柯尊友 鄭毅然 董 靜

中國建筑科學(xué)研究院

天津某會展中心展館區(qū)空調(diào)冷熱源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

柯尊友 鄭毅然 董 靜

中國建筑科學(xué)研究院

本文針對會展建筑的特點(diǎn)，介紹了空調(diào)冷熱源系統(tǒng)形式的確定，著重介紹了地埋管地源熱泵、二級泵、大溫差及低溫?zé)崴匕遢椛洳膳葍?nèi)容。最后，簡單介紹了空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

會展中心 地源熱泵 大溫差 二級泵

1 工程概況

本項(xiàng)目為特大型展覽建筑（圖1），一期展館區(qū)總建筑面積44.434萬m2，其中地上37.875萬m2，地下6.559萬m2。建筑東西方向總長960m，南北方向總長381m。設(shè)置16個甲等展廳，總布展面積20萬m2。16個展廳以中央大廳為軸東西對稱布置，以交通連廊為軸南北對稱布置。交通連廊將南北兩側(cè)展廳及中央大廳連成一體。中央大廳高34m，絕大部分空間一層通高，東西兩側(cè)有少量兩層的配套房間；展廳一層，層高24m；交通連廊兩層，首層高7.7m，二層高5.5m，局部設(shè)備夾層，屋頂高24m。

圖1 建筑效果圖

2 冷熱源形式的確定

2.1 冷熱源形式

會展建筑與普通公共（辦公、商業(yè)）建筑在運(yùn)行時間上有相似之處，即白天空調(diào)負(fù)荷大，夜間停展后空調(diào)負(fù)荷小。同時會展建筑與普通公共建筑也有很大的不同之處，即其常年間歇運(yùn)行而且使用頻率偏低。研究表明[1]，我國會展場館的利用率除北京、上海、廣州幾個城市能達(dá)到40%上下，其他大多數(shù)城市的會展場館利用率都在20%左右，全國會展場館的平均利用率不足25%。確定展覽類建筑冷熱源時不僅要考慮其瞬時負(fù)荷大的特點(diǎn)，還要考慮其全年的使用率情況。節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用的冰蓄冷系統(tǒng)在此項(xiàng)目中應(yīng)用投資回收期將大大增加，其它非常規(guī)冷源的應(yīng)用也會存在類似問題。結(jié)合本項(xiàng)目有9萬m2左右的室外展場以及綠色建筑二星級設(shè)計(jì)標(biāo)識的要求，綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全、可靠、環(huán)保等因素，本項(xiàng)目采用地源熱泵機(jī)組及10kV離心式冷機(jī)組聯(lián)合供冷，采用園區(qū)一次熱水及熱泵機(jī)組聯(lián)合供熱，冷熱源系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 冷熱源系統(tǒng)示意圖

2.2 冷熱源設(shè)置

由于地質(zhì)條件及經(jīng)濟(jì)因素，本項(xiàng)目只在中央大廳投影區(qū)域設(shè)一層地下室，功能為主要設(shè)備用房（包括制冷機(jī)房、換熱站）及汽車庫等?？紤]該項(xiàng)目建筑面積大且東西方向總長達(dá)960m，只設(shè)計(jì)一個冷熱源系統(tǒng)不僅管線集中，系統(tǒng)服務(wù)半徑也偏大，因此在中央大廳東西兩側(cè)各設(shè)一個制冷機(jī)房和換熱站，見圖3。東側(cè)機(jī)房負(fù)擔(dān)東側(cè)展廳及交通連廊；西側(cè)機(jī)房負(fù)擔(dān)中央大廳、西側(cè)展廳及交通連廊。冷熱負(fù)荷及冷熱源配置詳見表1、表2。

圖3 冷熱源分布圖

表1 冷熱負(fù)荷

表2 冷熱源配置

3 地埋管地源熱泵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

與冷熱源機(jī)房對應(yīng)，室外地埋管系統(tǒng)分東、西區(qū)兩個系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)。地埋管側(cè)夏季設(shè)計(jì)進(jìn)出水溫度30/35℃，冬季5/8.5℃。結(jié)合熱敏感試驗(yàn)報(bào)告中地源熱泵換熱孔測試數(shù)據(jù)（夏季44.0W/m，冬季32.1W/m），地源熱泵系統(tǒng)按表3冷熱量要求設(shè)計(jì)，地埋管敷設(shè)于項(xiàng)目南側(cè)室外展場及室外停車位地面下。室外換熱孔數(shù)量既能滿足冬季取熱量需求，也能滿足系統(tǒng)夏季排熱需求。換熱孔有效孔深120m，鉆孔直徑180mm，鉆孔間距為4.5m（部分間距6m）。綜合考慮場地及造價等因素[2，3]，鉆孔內(nèi)設(shè)置雙U型地埋管換熱器，U型管管徑為DN32。換熱孔連接時采用同程連接。

表3 地源熱泵系統(tǒng)主要參數(shù)

4 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目空調(diào)水系統(tǒng)為兩管制，空調(diào)冷、熱水季節(jié)切換設(shè)置在制冷機(jī)房內(nèi)。由于東、西兩側(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則一致，僅設(shè)備容量和數(shù)量存在差別，因此本部分僅介紹西側(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)情況。

4.1 空調(diào)冷熱水系統(tǒng)

據(jù)統(tǒng)計(jì)，水泵輸配能耗約占空調(diào)能耗15%~20%[4]，因此合理設(shè)計(jì)空調(diào)水力輸配系統(tǒng)對空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能有重要意義。本項(xiàng)目由于系統(tǒng)作用半徑較大（580m）、管路水流阻力較高，為減少系統(tǒng)輸配能耗，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，考慮采用大溫差供冷，減少冷凍水流量，從而減少冷凍水泵耗功率，但降低冷凍水供水溫度會影響制冷機(jī)組的制冷性能。

根據(jù)文獻(xiàn)[5～7]介紹的方法，對是否采用大溫差供冷進(jìn)行了分析計(jì)算。計(jì)算的兩個主要假定條件是：1）冷水機(jī)組蒸發(fā)器在進(jìn)水溫度不變的情況下，出水溫度每降低1℃，冷水機(jī)組的COP值降低3%，在出水溫度一定的情況下，進(jìn)水溫度上升COP值不變[7]；2）不同供回水溫差下，通過管道管徑的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)總阻力一致。計(jì)算結(jié)果見表4~表6，可見在上述假定條件下，僅靠降低冷水機(jī)組供水溫度的方式來加大供回水溫差不僅不節(jié)省運(yùn)行能耗，反而增加能耗。因此考慮既降低冷水機(jī)組出水溫度，又提高進(jìn)水溫度的方式來加大供回水溫差。雖然計(jì)算結(jié)果表明采用6/13℃的大溫差供冷方式較7/12℃僅節(jié)能0.86%，但考慮到加大溫差后空調(diào)管道管徑、系統(tǒng)閥門部件、冷凍水泵容量及對應(yīng)的配電設(shè)備等可以減小，節(jié)省管道、設(shè)備占用的建筑空間及項(xiàng)目的初投資，因此本項(xiàng)目冷凍水設(shè)計(jì)供、回水溫度為6/13℃。

表4 不同供回水溫差下冷水機(jī)組能耗

表5 不同供回水溫差下冷凍水泵的能耗

表6 不同供回水溫差下冷水機(jī)組及冷凍水泵總能耗

通過計(jì)算分析，空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用變流量二級泵系統(tǒng)，按服務(wù)半徑分遠(yuǎn)、近兩個區(qū)分設(shè)置二級泵，計(jì)算結(jié)果見表5。由表7可知，設(shè)計(jì)工況下，二級泵系統(tǒng)空調(diào)冷凍水循環(huán)泵總軸功率比一級泵系統(tǒng)少93.7kW，節(jié)能率達(dá)11.7%。同時二級泵系統(tǒng)中的二級循環(huán)泵總軸功率472.8kW，占總軸功率的67%，二級循環(huán)泵為變頻水泵，部分負(fù)荷時二級循環(huán)泵低頻運(yùn)行，節(jié)能效果更顯著。

表7 空調(diào)冷凍水一、二級泵系統(tǒng)水泵軸功率統(tǒng)計(jì)

空調(diào)熱水供、回水設(shè)計(jì)溫度采用60/45℃的大溫差系統(tǒng)。由于空調(diào)水系統(tǒng)為兩管制，管道直徑按冷凍水流量選取，冬季供熱時熱水流量減少，約為夏季流量的[(19050/15)/(36340/7)]=25%，冬季遠(yuǎn)區(qū)與近區(qū)系統(tǒng)阻力差小于10kPa，因此空調(diào)熱水循環(huán)泵采用一級泵系統(tǒng)。

4.2 地板輻射采暖熱水系統(tǒng)

人員活動頻繁的高大空間中央大廳、交通連廊設(shè)置地板輻射采暖系統(tǒng)，綜合考慮地源熱泵機(jī)組的性能、熱舒適性及供熱量等因素，地板采暖熱水由熱泵機(jī)組單獨(dú)供給，設(shè)計(jì)供回水溫度45/35℃。據(jù)分析[8]，制冷劑為R134a的熱泵機(jī)組在其他工況相同的情況下，冷凝溫度55℃時的制熱性能系數(shù)約為50℃時的94%。以熱水供回水溫度 45/35℃熱泵機(jī)組制熱 COP為4.8，50/45℃熱泵機(jī)組COP為4.8×94%計(jì)算，地板采暖熱水獨(dú)立設(shè)置熱泵機(jī)組與熱泵機(jī)組均采用50/45℃的工況相比，機(jī)組節(jié)省能耗[1759/(4.8×0.94)-1759/4.8]× 3=336kW，節(jié)能效果明顯。

由于地板輻射采暖負(fù)荷總量不大，適當(dāng)放大干管管徑可以將系統(tǒng)的總阻力及各分支間阻力差控制在合理的范圍內(nèi)，因此地板采暖熱水循環(huán)泵采用一級泵系統(tǒng)。

5 系統(tǒng)運(yùn)行工況簡介

1）夏季設(shè)計(jì)工況下，10kV高壓離心式冷水機(jī)組及熱泵機(jī)組均開啟，同時將13℃的空調(diào)冷凍水回水降溫至6℃。部分負(fù)荷時，自控系統(tǒng)根據(jù)各臺機(jī)組的容量及末端負(fù)荷需求調(diào)整機(jī)組的啟停。

2）冬季設(shè)計(jì)工況下，空調(diào)熱水回水45℃，部分經(jīng)熱泵機(jī)組提升至50℃，溫度提升后的熱水和其余的45℃回水混合后由水-水換熱器加熱至60℃供給空調(diào)末端。部分負(fù)荷時，自控系統(tǒng)根據(jù)空調(diào)熱水回水溫度調(diào)整一次熱水側(cè)電動調(diào)節(jié)閥，根據(jù)各臺機(jī)組的容量及末端負(fù)荷需求調(diào)整機(jī)組的啟停。

3）地板輻射采暖系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行，冬季展覽期，空調(diào)系統(tǒng)與地板輻射采暖系統(tǒng)同時運(yùn)行；冬季非展覽期，空調(diào)系統(tǒng)停止運(yùn)行，地板采暖系統(tǒng)開啟，保證建筑室內(nèi)溫度不低于5℃。

6 結(jié)語

本項(xiàng)目上為大型展覽類建筑，在冷熱源形式、系統(tǒng)形式的確定，充分結(jié)合建筑的地理位置、建筑形態(tài)、使用特點(diǎn)等進(jìn)行可行性及經(jīng)濟(jì)性分析比較。是否采用大溫差供冷，需經(jīng)過計(jì)算分析后確定，普通電制冷機(jī)組僅通過降低制冷機(jī)組出水溫度的方式來增大冷凍水供回水溫差有可能不節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，可能更耗能。通過試算系統(tǒng)阻力，冷凍水系統(tǒng)采用二級泵系統(tǒng)節(jié)能效果明顯，空調(diào)熱水及地板采暖熱水系統(tǒng)采用一級泵系統(tǒng)比較合理。

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Heating and Cooling Source of HVAC System Designed for Exhibition Area of a Conference& Exhibition Center in Tianjin

KE Zun-you,ZHENG Yi-ran,DONG Jing
China Academy of Building Research

Aiming at the characteristics of conference&exhibition building,the process of the determining of heating and cooling source of HVAC system were introduced,including ground-source heat pump,secondary pump,large temperature difference and low temperature hot water floor radiant heating.Finally,the operating conditions of cold and heat source system were briefly present.

exhibition center,ground-source heat pump,large temperature difference,secondary pump

1003-0344（2015）04-087-4

2014-5-29

柯尊友（1980～），男，碩士，工程師；北京市北三環(huán)東路30號中國建筑科學(xué)研究院新主樓13A（100013）；010-64694335；E-mail:kezunyouskd@163.com