hL)=G×(hw-hw’)，得到表2 各空气状态点。

表2 高温新风（26 ℃）处理过程空气状态点

2.2.3 节能分析

高温（送风温度26 ℃）新风系统总风量为L1=250000 m3/h，占实验室总新风量的56.2%；低温（送风温度18.5 ℃）新风系统总风量为L2=195000 m3/h，占实验室总新风量的43.8%。

1）高温新风系统总质量流量：

低温新风系统总质量流量：

低温新风系统采用冷却除湿处理后送风，所需总制冷量为:

按本项目蒸发冷凝冷水机组COP=4.2，折合为所需制冷功率：

低温新风系统的风系统能耗（全压800 Pa，余压500 Pa，风机全压效率按70%，机械效率按100%）：

2）假设高温系统采用常规的处理方式：冷却除湿+再热至26 ℃送风，则高温新风系统所需的总制冷量具体为：

按本项目蒸发冷凝冷水机组COP=4.2，折合为所需制冷功率：

高温新风系统所需总再热量为：

假设再热处理的热源采用风冷热泵机组，COPh=3.5，折合为所需制热功率：

高温新风的风系统能耗（全压800 Pa，余压500 Pa，风机全压效率按70%，机械效率按100%）：

3）高温新风系统采用新风机组与换热机组联合运行的热交换技术，则高温新风系统所需总制冷量为

按本项目蒸发冷凝冷水机组COP=4.2，折合为所需制冷功率:

高温新风系统由新风自身提供再热量，无需其他再热热源。

高温新风的风系统能耗（由于增设换热模块，查询厂商提供的数据，增加的压力损失按150 Pa×2 考虑，即全压'=800+150×2 Pa，余压500 Pa，风机全压效率按70%，机械效率按100%）：

由以上计算可得，高温新风系统采用新风机组与换热机组联合运行的热交换技术与采用常规的冷却除湿+再热处理方式对比：

可节约总制冷量650 kW，占常规处理高温新风系统所需总制冷量3235 kW 的20%。

可节约制热量650 kW，占常规处理高温新风系统所需制热量390 kW 的100%。

可节约耗电功率：N=(770+185.7+79.365)-(616+109.127)=309.938 kW，占常规处理高温新风系统耗电功率（770+185.7+79.365=1035.065 kW）的30%，占实验室总新风系统耗电功率（1035.065+601+61.905=1698 kW）的18.3%。即采用新风机组与换热机组联合运行模式的高温新风系统节能率为30%，实验室新风空调系统节能率为18.3%。

2.3 采用先进的实验室变风量通风控制技术

实验室排风系统风机采用管道静压变频控制，控制器将持续监测管道静压，通过调整风机转速来恒定静压。通风柜的面风速控制系统根据设置值持续地监测实际面风速，并通过风阀开度调整风量以恒定面风速设定值，整体为闭路控制。

面风速控制值根据占用情况自动调整，系统通过红外线检测器实现当通风柜前有操作人员工作时面风速控制在某一设定值，当通风柜前无人操作时，系统自动转换至低速设定档以节省运行费用。出现异常情况时，紧急键将驱动风阀开度最大，该模式下启用最大排风量，不受面风速值的控制。

实验室新风系统根据房间使用特点分别采用直接压差控制及流量差控制两种变风量控制方式。

2.3.1 房间流量差控制系统

运行原理：持续地监测实验室的排风风量与送新风风量的流量差，调整新风送风量，确保风量差控制在设定的范围下运行。

使用范围：适用于实验室使用规范较差或泄露率较高很难维持房间的压差，本项目应用于通风柜为文丘里阀的实验室及部分大套间开放实验室。

2.3.2 房间压差控制系统

运行原理：持续地监测实验室与走廊的压差，调整新风的风量，确保实验室在设定的压差范围下运行。

使用范围：适用于对压差要求较高，排风腐蚀较大及管道较复杂，对实验室使用要求规范的房间，本项目应用于实验室门需关闭的房间等其他非流量差控制系统实验室。

3 结语

实验室夏季采用高、低温两套新风系统同时供给的方式，与实验室运行规律相匹配，在满足卫生及舒适的前提下，实现按需供冷，可最大限度节约实验室通风空调系统能耗。夏季高温新风空调系统采用新风空调机组与换热机组联合运行模式，通过新风自身热量的交换，免去再热能耗，并给新风预冷却，节约空调系统运行能耗。应用该节能技术，高温新风系统节能率为30%。实验室新风空调系统节能率为18.3%，该值跟高温新风量的比例有关，高温新风量设计越大，节能优势越突出。采用先进的实验室变风量通风控制技术，根据实验室实际运行情况调节新/排风量，具有高品质的控制性能和可靠的安全性，也是节能应用必要手段。