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恒温恒湿、净化空调技术及建筑节能技术发展历程
【提要】本文概要地介绍了中国建筑科学研究院空调所在恒温恒湿、净化空调技术及建筑节能技术研究和开发、应用方面的进展。
1恒温恒湿空调技术研究
1.1概述
空调技术是在我国解放以后才逐步发展成熟的一门学科。它涉及到各类建筑物和生产场
所的室内环境要求, 即: 室内空气的温度、湿度、速度和洁净度等, 直接影响着生产工艺和人体健康。随着我国经济不断发展, 各行各业科技和生产要求也会越来越严, 特别是要求保持恒定的室内温、湿度, 才能满足生产工艺条件, 否则难以生产出合格品, 因此研究恒温恒湿技术势在必行。
6 0 年代初, 在国家科委十年规划中, 将恒温恒湿技术列为国家重点攻关课题。由中国建筑科学研究院空调所负责, 组成了空调设备、恒温恒湿指标、气流组织、自动控制等专题组进行研究, 于1 9 6 5 年研究得出整套科研成果, 包括高精度恒温( 2 0 士0.5 ℃ 、士0.2 ,C、士0.1℃ )和一般精度恒温( 20 士1℃ )等技术设计计算方法,采取的措施和设备选用方法; 同时又组织对全国典型工程进行恒温普查和实测总结, 于60 年代末提出了适合我国国情的恒温工程整套设计方法。从围护结构、送风温差与换气次数、气流组织方式与计算、设备选型以及注意事项都有了明确规定, 这些均编入《空气调节设计手册》,广泛应用于实际工程, 至今亦在使用。
进入70 年代以后, 技术在进步, 生产工艺又提出更高要求, 建研院空调所的科研人员结合生产实际, 深入现场进行调研, 在北京光学仪器厂光栅刻线室成功地实现20 士0.01 ℃ 高精度恒温, 达到国际先进水平。然而科学发展是无止境的, 生产过程不仅要求恒温, 有些还需要恒湿, 例如针织品、造纸、医药、食品等。解决恒湿问题, 同样需要从研制设备和技术关键入手。空调所在引进国外样机基础上, 积极研究开发了转轮除湿机、温湿度传感器及自控仪表、模件式温湿仪等。通过几个具体工程使用, 例如天津某站恒温恒湿室达到20士.0 5 ℃ , 相对湿度“ 士2% ; 北京某研究所恒温恒湿达到20 士0.1 ℃ ,5 士3% R H, 说明恒湿技术已可达士2%。从此开始,建研院空调所具备了恒温恒湿全套技术, 有能力进行从设计到调试恒温恒湿工程总承包。
为了适应市场经济需要, 不断开发, 研制出装配式恒温室、恒湿室或恒温恒湿室, 非常适合改造工程使用。
根据有些生产工艺需要低湿, 例如玻璃合片室、生物制品、库房等, 要求在室内温度20 ℃条件下, 相对湿度低于25 % , 甚至要求达到1 5 %, 允许波动范围不超过2%。我们利用除湿技术进行设计, 选用我所研制的除湿机, 在北京某生物制品室达到室温20 ℃ , 相对湿度低于2 0 % ; 又如在深圳某厂的玻璃合片生产车间, 选用国外除湿设备达到了相对湿度2 ) 士.2 5%的要求。
近些年来, 空调所又继续开发传统技术, 发挥所内综合优势, 利用原有的恒温恒湿技术, 充分发挥作用, 不仅取得了较好社会效益和经济效益, 还在实践中锻炼和培养了新生力量。例如: 对某卫星制造厂计量恒温间的改造, 就是采用总承包方式, 总面积1 1 0 0m 2 ,共18 个计量间。改造后提高了恒温精度, 由原来的20 士(1~ 2 ) ℃ 提高为20 土0.5 ℃ 、士1 ℃ , 节电53 % ; 耗水量由1 2 o t/ h 下降为s t/ h ; 机房占地面积由6 2 o m 2 缩小为2 7 7m 2 , 节省5 5%。
综上所述, 恒温恒湿技术已成为建研院空调所传统优势技术, 今后将会继续发挥作用, 为空调行业技术发展作出成绩。
1.2 典型工程
1.2.1 某所国家级超精密加工试验室
该试验室总面积9 47 m 2 , 共有15 个试验间, 其中三间要求恒温20 士0.2 ℃ , 恒湿45 士5%, 其余均为20 士1 ℃ ,50 士10 %。
设计时采用空调所研制的带上位机通讯功能的W S Z一3 型模件式温湿度调节仪进行控制。每台仪表可巡回测量温、湿度及设定值、阀门等16 个参数, 其精度高汾辨率高达0.01 ℃ 。工程峻工后调试, 经2李小时连续运行, 全部达到上述恒温恒湿精度要求。
1.2.2 北京某研究所恒温室设计
该恒温室由8 间组成, 总面积为23 6 m 2 , 各房间要求见表1。
设计时, 对于士0.1 ℃ 房间采用孔板送风下侧回风; 士0.5 ℃ 房间采用侧送侧回方式; 其它房间采用条缝风口上送上回方式。选用柜式空调机, 控制系统均采用空调所的W S Z 忍型模件式温湿度调节仪及不同功能模件卡, 组成送风温度和室内温、湿度两级控制。竣工后经连续24 小时运行测量, 垂直和水平方向的温度均未超过上述要求, 湿度均小于士5 %。
1.2.3 天津某站的装配式高精度恒湿室研制
该室建在一座二层楼的底层, 为一般办公用房, 要求改造成二间恒湿室, 面积分别为: (4x 4.2 ) m 2 ,( 4 x 5.5 ) m2 , 层高2.5 m。要求室内距地(0.5 x2 ) m 区域内, 相对湿度为“ 士2%,至少维持6 小时。
根据上述条件, 受建筑面积限制, 将原建筑作为外套, 内设置装配式壁板组成的恒湿室, 壁板与外套之间为气套, 并对围护结构作了防潮和保温处理。空调机房设在相邻小间内, 选用风冷柜式空调机, 并配以加热器和加湿器。恒湿室内采用孔板送风下侧回风方式。为了保证恒湿士2% 的要求, 采用空调所研制的S WD 一2 型温湿度传感器和模件式控制仪组成自控系统, 通过送风参数和室内参数两级控制来达到要求。
建成后, 经冬季和夏季工况连续运行考核,记录了连续12 小时实测值, 实测结果见表2。
其自动控制系统运行正常, 系统从开机到工况稳定只需2 小时左右。
从上述结果表明, 采用装配式恒湿室方案是成功的, 对于改造工程采用装配式是非常适用的。
低湿工程 低湿工程是指室内相对湿度小于30%（室温 20℃）的场所 , 也就是指含湿量5g/kg 以下。由于要求低湿, 用冷冻除湿方法是不能达到的,一般需要采用化学吸附方式或冷冻徐湿与化学吸附相结合方式, 才能达到要求。例如:
北京某生物制品室就是潮湿空气经转轮除湿机, 再进入冷冻除湿降温后送入室内, 使室内达到相对湿度小于20 %。
深圳某厂采用室内外空气混合后进入冷冻除湿机, 再经转轮除湿机除湿, 然后经冷却器等湿冷却后送入室内, 而达到室温2 ℃ , 相对湿度2 2.5 士2.5%
1.3 结语
综上所述, 建研院空调所经过几十年的空调技术研究和开发, 已系统地研究解决了恒温精度在士0 . 1 ～士0.01 ℃ 、恒湿精度在士5%～士2 % 的高精度恒温恒湿成套技术( 包括设计计算、恒温恒湿设备及控制仪表等), 并已能以多种形式为各行业提供全套技术服务(上述工程实例足以说明)。今后我们将继续努力, 结合生产实践, 将科研成果转化为生产力, 与全国同行们团结协作, 为我国空调事业再创业绩。
2 净化空调技术研究
国际上自50 年代中期以来, 空气洁净度已逐渐成为空调的三大参数之一, 对温湿度波动范围要求严格者, 即是前述的恒温空调; 对空气洁净度有要求者, 即为净化空调。净化空调出现不是偶然的, 是现代高科技和生产活动发展的结果, 它的任务是保证产品加工的精密化, 产品结构的微型化, 产品质量的高纯度, 产品运行的高可靠性。
3 0 余年前, 面对国内空气净化技术完全空白而又急需的状况, 建研院空调所从事净化空调研究开发工作一开始就从硬件抓起, 促进普及; 在普及的基础上再抓理论提高; 然后再去指导推广普及。当时主要根据三线任务和各部委的要求, 首先要提供样机、产品和装置。大约经过十年时间至70 年代初期, 我们所获得的净化方面的成果已基本配套成龙, 使当时国家需要的净化空调测试方法、仪器和设备都可以立足国内获得解决蕊并为后来北京及至全国的大规模集成电路会战以及净化技术的普及, 打下了良好的基础。到目前为止, 从计重测尘法、微孔滤膜测尘法到浊度计、J 73 型粒子计数器和标准粒子; 从粗中高效过滤器到洁净工作台、吹淋室、层流罩、余压阀、传递窗、吸尘机、自净器、压缩空气过滤器、检漏仪、细菌采样器; 从装配式乱流、层流洁净室到0.1μ10级洁净室; 从节能型低阻亚高效过滤器到消毒型屏蔽式紫外线消毒器; 从封导结合的双环密封装置到密封胶, 在国内都是首次成功。可以说, 在主要仪器设备,主要“ 软件” 方面, 从国际上看, 我们起步并不晚, 从国内看, 空调所也走在前列( 见表3、表4 )。
改革开放之后, 是空调所和全国同行把国产的设备产品应用于国内净化空调工程的普及时期。为了指导这种普及, 保证工程质量, 先后主编了《空气洁净技术措施》和《洁净室施工及验收规范》, 参编了《洁净厂房设计规范》。其中《措施》是国内第一份关于空气洁净技术的综合性指导性措施; 《施工规范》是国际上第一份这样的规范。这在我国大发展的重要时期, 为净化技术, 为现代化建设, 都做出了重大贡献。
空调所还设计、承包建设了许多有难度的净化空调工程, 如毛主席纪念堂甲区、百级白血病房、整个1 09 厂生产线净化改造、中药西药和兽药厂净化车间(www.iwuchen.com)、S P F 动物房、科学实验室、原子钟恒温洁净室、导弹平衡实验室、爱兹病毒生物安全P 3 级实验室等。
在理论提高方面提出了一些新概念新方法, 有的在国际上也是首次, 已广为国内规范、手册、书籍所采用。我们分析了乱流和平行流(也称单向流) 的流态实质, 提出用平行流代替层流的概念, 这比美国20 9C 标准的变更早五、六年。
通过大量实测数据和理论分析提出的我国大气尘的统计规律和日变化模型, 是重要的基础数据, 得出了日变化趋势基本上与相对湿度和绝对湿度的变化趋势相同的重要结论, 并且区分了地区类型浓度和高效系统、非高效系统的设计浓度, 而国外一直不加区分, 这对设计质量特别是超级洁净室的设计有很大影响。
提出的洁净室均匀分布和不均匀分布计算理论和方法。在国内外第一次把乱流和单向流
纳入一个统一公式加以解释和计算, 揭示了它们的特性和规律, 弄清了一些不好解释的实际间题, 而且使具体计算变得简单易行。到目前为止, 国外还没有既简便又很准确的计算含尘浓度和自净时间的方法。
单向流洁净室一向以其巨大风量而令建设者和设计者头痛, 因为美国联邦标准把它的截面风速规定为不得小于0.45 m / s 。所以, 若能有根据地降低风速, 则不仅有巨大的经济效益, 而且也给设计和建造带来方便。“ 平行流洁净室干限风速的研究” , 在国内外首次提出了足以抗四种干扰的下限风速, 并且考虑了室内热源和人行走的因素, 从而跨过了国际权威数据设置的“ 门槛” , 使设计风速可降低1 / 3 , 其可行性已为国内大量实践所证明。
在洁净室型式上, 经典的垂直单向流由于其上满送、下满回的方式带来许多问题, 制约了百级洁净室的推广, 特别是像我们这样资金少的国家。我们关于两侧下回风洁净室特性的研究, 是通过可视化的水模型进行的, 这在当时国内本领域中也是首创, 它使数学模型的结果变成可见的事实。该研究成果为这种洁净室的推广应用提供了理论依据和具体数据, 突破了国外认为这种洁净室只能在不超过3.6 m宽下使用才能达到1 0 0 级的看法, 允许室宽沐到6 m、这就足够实际需要, 因而从某一方面大大推动了百级洁净室的发展。目前国内建造的百级洁净室, 大部分已是这种无格栅地板的简便型式。
在检测方面我们早于美国数年就提出了最小检测容量、最少测点数和风速不均匀度的概念和计算方法, 并且包容了后来美日提出的数据。在工艺方面, 我们提出的封导结合的双环密封装置, 是国外所没有过的, 它为超级洁净室的发展提供了一种有用的密封工艺。
当前我国净化空调面临电子工业和制药工业发展的需要, 都将有一个更大的发展时期。进入90 年代时, 日本的芯片年产10 0 亿片, 韩国3 0 亿片, 而我国只有1 亿多片。当时我国年产高效过滤器7 一8 万台, 我国的净化生产总值( 不计土建费用) 约为2 ~ 3 亿元, 占国民生产总值1.74 万亿元的万分之1.5; 而日本同时期净化产值35 亿美元, 占国民生产总值2.45 万亿美元的千分之1.5。此外, 我国有数千家中西药厂要按《药品生产质量管理规范》( 即G M P ) 要求进行净化改造。所以即使不谈其他行业对净化空调的需要, 只是从电子工业追赶国际水平而发展净化空调或者为了国内制药行业技术改造而应用净化空调, 对净化空调来说, 都是一个难得的机遇。已为我国净化空调的发展做出贡献的空调所, 也应当更有所作为才是。
3 建筑节能技术研究
3.1 概述
我国目前每年城乡新建房屋建筑面积约在10 亿m2 以上, 其中城镇住宅2 亿m2, 公共建筑和工业建筑2 亿多m2 以及农村住宅7 亿多m2。我国已有建筑面积也十分巨大, 到1 9 9 0 年底, 城镇房屋建筑面积70.9 亿m2, 农村1 75 亿m2, 合计达2 4 5.9 亿m2。预计1 9 9 1 一2 0 0 0 年将完成城乡房屋建筑为1 06 亿m2, 是世界上建房最多的国家。要实现其基本使用功能, 需耗用大量能源。建筑能耗包括采暖、通风、空调、降温、照明、家用电器和热水供应的能耗, 其中以采暖和空调能耗为主。
我国地域广阔, 与同纬度其它国家相比, 冬寒夏热十分突出, 而建筑物的保温隔热和气密性能很差, 采暖系统热效率低, 单位住宅建筑面积采暖能耗高于发达国家几倍` 仅在“ 三北” 地区城镇, 虽然人口只占全国的13.6%, 而且冬季室内温度并不能总保持16 ℃ 以上。1 9 9 3 年其建筑采暖耗能已达1.01 亿吨标准煤, 占全国能源消费总量的9.6%。而以我国长江流域为代表的中部地区, 人口占全国的1/ 3 , 冬季湿冷, 夏季酷热, 以往采暖受到限制。随着经济发展, 城镇及农村房屋正越来越广泛地使用采暖设施, 全国范围内的“ 空调热” 日见高涨, 而热水供应也必将逐步发展起来。至于广大农村, 建房热仍持续不断, 但房屋保温隔热性能很差, 改变冬寒夏热的室内环境也势在必行。自70 年代末8 0 年代初, 以旅游旅馆及高档出租办公楼、公寓、商场为代表的民用空调建筑大量兴建。仅以高档旅游旅馆为例, 1 9 9 3 年底已超过2 5 0 0 家。这类建筑由于都设置了全年性舒适空调和较高的建筑标准, 主要能源为电力, 故已成为城市民用建筑中的用电大户。在某些城市, 这类建筑的总用电量已占到城市居民用电总量的40 %, 普遍存在电力高峰段供不应求, 被迫采取拉闸限电办法。因此, 采暖和空调能耗必将迅速增长,预计到2 0 0 0 年将增到1.79 亿吨标准煤, 占全国能源消费总量的比例将上升至1 3.6 %。由此可见, 随着现代化建设的发展, 能源供应将更加紧张, 导致影响经济的持续发展, 然而能源生产相对于经济发展要滞后得多。“ 九五” 期间我国经济预计将保持8% ~ 9% 的增长速度, 而一次能源生产量增长率则可能争取达到4%。为了减轻能源供应对经济增长的制约作用, 发展经济所需的能源应更多依靠节能来解决。
建筑节能起源于1 9 7 3 年和1 9 7 9 年两次世界性石油危机, 许多发达国家经过二十多年的努力, 建筑节能进展巨大, 成效显著。我国从1 9 8 2 年原国家经委拨款由建设部组织开展建筑节能工作。空调所从摸清量大面广的北方建筑采暖耗能入手, 作为主编单位之一, 编制了我国第一部采暖住宅节能设计标准, 并于1 9 9 5 年再次修编。为了编制空调建筑的节能设计标准,由国家计委拨款空调所承担, 进行了北京、上海、广州等地旅游旅馆空调建筑耗能调查实测,并在此基础上编制了空调节能设计标准。在推动技术进步方面,在原国家经委及建设部支持下, 进行了平衡供暖技术的研究与产品的开发,提高了供暖系统能源利用率。为了改善北方农村住宅、公共建筑以及中部地区城镇住宅冬夏季室内热环境条件, 在国家计委、农业部、建设部的支持下, 开展了利用被动太阳能改善室内热环境技术的研究, 并在辽宁、山东农村及江苏、安徽城镇建造了利用被动太阳能为主的节能住宅。我国中部地区城镇住宅以往不设置采暖装置, 为了从理论分析及实测上获得适合该地区居民的最低水平室内热舒适环境指标, 在国家自然科学基金支持下, 开展了研究课题, 初步获得该地区最低水平舒适指标以及开发了优化设计软件, 推动了被动太阳能在建筑中应用技术的发展。
综上所述, 建筑节能技术经过20 年来的发展, 已成为了空调所的优势技术之一, 结合国家的需要, 今后还将在纵深上投入力量, 为建筑节能行业技术发展作出成绩。
以下简要的对各项技术作一回顾。
3.2 标准与规划
由中国建筑科学研究院(物理所、空调所)作为主编单位,一我国第一部建筑节能设计标准?《民用建筑节能设计标准(采暖居住建筑部分) 于1 9 8 6 年由建设部发布, 确定为第一阶段节能目标, 即与1 9 8 0 1/ 9 81 年住宅通用设计相比, 按此标准设计的住宅可节能30 %。1 9 9 2 年开始对该标准进行修订, 于1 9 9 5 年建设部发布《居住建筑热工与采暖节能设计标准》, 提出第二阶段节能目标,比第一阶段再降低30 %, 也即在1 9 8 0/ 1 9 8 1 年住宅通用设计耗能水平基础上节能50 %, 但节能投资不超过土建工程造价的10 %,节能投资回收期不超过10 年, 节约吨标煤的投资不超过开发吨标煤的投资。
1 9 9 3 年国家技术监督局与建设部联合发布了《旅游旅馆建筑热工与空气调节设计节能标准》。该标准为强制性的国家标准, 要求在审批新建、扩建及改建旅游旅馆项目可行性研究报告的节能篇章时, 以及设计单位在进行旅游旅馆的设计和管理工作中, 都应遵守该标准的规定。
1 9 9 5 年建设部发布了“ 建筑节能` 九五’ 计略划和2 0 1 0 年规划” , 进一步明确了建筑节能的三步目标。
3.3 平衡供暖技术
采暖建筑节能标准明确提出了节能指标,这指标应由提高围护结构保温性能、改善门窗密闭性, 以及提高供暖系统锅炉运行效率及管网输送效率来实现。
根据对我国北方集中供暖系统的调查、实测及分析, 认为要使供暖系统达标, 其关键技术为水力平衡。在供暖系统中, 热水由闭式管路系统输送到各用户( 例如供暖小区中各幢楼)。对于一个设计正确, 并能按设计要求运行的管网系统来说, 各用户应该都能流经设计水量, 即能满足其热负荷的需求。但由于各种原因, 大部分输配环路及锅炉机组( 或热力站) 并联环路存在水力失调, 即流经用户及机组的热水流量与设计水量不符。为了缓解供暖系统室温冷热不匀现象, 以往设计或使用单位常常加大锅炉机组及循环水泵容量, 结果导致投资增加, 能量严重浪费。这反映于采暖能耗高, 不符合节能标准指标值, 同时供暖品质差, 小区中各楼室温不匀,低的只有10 ~ 12℃ 或更低。
这种水力失调的主要原因是以往管网系统中缺乏能定量调节(调节性能好且能测定流量)的阀门(硬件) 以及能确保各用户获得设计流量平衡调试方法( 软件)。
在原国家经委的支持下, 空调所于1 9 8 9 年研制开发了平衡阀及其专用智能仪表, 这提供了解决水力失调的硬件及软件。平衡阀是一种特殊功能的阀门, 它具有良好的流量调节性能,有阀门开启度指示及锁定和测量装置; 专用智能仪表中编入了平衡调试软件, 在调试时, 应用智能仪表逐一对每个平衡阀作一次性调整, 全部系统即能实现水力平衡。
北京市安贞西里小区有建筑面积73 万m2 , 由于各种原因小区供暖效果差, 相当数量的用户室温低于16 ℃ , 有的只有10 ℃ 左右。经空调所实测诊断, 并采用以平衡阀为主的平衡供暖技术后, 系统中全部室温均达到16 ℃ 以上, 而且锅炉运行台数比以往少一台, 同时也少运行一台水泵及相应鼓引风机, 一个采暖季节电6 8 万度。
目前平衡阀已应用于全国29 个省市自治区8 0 0 余个工程, 经实测表明, 应用该项技术后平均可节煤节电各15 %。
3.4 自保温隔热体系的初步研究
“ 自保温隔热体系” 是首先通过建筑围护结构本身及自然能源的作用, 在某一气候条件下,即可达到或基本达到“ 最低容忍” 的室内热湿环境指标, 以及在条件许可采用人工供热( 冷) 的地区, 可以既保证“ 近期舒适” , 又实现节能目标的建筑体系( 包括、门窗、屋顶、地坪、阳台等)。我国中部地区( 冬冷夏热地区), 虽然冬季平均气温高于O℃ , 但相对湿度较高, 冬季湿冷, 而夏季又酷热。以往该地区一般城镇住宅围护结构无保温措施, 也不设置集中采暖设施, 此冬夏季室内热环境条件相当差。为了从“ 自保温隔热体系” 思路出发, 结合国情及居民生活习惯, 在国家自然科学基金支持下, 空调所开展了“ 节能住宅设计、能耗及室内热环境理论分析和软件开发研究” 。通过对无锡市十名学生( 五名男性、五名女性) 冬夏季的实测, 结论为: 当地居民最低舒适的环境参数为: 冬季, 室温及室内平均壁面温度为10 ℃ 或更高; 而夏季室内环境的上限为室温32.5 ℃ , 相对湿度70 %, 平均辐射温度与空气温度接近。为了开发“ 自保温隔热体系” 住宅建筑优化设计软件, 在国外软件基础上, 补充了相对湿度、平均辐射温度、空气流动速度等数学模型, 而开发出利用被动太阳能改善室内热环境的软件。
3.5 被动太阳能改善室内热环境技术
空调所自70 年代后期开始从事于如何尽可能利用太阳能、合理建筑设计来改善室内热环境条件。在农业部及建设部的支持下, 参加“七五” 、“ 八五” 攻关课题, 对太阳能集热蓄热部件进行了深入的研究, 并在北方及山东农村建造了被动太阳能采暖住宅及学校,获得了很好的效果, 即室温达10 一12 ℃ 以上, 增加投资额在15 % 以下。
为了推动中部地区城镇住宅被动太阳能设计技术, 及学习国外先进技术, 在建设部、国家计委支持下, 通过中瑞( 典)科技合作完成了“ 我国过渡地带节能住宅设计技术” 。通过优化计算南向窗墙比及围护结构保温性能, 在无锡沁园新村以及“ 八五” 攻关课题的示范工程马鞍山珍珠园小区中均建造了示范建筑, 实现冬季南向平均卧室温度达到10 一12 ℃ , 夏季南向卧室日平均室温比普通住宅低2 ℃ , 投资题增加10%左右。
无尘室空调系统型式的选择
上一条：食品洁净车间设计和建设要求下一条：GMP无尘车间净化空调及其自控系统的设计与应用