杭州国家版本馆恒温恒湿空调系统设计

余红英 金 涛 张 浩

(浙江省建筑设计研究院,杭州)

0 引言

高价值藏品应保存在恒温恒湿库房内,其温度和相对湿度应保持相对稳定,一般温度日较差应控制在2 ℃以内,相对湿度日较差应控制在5%以内,具体控制精度应根据藏品材质、类别确定[1-2]。由于温湿度波动要求严格,恒温恒湿库房空调系统设计较常规空调系统存在较大的不同,如采用全年供冷供热的四管制水系统、冷却除湿后再热、温湿度独立控制、小温差大风量送风等。对于类似恒温恒湿库房的空调系统设计,国内已有不少文章和设计实例介绍[3-6]。从空调冷热源选择来看,一种是采用直膨式恒温恒湿专用机组,通常每个空间对应1套空调室内外机组,室外设备较多,布置困难,适用于规模较小、温湿度控制精度不高的场合;另一种是设置集中式冷热源,采用组合式空气处理机组配套相应的自动控制系统,适用于规模较大、温湿度精度要求较高的场合。对于集中式系统,按空气处理方式分类,一是冷却除湿后再热的方式,优点是温湿度控制精度高,缺点是存在冷热抵消;另一种是温湿度独立控制的方式,独立新风系统承担全部湿负荷,一般需要较低的冷水温度;也有采用转轮除湿、溶液除湿等,其中转轮除湿的设备尺寸较大、再生能耗高,溶液除湿在高精度恒温恒湿系统中应用还不常见。

笔者在杭州国家版本馆一期建设工程的恒温恒湿库房设计中,对多工况转换、湿度控制、平战结合及系统节能等方面进行了尝试。

1 工程概况

该工程为杭州国家版本馆一期建设工程(见图1),是“中华版本传世工程”的四大国家版本馆之一。该馆包含了主馆区(1～5区)及山体库房2个子项,总建筑面积103 346 m2。主馆区地下2层,地上4层;山体库房设置在馆区东侧的山体内,单体建筑地下6层,地上2层。

图1 杭州国家版本馆鸟瞰效果图

工程主要功能为各类库房、展览厅及配套用房等。主馆区和山体库房除满足平时使用要求外,地下库房还需满足战时功能要求,其中主馆地下为甲类人防工程,抗力级别为核6级、常6级,防化级别为丁级;山体库为甲类人防工程,抗力级别为核5级、常5级,防化级别为丁级。与通常平战结合、临战转换功能的人防工程不同,该工程战时功能与平时相同不转换,战时需要同时满足恒温恒湿和防护相关要求。

库房包括书库、基藏、保藏、典藏、特藏及数据机房等,库房种类及分布见表1。

表1 库房藏品种类及分布

2 空调系统设计

2.1 室内设计参数

按馆方要求并参照相关标准[1-2],各个库房室内温湿度设计参数见表2。库房内工作人员极少,新风量按维持室内正压所需风量确定,为避免采用换气次数法造成新风量过大、能耗过高,设计采用文献[7]建议的缝隙法计算,经计算每间库房维持室内5 Pa正压所需最小新风量为350 m3/h。

2.2 空调负荷统计

该工程空调冷热负荷采用鸿业计算软件V8.0(谐波法)进行计算,地下库房按软件中的人防地下室模型计算顶板和壁面引起的热湿负荷。各空调区域负荷统计见表3。

表3 各空调区域负荷统计

2.3 冷热源设计

2.3.1主馆区

主馆区冷热源采用集中式冷水机组+锅炉形式,承担主馆区域的舒适性空调及书库恒温恒湿空调负荷,计算冷负荷为4 338 kW,热负荷为2 657 kW,再热负荷为510 kW。

夏季设置3台水冷螺杆式冷水机组作为空调冷源,其中2台为部分热回收机组,单台额定制冷量1 470 kW,热回收量500 kW,单台热回收量与再热负荷相匹配。当任一台机组出现故障时,均可保证库房的冷量、再热量不受影响。冷水机组冷水设计供/回水温度为7 ℃/12 ℃,再热水供/回水温度为37 ℃/32 ℃,冷却水供/回水温度为32 ℃/37 ℃。

过渡季舒适性空调系统除展廊、展厅外,其他区域均停止运行,恒温恒湿库房空调系统正常运行。

冬季设置3台燃气型真空热水机组作为空调热源,单台额定制热量1 050 kW,设计供/回水温度为55 ℃/45 ℃。

再热系统服务于藏品库房及设置四管制机组的地上展厅、展廊,再热负荷总量较小,再热热源为冷水机组的冷凝热回收。热回收型冷水机组采用部分热回收形式,为了稳定再热水系统温度,在系统中串联了1个容积为10 m3的热水缓冲罐,系统水容量达到30 min以上的循环量,避免切换运行模式时造成水温波动。

2.3.2山体库

山体库以高标准恒温恒湿库房为主,空调系统与主馆区相对独立设置,冷热源采用四管制热回收型螺杆式空气源热泵机组,承担其恒温恒湿空调及少量舒适性空调负荷,计算冷负荷为1 094 kW,热负荷为363 kW,再热负荷为430 kW。设置2台空气源热泵机组,单台制冷量520 kW,制热量641 kW,冷水供/回水温度为7 ℃/12 ℃,热水供/回水温度为45 ℃/40 ℃。四管制空气源热泵机组的制冷量、制热量可分别独立调节,热水系统不需设缓冲罐,实际使用中热水温度基本稳定。

山体库中典藏D-1、特藏T-1 2个低湿库房的设计参数为(20.0±1.0) ℃、(45±5)%,其露点温度为7.7 ℃,常规水系统供水温度即使达到5.0 ℃也难以满足其除湿要求,考虑到该类库房数量少,因此采用独立的直膨式恒温恒湿处理机组,每间库房室内、外机均按一用一备设置。

2.3.3战时空调冷热源

由于藏品库房的特殊性,战时仍需保证其恒温恒湿状态。战时在地下储存大量空调冷却水不现实,只能考虑风冷冷却方式。战时空调设备必须设置在防护区内,为尽量减少设备占用防护空间及战时用电容量,战时空调冷负荷按温湿度独立控制方式计算。

战时主馆区地下库房选用3台模块涡旋式空气源热泵,设置于地下1层防护区内。战时山体库选用8台模块涡旋式空气源热泵,设置于地下5层防护区内。模块机单台额定制冷量70 kW,制热量73 kW,采用机械通风的方式将室外机的排风经扩散室、防爆波活门排出室外。

战时空调冷热源与冷热水管路一次安装到位,并设置相应阀门与平时系统连接,满足平战切换需要。山体库战时空气源热泵可作为平时空气源热泵的备用机组。

2.4 空调水系统

主馆区舒适性空调采用冷热水共用管路的两管制,恒温恒湿空调采用供冷与再热系统分设管路的四管制系统,四管制冷水与两管制冷热水共用管道,通过季节转换阀门进行切换。夏季冷水、夏季再热水、冬季热水分别设置循环泵,循环泵均采用变流量控制。

山体库恒温恒湿空调采用供冷、供热分设管路的四管制系统,冷水泵、热水泵分别设置,均采用变流量控制。

2.5 夏季空气处理与运行模式

考虑到该工程对温湿度要求较高,转轮除湿的设备投资和运行费用较高,二次回风方式的控制系统复杂且控制精度低,其他湿度处理方式应用尚存在一定的风险,因此该设计采用一次回风冷却除湿加再热的常规处理方式。

空气处理流程见图2,多个库房的新风采用1台新风机组(FAU)集中过滤、冷却处理,采用风管分配至各库房空调机组(AHU)。通过调节冷水温度、FAU与AHU水阀开度,可以实现3种运行模式,满足系统不同运行状况的需求。

图2 空气处理流程示意图

以该工程典型恒温恒湿库房(进行过CFD模拟的山体库T-4库房,面积465 m2)为例,对3种运行模式的工况状态点及其负荷分配情况进行分析。其中库房空调送风量按规范中室温波动±1 ℃需要的换气次数5 h-1[8]确定。

2.5.1运行模式1:新回风直接混合处理

当室外湿度较低时,关闭FAU的冷水阀及停运机组,新风直接进入AHU与室内回风混合后经粗、中效过滤,表冷,再热,光催化净化,电加湿,末端电加热(根据回风温度进行微调,以控制库房相对湿度)集中处理后,经风管送至房间。空气处理焓湿图见图3,空气处理各状态点参数见表4。

表4 模式1各空气状态点参数

图3 运行模式1焓湿图

2.5.2运行模式2:新风预冷后混合处理

当室外湿度较高时,启动FAU并调节水阀,新风在FAU中预冷到室内温度后,进入AHU与回风混合经粗、中效过滤,表冷,再热,光催化净化,电加湿,末端电加热集中处理后,经风管送至房间。空气处理焓湿图见图4,空气处理过程几乎与模式1相同,各点空气状态参数略。

图4 运行模式2焓湿图

2.5.3运行模式3:温湿度独立处理

该工程的地下库房均为平战结合设计,考虑到战时空气源热泵机组机房及通风管井面积紧张,同时尽量减小战时用电负荷,且战时短期内库房温湿度容易维持,因此该设计按切换到模式3运行,即降低机组出水温度至5 ℃,新风在FAU中处理到较低温度,承担系统全部湿负荷,AHU只负责显热负荷。空气处理焓湿图见图5,空气处理过程各状态点参数见表5。

表5 模式3空气状态点参数

图5 运行模式3焓湿图

2.5.43种运行模式比较

3种运行模式的计算风量、负荷分配分别见表6、7,可以看到,为了满足除湿需求,处理模式1、2需要对送风进行降温冷却,同时为了满足室内温度要求,又需要进行大量再热,存在显著的冷热抵消现象。模式3采用新风FAU独立深度除湿、AHU干式冷却,没有冷热抵消过程,空调负荷大幅减小。但是模式3控制精度很难达到前2种模式,故仅作为战时使用。3种运行模式系统能耗情况见表8。

表6 3种运行模式风量比较 m3/h

表7 3种运行模式负荷比较

表8 3种运行模式能耗对比

由表8可知,模式1、2总冷负荷及系统能耗显著高于模式3,冷却除湿后的再热过程是主要的能量消耗过程。

2.6 冬季空气处理

冬季,处理空气经加热、加湿后送入库房内维持库房内温湿度,属于常规处理过程,此处不赘述。

3 基于CFD模拟的库房气流组织设计

经CFD分析表明,书架对气流组织的均匀性具有一定的影响,通过将部分送风口贴近侧墙设置,并调整每个风口风量,结果显示书架区域温度分布在19～21 ℃、相对湿度分布在50%～60%之间。实际按CFD模拟结果调节各风口风量,即使送风量降到4 h-1换气次数,室内温湿度仍然能较好地满足设计要求。

4 恒温恒湿空调系统自控设计

恒温恒湿空调系统控制采用湿度优先原则。通常湿度控制采用定机器露点法,即夏季根据表冷器后的温度控制冷水电动阀开度,以达到恒定的机器露点温度;室温控制由再热水阀开度调节再热量实现,因回风温度控制滞后性明显,再热量一般根据送风温度控制[9-10],送风温度的设定根据回风温度进行自动调整。

由于送风温度与回风温度的变化关系不是线性关系,且受室外温度影响,调试过程中发现上述控制方法不太理想,于是对控制逻辑进行了调整,取得了良好的效果。其主要思路是采用回风含湿量代替定机器露点温度进行湿度控制,采用回风温度代替送风温度进行温度控制。控制原理见图6,控制过程简述如下。

图6 恒温恒湿空调箱控制原理图

4.1 夏季和过渡季控制方式(室外温度>11 ℃)

1) 风量调试:回风温度偏低则风机转速下调,调节下限为60%。

2) 湿度控制:根据回风空气含湿量(与设定20 ℃、55%空气状态的含湿量比较)控制冷水阀开度,含湿量偏高则加大表冷器的冷水阀开度,偏低则减小冷水阀开度。

3) 温度控制:根据回风温度(与设定值20 ℃比较)控制再热水阀,温度偏高则减小再热水阀开度,温度偏低则加大再热水阀开度。

为了进一步减小室内温度波动引起的相对湿度波动,通过微调末端电加热器功率来实现回风温度波动不超过±0.5 ℃。

4.2 冬季控制方式(室外温度≤11 ℃)

1) 风量调试:回风温度偏高时,风机转速下调,调节下限为60%。

2) 温度控制:根据回风温度(与设定值20 ℃比较)调节热水阀开度,温度偏低则加大水阀开度,温度偏高则减小水阀开度。

3) 湿度控制:根据回风空气含湿量(与设定20 ℃、55%空气状态的含湿量比较)调节电加湿功率,空气含湿量偏高则减小电加湿功率,空气含湿量偏低则加大电加湿功率。

同理,通过微调末端电加热功率减小回风温度波动以实现相对湿度稳定。

5 工程创新点

5.1 回收制冷过程中的冷凝热用于再热

恒温恒湿空气处理需要的再热量一般来源于燃气锅炉加热或电加热器加热,该工程考虑到大量的再热需求,采用了回收制冷过程产生的冷凝热。表9显示了不同热源在设计工况下1 h的运行费用,可见热回收方式的运行费用远远低于其他热量来源。

表9 不同再热热源运行费用比较

5.2 灵活的空气处理模式

该设计采用1套设备、管路组合,通过调节可实现上述3种运行模式的切换。

库房建成初期及连续阴雨天气时,室内余湿量较大或室外空气湿度较高,建议采用模式2运行,将新风进行预处理以利于稳定AHU处理后空气的含湿量。库房稳定运行后,室内散湿量较小,建议按模式1运行,系统节能且稳定可靠。战时为了减少用电负荷,采用模式3运行,满足基本的温湿度需求。

5.3 节能且可靠的湿度控制

采用回风含湿量代替回风相对湿度或定机器露点来控制冷水阀开度进行湿度控制,避免了相对湿度随温度变化而变化导致控制不稳定,也避免了定机器露点法在室外低湿气候时仍需将空气处理到较低温度后再热引起的能源浪费。

5.4 CFD模拟指导减少低空调送风量

从前述模式1的空气处理焓湿图可见,当送风换气次数为5 h-1时,送风温差只有1.2 ℃,而规范规定,类似条件下送风温差可以适当增大[8,11]以减少送风量,该设计在CFD模拟指导下优化了送风气流组织,可减少送风量。

采用了空调送风机变频设计来减少空调送风量,从目前实际调试结果看,当风机频率降到60%(对应库房换气次数约为4 h-1)时,仍能维持室内温度波动在±1 ℃、相对湿度波动在±5%之内。

6 运行调试及存在问题探讨

通过1年多时间的调试与运行,系统达到了良好的水力平衡,合理降低了水泵运行频率、送风机频率,及时处理了现场出现的各种状况,实现了系统平稳运行。图7显示了随机调取的楼宇自控(BA)系统采集的山体库T-4最近3 d每日24 h的温湿度实测值,可见完全达到了库房温度20 ℃、日较差2 ℃,相对湿度50%～60%、日较差5%的恒温恒湿要求。

图7 山体库T-4库房3 d每日24 h室内温湿度日变化图

由于过渡季热回收机组制冷量较小,在调试过程中发现了热回收量不足以满足再热量需求,增加了与燃气锅炉供热管路的连通管,采用燃气加热满足冷负荷较小时系统的再热需求。

该工程主馆区建筑对设备机房面积和空间净高限制非常严格,库房恒温恒湿空调和舒适性空调在空间上难以分区独立设置,恒温恒湿四管制系统的冷水与舒适性两管制系统的冷热水共用管道,通过季节转换阀门进行切换。当遇到冬季气温反常升高至13 ℃时,舒适性空调区域仍有供暖需求,而如果恰巧是连续阴雨天,库房内将产生湿负荷需要去除。短时间可通过关闭新风阀处理,如果持续时间较长,应将恒温恒湿空调优先切换为夏季空调模式,切换的过程比较烦琐,且对舒适性空调供暖产生一定影响。2023年冬季调试过程中碰到了最高气温15 ℃的连续阴雨天,发现主馆区有20%左右库房湿度偏高,不切换空调季节模式时,在未达标的库房内设置1台小型移动除湿机也可以解决问题。

7 结束语

该工程对高价值藏品库房的恒温恒湿空调系统设计在冷凝热回收、多工况切换、平战结合、空气含湿量控制、CFD技术应用及减少送风量等方面进行了有益的尝试。经过1年多的运行证明,上述措施的应用达到了设计目的,室内整体温湿度满足要求,系统运行稳定,节能效果明显。