連志強,趙有民,安錦鋒

(1.陜西中貿(mào)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司,西安710061;2.延安熱電廠,延安716000;3.陜西省制冷學(xué)會,西安710045)

0 項目概況

該項目位于西安市長安路與友誼西路交匯口西北處,長安路沿線,地鐵二號線南稍門站附近。項目占地面積約6.4萬m2,總建筑面積約60余萬m2,其中商業(yè)建筑面積約13萬m2。項目南區(qū)商業(yè)面積約為8萬m2,分為商業(yè)主樓、商業(yè)副樓兩部分。商業(yè)主樓地下2層,地上5層裙房,商業(yè)副樓地上4層。商業(yè)主副樓之間部分為商業(yè)步行街,主副樓之間2層以上有連廊連通。

商業(yè)主樓地下1層為超市,地上1～4層為品牌百貨,5層為影院和餐飲等。商業(yè)副樓1～2層鄰步行街分隔為獨立店鋪,其它地方均為商業(yè)租賃區(qū)。

1 空調(diào)冷熱源

1.1 冷熱源選擇

冷熱源選擇應(yīng)根據(jù)項目相關(guān)情況合理選擇。項目住宅、公寓部分采暖采用市政集中供暖,商業(yè)冬季空調(diào)采用市政換熱站供暖即為最合理經(jīng)濟的方式。在此基礎(chǔ)上空調(diào)冷源一般有以下幾種方式:(1)電制冷離心、螺桿制冷機組;(2)冰蓄冷、水蓄冷制冷機組系統(tǒng);(3)高溫冷凍水機組,溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)。

1.2 冷熱源系統(tǒng)分析

冰蓄冷、水蓄冷系統(tǒng)首先要考慮的是峰谷電價,西安地區(qū)電價峰谷比值不到3,高峰電價也只有約1元/kWh,且蓄冷設(shè)備又將占用緊張的車庫面積。以上因素的限制已使得蓄冷系統(tǒng)的投資回收期超過5年甚至更長。

高溫冷水機組也已在市場上出現(xiàn),溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)是由電制冷機組制備18℃左右冷凍水來消除室內(nèi)顯熱,用溶液調(diào)濕空調(diào)機組來消除室內(nèi)的余濕量從而達到空調(diào)目的的空調(diào)系統(tǒng)。

現(xiàn)有的熱濕聯(lián)合處理的空調(diào)方式存在如下問題:(1)熱濕聯(lián)合處理的能源浪費。(2)難以適應(yīng)熱濕比的變化。(3)室內(nèi)空氣品質(zhì)不佳。(4)室內(nèi)末端裝置吹風感。(5)輸配能耗的問題。然而上述問題是基于對濕度有一定要求的情況下,而在實際工程中,舒適性空調(diào)常常不對濕度有較高要求而且人員也對濕度的變化感覺較為遲鈍,并不因為濕度的稍微增大而產(chǎn)生較強的悶熱感,此種情況下就應(yīng)根據(jù)工程實際綜合分析來評估此種系統(tǒng)的適用性。比如,空調(diào)季的平均室外空氣含濕量、人員新風量大小、濕負荷所占空調(diào)總負荷的比重、溶液調(diào)濕空調(diào)機組的選型與控制等因素均應(yīng)具體分析,實際工程的應(yīng)用也對新系統(tǒng)的應(yīng)用具有很大借鑒意義。

分析該系統(tǒng)應(yīng)用于本工程尚有以下幾點疑問:(1)溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)相對于常規(guī)空調(diào)露點送風是否有明顯的節(jié)能優(yōu)勢。(2)室內(nèi)溫濕度變化,露點溫度也隨之變化,現(xiàn)有經(jīng)濟的自控水平如何保證所有末端始終維持干工況運行。(3)在低負荷時段或室外空氣濕度較小時,系統(tǒng)是否還具有同樣的節(jié)能優(yōu)勢。任何新型空調(diào)系統(tǒng)都并非能適用任何類型的工程,每個空調(diào)系統(tǒng)都有與其它空調(diào)系統(tǒng)不同的基因,只有全面把握深刻認識每一個問題才能作出正確的選擇。

1.3 系統(tǒng)集中及節(jié)能

中央空調(diào)制冷,是一個按照熱力學(xué)第二定律進行的 “熱量逆向傳遞”過程。該過程涉及到空調(diào)末端裝置、冷水機蒸發(fā)器、冷水機組冷凝器以及冷卻塔裝置等四個熱交換設(shè)備中的傳熱過程,涉及到室內(nèi)空氣循環(huán)、冷凍水循環(huán)、冷水機組制冷劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)和室外空氣循環(huán)等5個流體循環(huán),還涉及到系統(tǒng)的負荷及實際工況的變化,運行情況復(fù)雜,制約因素很多,使得中央空調(diào)系統(tǒng)具有時滯、時變、非線性和大惰性等一系列復(fù)雜特征。

這種復(fù)雜性使得與供熱不同,并非越集中越好。雖然商業(yè)主、副樓相距很近并且地下室連通,然而其使用單位不同,商業(yè)功能不同。若硬要并入同一空調(diào)系統(tǒng),會在物業(yè)管理、系統(tǒng)控制及經(jīng)濟運行等方面帶來問題。國內(nèi)較大的區(qū)域集中冷源,有的冷價已和電價相同,系統(tǒng)能效之低可見一斑。由于商業(yè)主副樓營業(yè)時間和負荷峰值時間基本相同,最后方案趨向于主副樓各設(shè)一個冷源,制冷機組采用離心和螺桿制冷機組。

2 空調(diào)水系統(tǒng)

2.1 冷凍水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)水泵變頻調(diào)速 (以下簡稱VFD)運行的節(jié)能性已在業(yè)界得到普遍認可,然而只有選擇合適的控制方式才能達到節(jié)能最大化的理想效果。

水泵運行的控制方式是指:用某種被控參數(shù)實現(xiàn)水泵的變頻調(diào)速運行,通常被控參數(shù)取循環(huán)水系統(tǒng)中某處的壓差/壓力或溫度等。本文定義了四種控制方式 (其中控制方式4為特例,因為屬于非變頻調(diào)速運行),它們分別是:

①運行控制方式1:恒定系統(tǒng)供/回母管間壓差,系統(tǒng)工況點在圖1之曲線-1上。

②運行控制方式2:恒定系統(tǒng)最不利環(huán)路壓差,系統(tǒng)工況點在圖1之曲線-2上。

③運行控制方式3:在供水溫度滿足要求的前提下,恒定系統(tǒng)的供、回水溫差,系統(tǒng)工況點在圖1之曲線-3上。其特點是:末端不設(shè)隨負荷動作的流量調(diào)節(jié)閥,管網(wǎng)S值等于常數(shù),為主動變流量運行。此運行控制方式節(jié)能效果最顯著,但管網(wǎng)動態(tài)流量分配的可靠性差,很少采用。

圖1 不同控制方式水系統(tǒng)運行曲線

④運行控制方式4:末端變流量,循環(huán)水泵工頻運行,是一次泵空調(diào)水系統(tǒng)的典型運行方式。此控制方式運行能耗較高。

通過文獻 [2]對循環(huán)水泵變頻調(diào)速運行實例的研究說明,控制方式2恒定系統(tǒng)最不利環(huán)路或最不利環(huán)路組壓差的變頻調(diào)速控制方式是較理想的控制方式。

2.2 冷卻水系統(tǒng)

相對而言,中央空調(diào)冷卻水泵變頻問題業(yè)內(nèi)研究較少,爭議也比較多。表1是冷卻水泵占主機10%的變頻節(jié)能分析。

由表中數(shù)據(jù)可以看出,低負荷率成為冷卻水泵能否變頻的主要考慮因素,只有在主機低負荷率、冷卻水泵功率占主機功率比例較大時,冷卻水泵變頻才有意義。而大型商業(yè)空調(diào)通常由2、3臺以上主機組成且具備主機群控系統(tǒng),單臺主機負荷率低于50%的幾率很小,所以通過機組群控的臺數(shù)控制已經(jīng)能對冷卻水泵的能耗進行控制,再進行變頻控制意義已經(jīng)不大。當然具體節(jié)能量應(yīng)通過詳細計算來論證是否變頻,文獻 [3]給出了一種計算冷卻水泵變頻節(jié)能的方法,具有一定指導(dǎo)意思。

表1 冷卻水泵占主機10%的節(jié)能分析

3 空調(diào)風系統(tǒng)

由于大型商場基本采用全空氣空調(diào)系統(tǒng),而空調(diào)箱風機全年運行,因此商場空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)箱風機電耗所占比重最大,達到了該商場空調(diào)系統(tǒng)總用電的65.4%,浪費最嚴重、節(jié)能潛力最大。因此,大型商場節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是空調(diào)風系統(tǒng)。

造成大型商場空調(diào)箱風機電耗巨大的主要原因是,空調(diào)系統(tǒng)采用定風量系統(tǒng),風機并沒有根據(jù)商場中的負荷變化而調(diào)節(jié)。而商場中人流密度的變化較大,因此最有效的節(jié)能方案之一就是采用風機變頻控制調(diào)節(jié)策略,將定風量系統(tǒng)改變?yōu)樽冿L量系統(tǒng)。采用風機變頻控制調(diào)節(jié)時,在保證送風溫度和室內(nèi)溫度不變的前提下,當室內(nèi)負荷為最大室內(nèi)負荷的一半時,風機的風量可以降到額定風量的50%,風機電耗可以降到其額定功率的1/8,具有極大的節(jié)能潛力。若保證送風溫度不變,通過變頻器調(diào)節(jié)風量,可得到定速風機和變頻風機的逐時運行功率變化如圖2所示。

由圖2可以看出,變頻風機在部分負荷時運行功率要遠低于定速風機的功率,所以從全年累計運行能耗比較來看,兩者相差很大。

大型商場建筑由于照明和客流量的影響,內(nèi)部發(fā)熱量很大;而且這類建筑往往體形系數(shù)也很大,熱量不易散出。商場的新排風系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)考慮過渡季和冬季從室外引入新風作為免費冷源。設(shè)計上新風道面積不能過小,應(yīng)滿足過渡季和冬季的新風用量,還應(yīng)有相應(yīng)排風系統(tǒng)使得風量平衡,使全新風運行得以實現(xiàn),以減少空調(diào)的開啟時間。

圖2 兩種風機轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)策略下空調(diào)箱逐時運行功率比較

4 空調(diào)自控系統(tǒng)

目前我國建筑設(shè)備智能化的建設(shè)與運用情況不容樂觀,而在建筑設(shè)備智能化中,暖通空調(diào)系統(tǒng)智能化又比其他如照明、報警、電梯等智能化運行現(xiàn)狀差。暖通空調(diào)自控系統(tǒng)在既有公共建筑中的應(yīng)用較少,即使安裝了暖通空調(diào)自控系統(tǒng),也往往未能發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢。原因是多方面的,暖通專業(yè)和自控專業(yè)缺乏密切配合和自控專業(yè)對暖通空調(diào)系統(tǒng)缺乏深度理解,是其中的一個重要原因。暖通專業(yè)需在設(shè)計中明確以下三方面內(nèi)容:①暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯關(guān)系要求;②感測元件與執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)置位置和精度要求;③設(shè)備控制參數(shù)的要求,是指暖通空調(diào)系統(tǒng)中各個設(shè)備的運行控制參數(shù)設(shè)定值、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍、以及感測元件與執(zhí)行機構(gòu)的參數(shù)性能要求等。

暖通空調(diào)系統(tǒng)是一個多變量、強耦合的復(fù)雜系統(tǒng),自控設(shè)計中主要的難題是控制對象的難理解性和干擾的復(fù)雜性,暖通空調(diào)自控設(shè)計的成效關(guān)鍵在于暖通專業(yè)。空調(diào)系統(tǒng)主要矛盾在于末端設(shè)備的主動性調(diào)節(jié),只有以整個系統(tǒng)的自控觀抓住主要矛盾才能理清各控制機構(gòu)的控制邏輯,而并非僅在機房考慮就能解決系統(tǒng)的整個問題。

5 方案綜述

經(jīng)過以上論述,本商場中央空調(diào)設(shè)計方案定為以下主要內(nèi)容:①冷源為常規(guī)離心式、螺桿式水冷冷水機組;熱源為城市集中供熱。②冷凍水系統(tǒng)采用末端具備主動性調(diào)節(jié)的一次泵變流量系統(tǒng),依據(jù)恒定系統(tǒng)最不利環(huán)路的壓差來進行水泵變頻調(diào)速,冷凍水泵均可變頻調(diào)速,相互并聯(lián)通過共用集管與冷水機組連接;冷卻水為定流量系統(tǒng),水泵工頻運行。③商場空調(diào)采用全空氣系統(tǒng),空調(diào)箱風機依據(jù)回風溫度進行變頻調(diào)節(jié)。過渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)可全新風運行來最大限度降低能耗,空調(diào)區(qū)域內(nèi)氣流組織合理且必須設(shè)置排風設(shè)備,排風設(shè)備應(yīng)使系統(tǒng)風量平衡,全新風運行得以實現(xiàn)?？照{(diào)箱變頻控制應(yīng)有保證滿足人員衛(wèi)生要求最小新風量的控制措施。④自控系統(tǒng)應(yīng)主要分為主機系統(tǒng)群控、冷凍水變頻調(diào)速控制、空調(diào)風系統(tǒng)變頻控制、末端設(shè)備的主動性調(diào)節(jié)控制及各設(shè)備間的連鎖調(diào)節(jié)控制等。

6 結(jié)語

大型商業(yè)暖通空調(diào)能耗占建筑總能耗比重很大,通過本文的討論,期望在提高中央空調(diào)設(shè)計質(zhì)量和降低大型商業(yè)建筑空調(diào)能耗等方面有所幫助。

[1]江億.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].北京:清華大學(xué),2006,1

[2]伍小亭,蘆巖.循環(huán)水泵變頻調(diào)速運行實例研究[J].暖通空調(diào),2006,36(8):25-32

[3]曲凱陽.中央空調(diào)冷卻水泵變頻節(jié)能的討論[J].建筑熱能通風空調(diào),2009,(5):82-84