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(華南理工大學(xué)建筑設(shè)計研究院，廣州　510641)

0　引言

文化宮作為深受廣大群眾喜愛的綜合性公共文化設(shè)施，往往成為當(dāng)?shù)氐奈幕貥?biāo)。文化宮包含劇場、影院、展廳、咖啡廳等多種不同功能區(qū)域，因此具有內(nèi)部功能復(fù)雜多樣，高大空間場所較多的特點。對該類型建筑進行空調(diào)設(shè)計，需要因地制宜，既要滿足不同功能房間對不同室內(nèi)環(huán)境的需求，還需要在滿足這些條件的同時，結(jié)合房間特點達到環(huán)保節(jié)能和經(jīng)濟合理的更高要求。

本文以河北廊坊市大廠縣民族宮為例，對地源熱泵在文化宮類建筑中的經(jīng)濟性和節(jié)能效果進行分析。該項目根據(jù)當(dāng)?shù)氐赜蚣皻夂驐l件，結(jié)合土壤源熱泵具有節(jié)能環(huán)保、自然環(huán)境再利用、舒適安全、性能穩(wěn)定等諸多優(yōu)點[1-2]，選用土壤源熱泵作為冷熱源。為了驗證方案的可行性，本文比較分析土壤源熱泵和冷水機組+市政熱網(wǎng)的經(jīng)濟性差異。以往的方案計算運行費用，是將系統(tǒng)COP考慮為定值計算空調(diào)供暖設(shè)計工況下系統(tǒng)功耗，乘以運行時間和同時使用系數(shù)，得出全年運行能耗[3-5]。該方法未考慮建筑物全年逐時空調(diào)負(fù)荷的波動，且未考慮主機COP隨負(fù)荷率的變化及主機運行策略對系統(tǒng)COP的影響；認(rèn)為空調(diào)系統(tǒng)在室外溫度恒定的條件下運行，過于簡化，得到結(jié)論甚至有可能與實際運行結(jié)果相反。本文提出一種新的計算方法，將上述因素都考慮在內(nèi)，得到結(jié)果更接近真實情況。結(jié)果表明土壤源熱泵相比常規(guī)的冷熱源形式的靜態(tài)驗證增量回收期為6年，在徐偉等人所述的4～10年內(nèi)[6]，說明采用土壤源熱泵在經(jīng)濟上是合理的。

除此之外，本文針對建筑內(nèi)的門廳等高大空間采用噴口側(cè)送+地板輻射供暖的設(shè)計，通過CFD軟件進行氣流組織模擬，結(jié)果表明，得到了良好的室內(nèi)熱舒適性，同時發(fā)現(xiàn)降低送風(fēng)溫差后，在維持室內(nèi)熱品質(zhì)同時降低了設(shè)備能耗，從而達到節(jié)能的目的。

1　工程概況

大廠縣民族宮是一座具有地域性宗教和文化特色的重要地標(biāo)性建筑，被知名建筑網(wǎng)站ArchDaily評為2017年度建筑獎，正面實景圖如圖1所示。位于河北省廊坊市大廠回族自治縣，臨近北京。總建筑面積3.2萬m2。地下一層，地上三層，總建筑高度為17.5 m，屬多層公共建筑。按建筑布局共分為A、B、C、D和E區(qū)，A、B區(qū)主要是展廳和活動室，C區(qū)主要為影院和辦公室，D區(qū)主要為辦公室和餐廳，E區(qū)主要是劇場、舞臺和辦公室，地下室位于D區(qū)負(fù)一層，主要是設(shè)備用房等。這些功能分區(qū)是通過一個三層通高的共享大廳連結(jié)起來。分區(qū)示意圖如圖2所示。

圖1　大廠縣民族宮正面實景圖

圖2　大廠縣民族宮分區(qū)示意圖

2　室內(nèi)設(shè)計參數(shù)及冷熱負(fù)荷

室內(nèi)設(shè)計參數(shù)如表1所示。根據(jù)房間功能特點及業(yè)主要求，除A、B區(qū)展廳和共享大廳設(shè)置地板輻射供暖外，其余地方都采用空調(diào)供熱，其冷熱負(fù)荷如表2所示。

表1室內(nèi)計算參數(shù)

房間名稱夏季冬季新風(fēng)量/m3·h-1·人-1人員密度/m2·人-1溫度/℃相對濕度溫度/℃相對濕度辦公室、研究室26≤7020—307會議室26≤7020—122舞臺26≤7020—233活動室26≤7020—122劇場觀眾廳26≤7020—121 150(人數(shù))展廳26≤7020—144餐廳26≤7020—251.5影院26≤7020—12按影廳人數(shù)門廳走廊26≤7020—105

表2建筑冷熱負(fù)荷

總負(fù)荷/kW冷熱指標(biāo)/W·m-2空調(diào)冷負(fù)荷3 306156空調(diào)熱負(fù)荷1 839136供暖熱負(fù)荷950119

3　冷熱源系統(tǒng)

根據(jù)建筑功能和使用特點，結(jié)合室外較寬廣的場地條件，最終采用土壤源熱泵機組作為系統(tǒng)的冷熱源。熱泵機組及水泵放置于D區(qū)負(fù)一層冷熱源機房內(nèi)，包括其他附屬設(shè)備。在建筑東面的綠地處設(shè)置地埋管換熱器，分為若干個環(huán)路，并聯(lián)后接入冷熱源機房內(nèi)。

3.1　全年動態(tài)負(fù)荷計算

全年土壤能否熱平衡是土壤源熱泵設(shè)計的關(guān)鍵，若出現(xiàn)熱失衡情況，會降低熱泵系統(tǒng)的性能[7]。筆者采用DEST軟件對建筑全年動態(tài)負(fù)荷進行模擬計算。室外環(huán)境設(shè)定為北京的全年氣候參數(shù)，民族宮空調(diào)系統(tǒng)運行時間設(shè)定為從8:00到18:00，冬季空調(diào)停止運行期間保證值班室的最低設(shè)定溫度為5℃，其余室內(nèi)設(shè)定參數(shù)依據(jù)表1。供冷季設(shè)為6月1日至9月30日，供暖季設(shè)為11月15日至次年3月15日。圖3為全年逐時負(fù)荷計算結(jié)果。

圖3　全年空調(diào)動態(tài)逐時負(fù)荷

考慮土壤源熱泵系統(tǒng)制冷COP為6.2，制熱COP為3.7，計算可得土壤全年總釋熱量為2 419 693 kW·h，全年總?cè)崃繛? 116 466 kW·h。在計算周期內(nèi)，總?cè)崃颗c總釋熱量的比值為0.46，小于0.8～1.25的規(guī)定范圍內(nèi)[8]，需要設(shè)置輔助冷源。

3.2　系統(tǒng)配置

根據(jù)上述計算結(jié)果，本系統(tǒng)共選用2臺螺桿式熱泵機組，單臺機組的制冷量和制熱量分別為1 650 kW和1 515 kW。供冷時，末端側(cè)冷凍水供回水溫度為7/12℃，地源側(cè)設(shè)計供回水溫度為33/28℃；供熱時，末端側(cè)熱水供回水溫度為55/45℃，地源側(cè)設(shè)計供回水溫度為4/8℃。與熱泵機組相連的末端側(cè)水泵和地源側(cè)水泵分別配置3臺變頻泵，其中一臺備用，與熱泵機組連鎖運行。

3.3　地埋管換熱系統(tǒng)

室外地埋管換熱器采用垂直埋管方式，水平集管采用同程式連接，地源側(cè)分集水器設(shè)置在冷熱源機房內(nèi)，匯集之后接入熱泵機組。根據(jù)熱物性測試報告，土壤換熱器夏季換熱量為73.81 W/m，冬季換熱量為32.39 W/m，換熱孔深度為100 m。在計算換熱孔數(shù)量時，考慮10%的富裕量，共配置738個換熱孔，換熱孔間距為5×5 m，分為四個區(qū)域。換熱孔徑為140～152 mm，孔內(nèi)設(shè)置雙U型DN32的聚乙烯換熱管。按此布置地埋管的夏季換熱量為5 447 kW，冬季換熱量為2 390 kW。滿足土壤源熱泵機組的冬季換熱要求2 250 kW。

3.4　輔助冷卻塔選型

根據(jù)全年動態(tài)負(fù)荷計算的結(jié)果，本工程土壤的夏季釋熱量大于冬季取熱量，需要設(shè)置輔助冷源[9]。在設(shè)計工況下，夏季空調(diào)冷負(fù)荷和冬季空調(diào)供暖熱負(fù)荷分別為3 300 kW和2 790 kW，土壤換熱器的夏季釋熱量為3 850 kW，冬季取熱量為2 092.5 kW。根據(jù)兩者之差設(shè)計輔助冷卻裝置，故選用一臺流量為450 m3/h的冷卻塔供土壤源熱泵機組夏季使用，正好能滿足一臺熱泵機組制冷時的散熱量，將該臺冷卻塔和單臺主機串聯(lián)使用。冬季，需將冷卻塔水盤中的水排空，以防凍裂。主機原理圖如圖4所示。

4　空調(diào)供暖系統(tǒng)

4.1　空調(diào)水系統(tǒng)

(1)空調(diào)水路采用二管制一級泵變頻變流量系統(tǒng)。水系統(tǒng)工作壓力為0.6 MPa。

(2)空調(diào)末端水系統(tǒng)按照分區(qū)分成5個環(huán)路。空調(diào)機組、新風(fēng)機組水路電動閥采用比例積分電動二通閥，風(fēng)機盤管水路電動閥采用三速溫控開關(guān)二通閥。這樣用戶側(cè)水量變流量運行，有利于水泵變頻節(jié)能。

(3)空調(diào)水系統(tǒng)采用自動補水真空噴射排氣定壓裝置。補水定壓裝置設(shè)在冷熱源機房內(nèi)。

4.2　空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

(1)觀眾廳、展廳及影院等人員密集且長期停留的高大空間采用低速單風(fēng)道空氣系統(tǒng)，送風(fēng)口采用電動旋流風(fēng)口，集中頂部送風(fēng)，頂部回風(fēng)。

(2)共享大廳等高大空間采用低速單風(fēng)道系統(tǒng)，送風(fēng)口采用噴口側(cè)送風(fēng)，集中回風(fēng)。其中共享大廳還在高位設(shè)置排風(fēng)口，將高處非空調(diào)區(qū)的熱空氣排走。

(3)個人辦公室、多功能廳、餐廳包間、化妝室等小面積房間采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。

4.3　供暖系統(tǒng)

供暖熱源同樣來自于土壤源熱泵系統(tǒng)，熱水供回水溫度為55/45℃。A、B區(qū)首層展廳及共享大廳設(shè)置地板輻射供暖系統(tǒng)，采用上供上回雙管同程式布置。地暖分集水器上設(shè)置溫控裝置，溫控面板安裝在大廳側(cè)墻上。

圖4　土壤源熱泵主機側(cè)系統(tǒng)原理圖

5　方案經(jīng)濟性分析比較

將常規(guī)冷水機組+市政熱網(wǎng)作為空調(diào)系統(tǒng)的冷源為方案一，本設(shè)計中的土壤源熱泵系統(tǒng)作為方案二。各方案的主要設(shè)備選型如表3所示。

表3各方案主要設(shè)備表

方案一設(shè)備及參數(shù)方案二設(shè)備及參數(shù)主機螺桿式冷水機組,制冷量1 600 kW,功率330 kW,2臺螺桿式熱泵機組,制冷量1 650 kW,制冷功率260 kW,制熱量1 500 kW,制熱功率428 kW,2臺板換板式換熱器,換熱量2 000 kW,2臺無水泵冷凍水泵,流量300 m3/h,揚程320 kPa,功率45 kW,3臺冷卻水泵,流量360 m3/h,揚程260 kPa,功率45 kW,3臺熱水泵,流量130 m3/h,揚程220 kPa,功率22 kW,3臺末端側(cè)水泵,流量320 m3/h,揚程280 kPa,功率45 kW,3臺地源側(cè)水泵,流量340 m3/h,揚程280 kPa,功率37 kW,3臺冷卻水泵,流量360 m3/h,揚程280 kPa,2臺冷卻塔橫流式冷卻塔,流量450 m3/h,功率15 kW,2臺閉式冷卻塔,流量450 m3/h,功率55 kW,1臺

5.1　供冷季運行能耗及費用

主機是整個空調(diào)系統(tǒng)中核心組成部件，也是耗能占比最大的部件。因此如何準(zhǔn)確的計算主機能耗是運行費用計算的關(guān)鍵所在。

由于方案一和方案二都選用2臺主機并聯(lián)運行，而單臺主機COP隨建筑負(fù)荷率的變化并不能完全反應(yīng)整個冷熱源加權(quán)COP隨負(fù)荷率的變化情況，還需考慮主機運行策略對加權(quán)COP的影響。系統(tǒng)加權(quán)COP可按式(1)計算

(1)

式中COP(σ)——單臺主機在負(fù)荷率為σ的COP值;

n——主機運行臺數(shù);

φ——系統(tǒng)承擔(dān)建筑的負(fù)荷率;

Q0——建筑空調(diào)設(shè)計冷負(fù)荷[10]。

系統(tǒng)部分負(fù)荷下的加權(quán)COP如表4所示。

本文基于DEST軟件計算的全年動態(tài)空調(diào)逐時負(fù)荷，轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)承擔(dān)逐時負(fù)荷率φ，通過表4查得系統(tǒng)加權(quán)COP，得到該時刻主機能耗，最后將逐時主機能耗累積為供冷季主機總能耗。主機供冷季的年耗電量W

(2)

式中W——主機機組年耗電量；

Qi——建筑物逐時空調(diào)冷負(fù)荷；

COPi——第i個時刻的系統(tǒng)加權(quán)COP值。

表4不同方案下機組的部分負(fù)荷COP

負(fù)荷率/[%]102030405060708090100冷水機組單臺COP—3.704.424.845.035.215.335.345.235.00冷水機組加權(quán)COP3.704.845.215.345.005.215.335.345.235.00土壤源熱泵單臺供冷COP—5.406.296.716.875.806.006.156.216.20土壤源熱泵加權(quán)供冷COP5.406.715.806.156.205.806.006.156.216.20土壤源熱泵單臺供熱COP—3.213.633.843.943.473.563.643.683.68土壤源熱泵加權(quán)供熱COP3.213.843.473.643.683.473.563.643.683.68

水泵及冷卻塔的能耗計算僅考慮對應(yīng)主機加載卸載時臺數(shù)變化的影響。值得一提的是，方案二在建筑負(fù)荷率φ≤50%下，優(yōu)先采用地埋管換熱器散熱而非冷卻塔，以便于土壤的恢復(fù)。計算得到各方案供冷季的運行能耗及費用數(shù)據(jù)如表5所示。

表5各方案供冷季運行能耗及費用

方案一方案二主機能耗/kW·h4.19×1053.47×105水泵及冷卻塔等能耗/kW·h2.74×1052.37×105電量/kW·h6.93×1055.84×105運行費用/萬元52.6744.38

注：電價按0.76元/kW·h計算。

5.2　供熱季運行能耗及費用

土壤源熱泵系統(tǒng)供熱季的運行能耗及費用計算與供冷季并無差別，只是方案一還需要計算市政熱網(wǎng)的供熱費用。土壤源熱泵供熱的部分負(fù)荷性能系數(shù)及系統(tǒng)的加權(quán)COP如表4所示。各方案供熱季的運行能耗及費用數(shù)據(jù)如表6所示。

表6各方案供熱季運行能耗及費用

方案一方案二主機能耗/kW·h04.1×105水泵等能耗/kW·h6.6×1041.9×105耗電量/kW·h6.6×1046.0×105電費/萬元5.045.8供熱費用/萬元121.60合計/萬元126.645.8

注：熱價按供暖季38元/m2計算。

5.3　經(jīng)濟性比較

根據(jù)上述運行費用計算結(jié)果，結(jié)合各方案的初投資費用，經(jīng)濟性匯總表格如表7所示。從表中看出采用土壤源熱泵系統(tǒng)雖然初投資比常規(guī)冷熱源方案大，但由于熱泵效率高，年運行費用節(jié)省49%，靜態(tài)增量回收期為6年。因此采用土壤源熱泵系統(tǒng)具有較高的經(jīng)濟性。

表7方案的經(jīng)濟性比較

方案一方案二初投資費用/萬元275.3792.4年運行費用/萬元179.2690.20靜態(tài)增量回收期/年6

6　共享大廳的氣流組織模擬

除了系統(tǒng)設(shè)計的經(jīng)濟合理以外，室內(nèi)的熱舒適性也是空調(diào)設(shè)計的重點。大廠民族宮中的共享大廳作為門廳連通不同分區(qū)長寬皆為84 m，凈高最低處有15.7 m，最高處有16.9 m，為高大空間，而且屋頂皆為采光天窗，太陽輻射較強。根據(jù)房間功能及空間特點，在側(cè)墻四周離地7.2 m高及8.8 m高處裝設(shè)兩排球形噴口側(cè)噴，同時在側(cè)墻高位裝設(shè)排風(fēng)口。側(cè)噴氣流將上部非空調(diào)區(qū)和下部人員活動空調(diào)區(qū)分隔開，且上部非空調(diào)區(qū)空氣吸收太陽輻射熱量之后，在影響下部空間之前就被高位排風(fēng)口排走，這樣便降低了空調(diào)負(fù)荷，節(jié)省空調(diào)能耗。并同時設(shè)置地板輻射供暖，在冬季提高下部空調(diào)區(qū)室內(nèi)熱舒適性的同時降低了空調(diào)供熱能耗。

現(xiàn)將該空間物理模型簡化為一個規(guī)則的長方體，如圖5所示。通過CFD模擬軟件模擬該空間的溫度場，觀察室內(nèi)熱舒適性效果能否滿足使用要求。在夏季供冷工況，當(dāng)噴口角度為30°時，改變送風(fēng)溫度從18℃到22℃，得到溫度分布如圖6～圖9所示。

圖5　共享大廳氣流組織模擬物理模型

圖6　送風(fēng)溫度為18℃時噴口剖切面溫度場分布圖

圖7　送風(fēng)溫度為20℃時噴口剖切面溫度場分布圖

圖8　送風(fēng)溫度為22℃時噴口剖切面溫度場分布圖

從圖6可知，在送風(fēng)溫度為18℃時，1.8 m高的溫度基本上都在24℃以下。該溫度范圍是低于26℃的要求，室內(nèi)人員總體感覺偏冷。由圖8可知，當(dāng)送風(fēng)溫度為22℃時，上部空間未受噴口射流影響的區(qū)域，溫度可以達到30℃以上，而下部空調(diào)區(qū)溫度普遍在27℃以下。且1.8 m高的溫度場基本上都在25～28℃的范圍內(nèi)，滿足國家規(guī)范的要求。由此可見，設(shè)置噴口側(cè)送的分層空調(diào)，因僅需保證下部空間的室內(nèi)熱舒適性，在合理范圍內(nèi)降低噴口的送風(fēng)溫差，可以提供較好的室內(nèi)熱舒適性，同時可以減少空氣處理機組的供冷量，降低空調(diào)負(fù)荷，節(jié)約設(shè)備能耗。

在冬季供暖工況，當(dāng)側(cè)送噴口角度為-20℃及地暖輻射表面溫度在32℃時，空調(diào)送風(fēng)溫度為20℃的情況下的溫度分布，其剖面圖9所示。在有地暖供熱的情況下，送風(fēng)溫度低至20℃時，下部人員活動區(qū)的溫度基本都在18℃以上，分布較為均勻，滿足人體舒適性要求。當(dāng)送風(fēng)溫度為20℃時，送風(fēng)溫差為2℃，遠遠低于常規(guī)設(shè)計的送風(fēng)溫差10℃，同樣也能降低空氣處理機組的供熱量，達到降低空調(diào)負(fù)荷從而節(jié)能的目的。因此，在室內(nèi)熱舒適性要求不高的場合，可以只送稍微加熱處理過的新風(fēng)，就可以滿足室內(nèi)人員舒適性和衛(wèi)生要求，同時還降低了能耗。

圖9　送風(fēng)溫度為20℃的噴口剖切面溫度分布圖

7　結(jié)語

本文主要有以下幾項內(nèi)容：

(1)介紹了大廠縣民族宮的空調(diào)設(shè)計。根據(jù)建筑特點和場地條件，因地制宜設(shè)計土壤源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，并計算該建筑全年動態(tài)空調(diào)負(fù)荷，為主機設(shè)備選型提供相關(guān)依據(jù)。

(2)比較土壤源熱泵系統(tǒng)與常規(guī)的冷水機組+市政熱網(wǎng)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。在考慮主機運行策略的影響下，根據(jù)主機COP與負(fù)荷率的對應(yīng)關(guān)系，計算逐時主機能耗并匯總，計算出年運行費用；結(jié)合初投資，得出土壤源熱泵相對常規(guī)的冷熱源方案的靜態(tài)增量回收期為6年，本設(shè)計采用土壤源熱泵作為冷熱源是合理可行的。土壤源熱泵目前遭受了許多爭議，有些項目經(jīng)濟效益差，但是我們認(rèn)為，在因地制宜的情況下，設(shè)計合理的土壤源熱泵也可以達到良好的經(jīng)濟性。

(3)對共享大廳進行了氣流組織模擬，發(fā)現(xiàn)空調(diào)噴口側(cè)送+地板輻射供暖的空調(diào)供暖形式非常適用于高大空間，該方式不僅可以達到更優(yōu)的室內(nèi)熱環(huán)境，同時又大大降低了設(shè)備能耗，值得推廣。

大廠縣民族宮的空調(diào)設(shè)計并沒有采用非常復(fù)雜非常創(chuàng)新的新技術(shù)，而是結(jié)合文化宮的特色與當(dāng)?shù)丨h(huán)境，采用了更為合適、更為合理的設(shè)計，例如土壤源熱泵、水泵變頻、噴口側(cè)送+地板輻射供暖的復(fù)合空調(diào)供暖等形式。這些設(shè)計不僅為群眾的休閑娛樂營造了良好的室內(nèi)環(huán)境，而且為業(yè)主降低了設(shè)備能耗，節(jié)省了運營成本。為今后的文化宮設(shè)計提供了參考。