杭州國家版本館恒溫恒濕空調系統設計

余紅英 金 濤 張 浩

(浙江省建筑設計研究院,杭州)

0 引言

高價值藏品應保存在恒溫恒濕庫房內,其溫度和相對濕度應保持相對穩定,一般溫度日較差應控制在2 ℃以內,相對濕度日較差應控制在5%以內,具體控制精度應根據藏品材質、類別確定[1-2]。由于溫濕度波動要求嚴格,恒溫恒濕庫房空調系統設計較常規空調系統存在較大的不同,如采用全年供冷供熱的四管制水系統、冷卻除濕后再熱、溫濕度獨立控制、小溫差大風量送風等。對于類似恒溫恒濕庫房的空調系統設計,國內已有不少文章和設計實例介紹[3-6]。從空調冷熱源選擇來看,一種是采用直膨式恒溫恒濕專用機組,通常每個空間對應1套空調室內外機組,室外設備較多,布置困難,適用于規模較小、溫濕度控制精度不高的場合;另一種是設置集中式冷熱源,采用組合式空氣處理機組配套相應的自動控制系統,適用于規模較大、溫濕度精度要求較高的場合。對于集中式系統,按空氣處理方式分類,一是冷卻除濕后再熱的方式,優點是溫濕度控制精度高,缺點是存在冷熱抵消;另一種是溫濕度獨立控制的方式,獨立新風系統承擔全部濕負荷,一般需要較低的冷水溫度;也有采用轉輪除濕、溶液除濕等,其中轉輪除濕的設備尺寸較大、再生能耗高,溶液除濕在高精度恒溫恒濕系統中應用還不常見。

筆者在杭州國家版本館一期建設工程的恒溫恒濕庫房設計中,對多工況轉換、濕度控制、平戰結合及系統節能等方面進行了嘗試。

1 工程概況

該工程為杭州國家版本館一期建設工程(見圖1),是“中華版本傳世工程”的四大國家版本館之一。該館包含了主館區(1～5區)及山體庫房2個子項,總建筑面積103 346 m2。主館區地下2層,地上4層;山體庫房設置在館區東側的山體內,單體建筑地下6層,地上2層。

圖1 杭州國家版本館鳥瞰效果圖

工程主要功能為各類庫房、展覽廳及配套用房等。主館區和山體庫房除滿足平時使用要求外,地下庫房還需滿足戰時功能要求,其中主館地下為甲類人防工程,抗力級別為核6級、常6級,防化級別為丁級;山體庫為甲類人防工程,抗力級別為核5級、常5級,防化級別為丁級。與通常平戰結合、臨戰轉換功能的人防工程不同,該工程戰時功能與平時相同不轉換,戰時需要同時滿足恒溫恒濕和防護相關要求。

庫房包括書庫、基藏、保藏、典藏、特藏及數據機房等,庫房種類及分布見表1。

表1 庫房藏品種類及分布

2 空調系統設計

2.1 室內設計參數

按館方要求并參照相關標準[1-2],各個庫房室內溫濕度設計參數見表2。庫房內工作人員極少,新風量按維持室內正壓所需風量確定,為避免采用換氣次數法造成新風量過大、能耗過高,設計采用文獻[7]建議的縫隙法計算,經計算每間庫房維持室內5 Pa正壓所需最小新風量為350 m3/h。

2.2 空調負荷統計

該工程空調冷熱負荷采用鴻業計算軟件V8.0(諧波法)進行計算,地下庫房按軟件中的人防地下室模型計算頂板和壁面引起的熱濕負荷。各空調區域負荷統計見表3。

表3 各空調區域負荷統計

2.3 冷熱源設計

2.3.1主館區

主館區冷熱源采用集中式冷水機組+鍋爐形式,承擔主館區域的舒適性空調及書庫恒溫恒濕空調負荷,計算冷負荷為4 338 kW,熱負荷為2 657 kW,再熱負荷為510 kW。

夏季設置3臺水冷螺桿式冷水機組作為空調冷源,其中2臺為部分熱回收機組,單臺額定制冷量1 470 kW,熱回收量500 kW,單臺熱回收量與再熱負荷相匹配。當任一臺機組出現故障時,均可保證庫房的冷量、再熱量不受影響。冷水機組冷水設計供/回水溫度為7 ℃/12 ℃,再熱水供/回水溫度為37 ℃/32 ℃,冷卻水供/回水溫度為32 ℃/37 ℃。

過渡季舒適性空調系統除展廊、展廳外,其他區域均停止運行,恒溫恒濕庫房空調系統正常運行。

冬季設置3臺燃氣型真空熱水機組作為空調熱源,單臺額定制熱量1 050 kW,設計供/回水溫度為55 ℃/45 ℃。

再熱系統服務于藏品庫房及設置四管制機組的地上展廳、展廊,再熱負荷總量較小,再熱熱源為冷水機組的冷凝熱回收。熱回收型冷水機組采用部分熱回收形式,為了穩定再熱水系統溫度,在系統中串聯了1個容積為10 m3的熱水緩沖罐,系統水容量達到30 min以上的循環量,避免切換運行模式時造成水溫波動。

2.3.2山體庫

山體庫以高標準恒溫恒濕庫房為主,空調系統與主館區相對獨立設置,冷熱源采用四管制熱回收型螺桿式空氣源熱泵機組,承擔其恒溫恒濕空調及少量舒適性空調負荷,計算冷負荷為1 094 kW,熱負荷為363 kW,再熱負荷為430 kW。設置2臺空氣源熱泵機組,單臺制冷量520 kW,制熱量641 kW,冷水供/回水溫度為7 ℃/12 ℃,熱水供/回水溫度為45 ℃/40 ℃。四管制空氣源熱泵機組的制冷量、制熱量可分別獨立調節,熱水系統不需設緩沖罐,實際使用中熱水溫度基本穩定。

山體庫中典藏D-1、特藏T-1 2個低濕庫房的設計參數為(20.0±1.0) ℃、(45±5)%,其露點溫度為7.7 ℃,常規水系統供水溫度即使達到5.0 ℃也難以滿足其除濕要求,考慮到該類庫房數量少,因此采用獨立的直膨式恒溫恒濕處理機組,每間庫房室內、外機均按一用一備設置。

2.3.3戰時空調冷熱源

由于藏品庫房的特殊性,戰時仍需保證其恒溫恒濕狀態。戰時在地下儲存大量空調冷卻水不現實,只能考慮風冷冷卻方式。戰時空調設備必須設置在防護區內,為盡量減少設備占用防護空間及戰時用電容量,戰時空調冷負荷按溫濕度獨立控制方式計算。

戰時主館區地下庫房選用3臺模塊渦旋式空氣源熱泵,設置于地下1層防護區內。戰時山體庫選用8臺模塊渦旋式空氣源熱泵,設置于地下5層防護區內。模塊機單臺額定制冷量70 kW,制熱量73 kW,采用機械通風的方式將室外機的排風經擴散室、防爆波活門排出室外。

戰時空調冷熱源與冷熱水管路一次安裝到位,并設置相應閥門與平時系統連接,滿足平戰切換需要。山體庫戰時空氣源熱泵可作為平時空氣源熱泵的備用機組。

2.4 空調水系統

主館區舒適性空調采用冷熱水共用管路的兩管制,恒溫恒濕空調采用供冷與再熱系統分設管路的四管制系統,四管制冷水與兩管制冷熱水共用管道,通過季節轉換閥門進行切換。夏季冷水、夏季再熱水、冬季熱水分別設置循環泵,循環泵均采用變流量控制。

山體庫恒溫恒濕空調采用供冷、供熱分設管路的四管制系統,冷水泵、熱水泵分別設置,均采用變流量控制。

2.5 夏季空氣處理與運行模式

考慮到該工程對溫濕度要求較高,轉輪除濕的設備投資和運行費用較高,二次回風方式的控制系統復雜且控制精度低,其他濕度處理方式應用尚存在一定的風險,因此該設計采用一次回風冷卻除濕加再熱的常規處理方式。

空氣處理流程見圖2,多個庫房的新風采用1臺新風機組(FAU)集中過濾、冷卻處理,采用風管分配至各庫房空調機組(AHU)。通過調節冷水溫度、FAU與AHU水閥開度,可以實現3種運行模式,滿足系統不同運行狀況的需求。

圖2 空氣處理流程示意圖

以該工程典型恒溫恒濕庫房(進行過CFD模擬的山體庫T-4庫房,面積465 m2)為例,對3種運行模式的工況狀態點及其負荷分配情況進行分析。其中庫房空調送風量按規范中室溫波動±1 ℃需要的換氣次數5 h-1[8]確定。

2.5.1運行模式1:新回風直接混合處理

當室外濕度較低時,關閉FAU的冷水閥及停運機組,新風直接進入AHU與室內回風混合后經粗、中效過濾,表冷,再熱,光催化凈化,電加濕,末端電加熱(根據回風溫度進行微調,以控制庫房相對濕度)集中處理后,經風管送至房間?？諝馓幚盱蕽駡D見圖3,空氣處理各狀態點參數見表4。

表4 模式1各空氣狀態點參數

圖3 運行模式1焓濕圖

2.5.2運行模式2:新風預冷后混合處理

當室外濕度較高時,啟動FAU并調節水閥,新風在FAU中預冷到室內溫度后,進入AHU與回風混合經粗、中效過濾,表冷,再熱,光催化凈化,電加濕,末端電加熱集中處理后,經風管送至房間?？諝馓幚盱蕽駡D見圖4,空氣處理過程幾乎與模式1相同,各點空氣狀態參數略。

圖4 運行模式2焓濕圖

2.5.3運行模式3:溫濕度獨立處理

該工程的地下庫房均為平戰結合設計,考慮到戰時空氣源熱泵機組機房及通風管井面積緊張,同時盡量減小戰時用電負荷,且戰時短期內庫房溫濕度容易維持,因此該設計按切換到模式3運行,即降低機組出水溫度至5 ℃,新風在FAU中處理到較低溫度,承擔系統全部濕負荷,AHU只負責顯熱負荷?？諝馓幚盱蕽駡D見圖5,空氣處理過程各狀態點參數見表5。

表5 模式3空氣狀態點參數

圖5 運行模式3焓濕圖

2.5.43種運行模式比較

3種運行模式的計算風量、負荷分配分別見表6、7,可以看到,為了滿足除濕需求,處理模式1、2需要對送風進行降溫冷卻,同時為了滿足室內溫度要求,又需要進行大量再熱,存在顯著的冷熱抵消現象。模式3采用新風FAU獨立深度除濕、AHU干式冷卻,沒有冷熱抵消過程,空調負荷大幅減小。但是模式3控制精度很難達到前2種模式,故僅作為戰時使用。3種運行模式系統能耗情況見表8。

表6 3種運行模式風量比較 m3/h

表7 3種運行模式負荷比較

表8 3種運行模式能耗對比

由表8可知,模式1、2總冷負荷及系統能耗顯著高于模式3,冷卻除濕后的再熱過程是主要的能量消耗過程。

2.6 冬季空氣處理

冬季,處理空氣經加熱、加濕后送入庫房內維持庫房內溫濕度,屬于常規處理過程,此處不贅述。

3 基于CFD模擬的庫房氣流組織設計

經CFD分析表明,書架對氣流組織的均勻性具有一定的影響,通過將部分送風口貼近側墻設置,并調整每個風口風量,結果顯示書架區域溫度分布在19～21 ℃、相對濕度分布在50%～60%之間。實際按CFD模擬結果調節各風口風量,即使送風量降到4 h-1換氣次數,室內溫濕度仍然能較好地滿足設計要求。

4 恒溫恒濕空調系統自控設計

恒溫恒濕空調系統控制采用濕度優先原則。通常濕度控制采用定機器露點法,即夏季根據表冷器后的溫度控制冷水電動閥開度,以達到恒定的機器露點溫度;室溫控制由再熱水閥開度調節再熱量實現,因回風溫度控制滯后性明顯,再熱量一般根據送風溫度控制[9-10],送風溫度的設定根據回風溫度進行自動調整。

由于送風溫度與回風溫度的變化關系不是線性關系,且受室外溫度影響,調試過程中發現上述控制方法不太理想,于是對控制邏輯進行了調整,取得了良好的效果。其主要思路是采用回風含濕量代替定機器露點溫度進行濕度控制,采用回風溫度代替送風溫度進行溫度控制?？刂圃硪妶D6,控制過程簡述如下。

圖6 恒溫恒濕空調箱控制原理圖

4.1 夏季和過渡季控制方式(室外溫度>11 ℃)

1) 風量調試:回風溫度偏低則風機轉速下調,調節下限為60%。

2) 濕度控制:根據回風空氣含濕量(與設定20 ℃、55%空氣狀態的含濕量比較)控制冷水閥開度,含濕量偏高則加大表冷器的冷水閥開度,偏低則減小冷水閥開度。

3) 溫度控制:根據回風溫度(與設定值20 ℃比較)控制再熱水閥,溫度偏高則減小再熱水閥開度,溫度偏低則加大再熱水閥開度。

為了進一步減小室內溫度波動引起的相對濕度波動,通過微調末端電加熱器功率來實現回風溫度波動不超過±0.5 ℃。

4.2 冬季控制方式(室外溫度≤11 ℃)

1) 風量調試:回風溫度偏高時,風機轉速下調,調節下限為60%。

2) 溫度控制:根據回風溫度(與設定值20 ℃比較)調節熱水閥開度,溫度偏低則加大水閥開度,溫度偏高則減小水閥開度。

3) 濕度控制:根據回風空氣含濕量(與設定20 ℃、55%空氣狀態的含濕量比較)調節電加濕功率,空氣含濕量偏高則減小電加濕功率,空氣含濕量偏低則加大電加濕功率。

同理,通過微調末端電加熱功率減小回風溫度波動以實現相對濕度穩定。

5 工程創新點

5.1 回收制冷過程中的冷凝熱用于再熱

恒溫恒濕空氣處理需要的再熱量一般來源于燃氣鍋爐加熱或電加熱器加熱,該工程考慮到大量的再熱需求,采用了回收制冷過程產生的冷凝熱。表9顯示了不同熱源在設計工況下1 h的運行費用,可見熱回收方式的運行費用遠遠低于其他熱量來源。

表9 不同再熱熱源運行費用比較

5.2 靈活的空氣處理模式

該設計采用1套設備、管路組合,通過調節可實現上述3種運行模式的切換。

庫房建成初期及連續陰雨天氣時,室內余濕量較大或室外空氣濕度較高,建議采用模式2運行,將新風進行預處理以利于穩定AHU處理后空氣的含濕量。庫房穩定運行后,室內散濕量較小,建議按模式1運行,系統節能且穩定可靠。戰時為了減少用電負荷,采用模式3運行,滿足基本的溫濕度需求。

5.3 節能且可靠的濕度控制

采用回風含濕量代替回風相對濕度或定機器露點來控制冷水閥開度進行濕度控制,避免了相對濕度隨溫度變化而變化導致控制不穩定,也避免了定機器露點法在室外低濕氣候時仍需將空氣處理到較低溫度后再熱引起的能源浪費。

5.4 CFD模擬指導減少低空調送風量

從前述模式1的空氣處理焓濕圖可見,當送風換氣次數為5 h-1時,送風溫差只有1.2 ℃,而規范規定,類似條件下送風溫差可以適當增大[8,11]以減少送風量,該設計在CFD模擬指導下優化了送風氣流組織,可減少送風量。

采用了空調送風機變頻設計來減少空調送風量,從目前實際調試結果看,當風機頻率降到60%(對應庫房換氣次數約為4 h-1)時,仍能維持室內溫度波動在±1 ℃、相對濕度波動在±5%之內。

6 運行調試及存在問題探討

通過1年多時間的調試與運行,系統達到了良好的水力平衡,合理降低了水泵運行頻率、送風機頻率,及時處理了現場出現的各種狀況,實現了系統平穩運行。圖7顯示了隨機調取的樓宇自控(BA)系統采集的山體庫T-4最近3 d每日24 h的溫濕度實測值,可見完全達到了庫房溫度20 ℃、日較差2 ℃,相對濕度50%～60%、日較差5%的恒溫恒濕要求。

圖7 山體庫T-4庫房3 d每日24 h室內溫濕度日變化圖

由于過渡季熱回收機組制冷量較小,在調試過程中發現了熱回收量不足以滿足再熱量需求,增加了與燃氣鍋爐供熱管路的連通管,采用燃氣加熱滿足冷負荷較小時系統的再熱需求。

該工程主館區建筑對設備機房面積和空間凈高限制非常嚴格,庫房恒溫恒濕空調和舒適性空調在空間上難以分區獨立設置,恒溫恒濕四管制系統的冷水與舒適性兩管制系統的冷熱水共用管道,通過季節轉換閥門進行切換。當遇到冬季氣溫反常升高至13 ℃時,舒適性空調區域仍有供暖需求,而如果恰巧是連續陰雨天,庫房內將產生濕負荷需要去除。短時間可通過關閉新風閥處理,如果持續時間較長,應將恒溫恒濕空調優先切換為夏季空調模式,切換的過程比較煩瑣,且對舒適性空調供暖產生一定影響。2023年冬季調試過程中碰到了最高氣溫15 ℃的連續陰雨天,發現主館區有20%左右庫房濕度偏高,不切換空調季節模式時,在未達標的庫房內設置1臺小型移動除濕機也可以解決問題。

7 結束語

該工程對高價值藏品庫房的恒溫恒濕空調系統設計在冷凝熱回收、多工況切換、平戰結合、空氣含濕量控制、CFD技術應用及減少送風量等方面進行了有益的嘗試。經過1年多的運行證明,上述措施的應用達到了設計目的,室內整體溫濕度滿足要求,系統運行穩定,節能效果明顯。