应对新冠疫情 开启暖通智能控制新模式

文:中国传动网 编辑部2020年第四期

2020年爆发的新型冠状病毒疫情对全球经济和民生都造成了严重的影响,新冠病毒主要是通过空气传播(飞沫传播、气溶胶传播等),要防止飞沫传播,可以通过鼓励人们佩带口罩等防疫物品来做保护;而气溶胶(Aerosol)是由固体或液体微粒分散并悬浮在空气中形成的多相体系,微粒大小为0.001~100μm,会通过空气传播,且易在暖通系统的换热器表面、风管、空气处理器及冷却塔等场所沉积,然后在气流作用下产生二次悬浮,传播或释放到其他空间,因此使得目前办公大楼和公共场所暖通系统的运营和管理引起了人们的高度关注,如何创造更健康、更安全的室内空调环境成为了业主、设计单位、施工单位及各级设备供应商共同面对的一个新课题。

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为了保证新冠肺炎流行期间,办公场所和公共场所空调通风系统的安全合理使用,防止因空调通风系统开启而导致新冠肺炎疫情的传播和蔓延,最大限度地保护使用者,2020年2月12日国务院应对新型冠状病毒肺炎疫情联防联控机制综合组印发了《新冠肺炎流行期间办公场所和公共场所空调通风系统运行管理指南》,与此同时,各地也陆续出台《新冠肺炎疫情期间办公场所和公共场所空调通风系统运行管理指引》等相关指导意见,对新形势下暖通空调通风系统的具体运营和管理做了详细的说明。

根据智慧建筑及楼宇自控行业的领导品牌霍尼韦尔对中国市场的调查统计,目前,国内一般公共建筑主流空调系统主要分为三种形式:风机盘管FCU+新风系统(PAU机组);定风量全空气系统(AHU机组);变风量空调系统(AHU+VAVBOX)。实际上,很多采用风机盘管+新风系统的楼宇,新风机组并不开,或开启的时间较少,一般没有集中机械排风系统。定风量AHU机组新风比例一般在30%左右;VAV系统新风为固定风量+CAV动态调节,一般可达到50-60%比例,随着近年来空调系统新风标准的提高,一般可以满足70%新风的要求。全空气系统一般通过AHU机组进行集中排风。此外,国内空调系统很少严格按国家标准频次进行清洗消毒。

本次疫情对于暖通空调系统控制最为关键和有效的预防手段就是加大新风通风换气,回风停止运行,由此也引发出一系列空调设备运行策略的改变,当中包括设备运行时间的变化,电动风阀/电动水阀开启策略的改变,盘管防冻综合考量的调整,室内通排风策略的改变,设备运行参数的调整等等,这些对于今后建筑物暖通空调的设计规划和相关设备选型都会带来一定程度的影响。

例如,霍尼韦尔建议在智能楼控系统中增加“公共卫生应急模式”:所有的逻辑和调整在DDC控制器中修改后,在上位机软件上增加全局变量,增设“公共卫生应急模式”菜单键,用户可以在软件界面一键点击进行“公共卫生应急模式”的启用和关闭,操作简单。而对于暖通空调系统中重要的节能产品——变频器,也需要和电动机、风机等其他组件灵活匹配并能相互间自由兼容,以保证到达最高的系统性能和有效性。

空气检测+智能空调控制

新型冠状病毒主要经飞沫和接触传播,密闭建筑中的空调系统可能成为交叉感染的途径,因此确保空气质量洁净同时保持新鲜空气引入室内尤为重要。在全球推广健康建筑标准的国际WELL建筑研究院(International WELL BuildingInstitute™,简称IWBI™)首先建议在室外空气质量允许的情况下勤通风,利用室内空气质量侦测器(IAQSensor)与装在外气导入风管的传感器所采集到的外气引入数据,确认室内外空气质量,自动化启动新风系统引入室外空气,稀释室内空气中的有害物质、病菌,维护室内空气质量;或是空气质量侦测器连动手机APP,实时发送讯息提醒用户目前室内空气质量,以增加高质量空气供应。

针对办公建筑,WELL建议优先采取加大新风的通风换气量,作为最有效的预防手段之一。从计算室内空间与人员数量可得到新风需求量,藉由室内空气质量侦测器所搜集到的空气质量数据,搭配具备边缘运算功能的室内空气质量服务器(IAQServer)与连动新风设备的自动化控制系统,可加强通风策略,改善人们所处环境的健康与提升工作效率。同时,利用楼宇管理系统,可记录新风系统的运行时间,提供过滤装置定期清洗维护或更换的提示,优化空气过滤,减少可能携带病毒的悬浮颗粒物,去除室内空气污染物;或是透过楼宇管理系统主动发送的维护通知,实行定期清洗、消毒空调系统的冷却塔、空气处理机组、风口等设备或部件。

为此,台达为协助台湾阳光社会福利基金会长期对抗疫情,捐建的两处高性能新风系统与UNO空气质量监控解决方案,毋须开窗便能引进新鲜空气至室内。台达新风系统具备高效三重过滤网,可有效过滤雾霾PM2.5、PM10等有害成分,并降低室内二氧化碳浓度,让室内空气质量远超标准;而直流变频的全热交换器也深具节能效益,夏季电价时预估可节省空调用电费用达30%。

此次导入的台达设备,包括有吊装式与壁挂式PM2.5直流变频全热交换器,在建筑物换气的同时进行温、湿度的热交换,可降低空调设备的负荷,并搭配高效三重过滤网,有效过滤雾霾有害成分PM2.5,净化效果高达97%。此外,台达亦提供UNO室内空气质量监控解决方案,以UNOnext IAQ传感器搭配全热交换器,不仅调整所需的基本换气量,更帮助建筑环境朝向国际WELL健康建筑标准的要求迈进,让室内空气中的CO2、PM2.5、PM10等数值都受到良好控制,使病人在复健时更安全、健康及舒适。

另外在空间节能改造上,台达也与绿适居社会企业合作,帮阳光基金会总会装置双层玻璃,有效隔离外在热源及降低噪音;同时协助在计算机机房进行冷热信道区隔,避免混风,并利用台达管道扇,将计算机机房的热能抽取出去,降低空调的运作与耗能,在新风系统和隔热改造的互相搭配下,预期可节省30%的空调用电量。

后疫情期催生医院管理新模式

2020年爆发的新冠肺炎疫情给国内公立医院常态化改革发展带来了新机遇,越来越多的行业人士重新审视现有的医疗系统后勤管理模式,积极推进“战-平结合”的全数字化统一管理平台,协助医院前端的医疗工作提高工作效率。根据国家相关规划,2019-2023年,中国大健康产业的年均复合增长率约为12.55%;到2023年,中国大健康产业规模预计将达到14.09万亿元;2030年将超过16万亿元,是目前市场规模的3倍左右。

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数据来源:赛迪顾问2020,02

2018年-2025年中国数据中心IT投资规模增长预测

在暖通空调设计部分,最大的特点是,针对传染病类型医院,在空气组织形式和智能化管理上提出了更高的要求。例如,所有传染病医院的病房/手术室均为负压设计,尤其是在“三区两通道”,即污染区、缓冲区、清洁区、病患通道和医护通道的空气组织形式上实现压力梯度差,以隔离病原体,保证空气流向始终从清洁区到缓冲区,再到污染区,形成负压空间。此外,空调系统的自动化监控也成为了重要的控制手段之一。

结合目前国内不同类型医疗机构的建设趋势来看,全国三甲医院传染科和隔离病房在近年内将加大投入,改建、扩建的需求明显,以负压为空气组织形式的单/双间隔离病房是建设重点,且空调控制形式更为多样化,这使得医院的管理模式也会随之变化。而在学科单一、专业性强的传染病医院,由于这类医院数量较小,新建程度较低,因此迫切需要提高利用率,国家的支持力度也会较强,同时这类医院一般都是隔离病房,用电负荷极大,对供电安全性要求较高,气流组织要求也高,需要做空间隔离和空气隔离。一些应急医疗机构如武汉火神山、雷神山、北京小汤山等应急传染病隔离医院、方舱医院等等,也要求在平均使用寿命5年的条件下做到战-平结合,以空间隔离为主,提高使用效率。此外,CDC疾病防控中心P3实验室也将成为今后各地的一个建设重点,其中实验室的气流组织形式为负压状态,整个实验室完全密封,使得实验室内部的气体不会泄漏到外面而造成污染。

总结上述传染病相关医疗机构的建设需求特点,可以发现,除了在供电安全、空间安全、检测安全、信息安全等方面的具体要求之外,环境安全在医院基础建设中的重要性尤为突出,它主要包括对四大指标要素的控制和管理,即温湿度、空气质量、照度/噪音、气流组织形式(负压和压力梯度差的稳定)。

作为医疗行业的先行者,施耐德电气正在为全球超过40%的医疗机构提供解决方案与服务,并助力中国的800多家医院优化整体医疗环境。基于EcoStruxure架构,施耐德电气以强弱电一体化为核心,打造互联互通、全数字化的医院能效与建筑综合管理平台,为医院后勤管理注入核心引擎动力。

以在此次疫情中最为突出的负压隔离病房的建设为例,实际上,要形成负压环境就是要对整个空气流向即送风、进风的压力差值进行精确的控制管理,在施耐德电气的智慧医院解决方案中,用到的设备和仪器有风阀执行器、压力传感器、电动水阀、变频器、EBO软件、温度控制器等等,其中,变频器在稳定控制空气流向的过程中发挥了重要的作用。在排风系统和送风系统中都要使用到变频器产品,以克服空调系统中管道阻力的变化,恒定排风量和送风量,保证稳定的压力梯度差,并且变频器的EMC电磁兼容性能也不容忽视,以免在包含各类传感器的复杂系统电路中发生相互干扰的情况。同时,在整体配电系统架构的末端,通过SMart Link这类智能化终端连接空调及照明设备,实现综合智能化管理功能,以减少管理人员频繁进出病区的几率,降低人员感染的可能性。

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数据中心迎来建设高峰期

在国家“新基建”政策的指引下,当前国内经济加速重启,此番“新基建”主要包括三大领域:一是信息基础设施,如以5G、工业互联网为代表的通信网络基础设施,以人工智能、云计算等为代表的新技术基础设施,以数据中心、智能计算中心为代表的算力基础设施等;二是融合基础设施,如智能交通、智慧能源基础设施等;三是创新基础设施,如重大科技基础设施、产业技术创新基础设施等。

“新基建”的一项重要内容——建设互联网数据中心(IDC),被认为是基础设施中所有数据、计算、网络的“基石”,它能够有力支撑区域经济和社会发展。根据赛迪顾问的调查统计,2019年中国超大型、大型数据中心数量占比达到12.7%,规划在建数据中心320个,其中超大型、大型数据中心数量占比达到36.1%;2019年中国数据中心IT投资规模达3698.1亿,预计2020年这一规模将增长12.7%,达到4166.8亿元;而到2025年,预计这一投资规模将达到7070.9亿元。作为储存、处理数据的重要IT基础设施——数据中心的作用和价值加速凸显,吸引到巨量的投资热潮。

现阶段数据中心建设的一个课题是降低能源消耗。从全球来看,到2025年,数据中心将占全球能耗的最大份额,高达33%;而在国内,全国数据中心的耗电量已连续八年以超过12%的速度增长,这表明,未来数据中心的建设将重点围绕规模化、绿色节能、低能耗的目标发展,特别是要降低PUE值(即能源使用效率,数据中心所有能耗与IT能耗之比,PUE值越接近1,表示数据机房绿色化程度越高)。

通常来说,制冷空调系统的电能消耗占到数据中心整体耗能的25%左右,因此,高热密度制冷、节能空调设备以及动态制冷成为了该领域应用的主要诉求。由于数据中心的密度随时间而变化,因此对制冷系统的要求非常宽泛。一般来说,一开始制冷设备只使用20%的制冷能力,并且只有在达到制冷能力的80%以后,才会考虑增加模块。

针对这一应用状况,丹佛斯充分发挥Danfoss品牌变频压缩机的优势,利用电子膨胀阀、过热度控制器和传感器,测量和控制制冷系统的制冷量,快速精确地进行温度控制,来自数据中心模块的指令通过系统控制器(驱动器)传输,控制压缩机的转速,从而满足用户要求,实现了远低于定速压缩机的能耗。另一方面,丹佛斯变频系统还内置了软启动功能,这降低了对电网和备用发电机的要求,同时采用丹佛斯变频器技术的制冷设备,令数据中心的业主可以在系统中使用小得多的发电机,从而节省一大笔成本。

2020年发生的新冠疫情将驱动暖通空调行业朝着高质量、经济适用、环保节能、防疫健康的方向发展,并且一些新的行业升级产品也被逐步引入进来,如消毒产品、智能检测产品、防疫净化产品等。暖通空调行业的高质量发展包括建设过程的精细化和全流程化、机电系统的集成化、控制、运营和维护的智能化等等,随着IoT物联网、AI人工智能诊断等新技术的兴起,能够促进系统架构更为扁平化,对设备的运行状态、故障检测、维护记录等项目实现集中实时管理,并可对设备运行优化,在保证优质舒适度的前提下进一步深度节能,开启暖通行业新的建设模式。

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