趙錦超
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“三集一體”空調(diào)機組在某游泳館的設(shè)計與應(yīng)用
趙錦超
(上??萍即髮W(xué) 上海 201210)
“三集一體”空調(diào)機組集除濕、空氣調(diào)節(jié)和池水加熱于一體,通過回收和利用冷卻除濕后制冷劑具有的能量,可運用于不同運行工況,具有顯著的節(jié)能效果。通過上海地區(qū)某高校的游泳館工程實例,從主要參數(shù)的設(shè)計計算、空氣處理過程、設(shè)備選型和典型運行工況等方面介紹了“三集一體”空調(diào)機組的系統(tǒng)原理和設(shè)計應(yīng)用。
游泳館;除濕;空調(diào);池水加熱;節(jié)能
游泳館池廳內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計非常關(guān)鍵。針對游泳館的特點,空調(diào)系統(tǒng)需要關(guān)注和解決以下幾個方面:
(1)室內(nèi)溫濕度和空氣質(zhì)量控制。
泳池廳內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)首先要滿足室內(nèi)溫濕度恒定的要求。根據(jù)國際游泳協(xié)會(FINA)規(guī)定,泳池水溫標(biāo)準(zhǔn)為26±1℃[1]。為保證人員在出水后和入水前的舒適性,池廳空氣溫度應(yīng)高于池水溫度1℃~2℃,相對濕度一般為60%~70%,不應(yīng)大于75%,池區(qū)空氣流速控制不大于0.2m/s左右[2]。
其次,為滿足室內(nèi)恒溫泳池池水衛(wèi)生要求,常采用加液氯滅菌處理。隨著池水表面蒸發(fā),氯氣會散發(fā)到空氣中,當(dāng)含量超過1ppm時將危害人體,特別是當(dāng)相對濕度大于65%時,對人體健康的影響更大[3,4]。因此池廳內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)需要排出一定量的空氣或引入一定量的新風(fēng),以保證有害氣體濃度低于限值,同時滿足室內(nèi)人員的新風(fēng)需求,保證室內(nèi)空氣質(zhì)量。
(2)腐蝕和結(jié)露現(xiàn)象。
由于池水蒸發(fā)使空氣中有一定含量的氯,當(dāng)室內(nèi)濕度偏大時潮濕的含氯空氣會對裝飾材料和鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生腐蝕,嚴(yán)重的時候?qū)o(hù)結(jié)構(gòu)安全產(chǎn)生影響。并且空氣濕度偏大時容易在圍護(hù)結(jié)構(gòu)表面結(jié)露,加快腐蝕圍護(hù)結(jié)構(gòu),破壞墻體保溫層,影響保溫效果。結(jié)露主要發(fā)生在冬季或梅雨季節(jié),可以產(chǎn)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面(結(jié)露),也可以產(chǎn)生在圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)部(滲透)[5]。防腐蝕、防結(jié)露是室內(nèi)泳池設(shè)計中普遍存在的問題[6],一直以來也是游泳館空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的重點和難點之一。
(3)能源問題。
有資料顯示,游泳池內(nèi)90%以上的能量損失是由于蒸發(fā)造成的,這部分能量大部分以水汽(潛熱)的形式存在池廳空氣中[4]。一般游泳館池廳所需通風(fēng)量都較大,無論采用通風(fēng)除濕還是冷卻除濕方式,前者在冬季時會造成室內(nèi)的熱量損失較大,后者在夏季時會造成較大的室內(nèi)冷負(fù)荷。同時為補充游泳池?fù)p失的能量,在傳統(tǒng)的方式中池水處理系統(tǒng)需不斷消耗熱源來維持水溫恒定。室內(nèi)恒溫泳池水處理和維持室內(nèi)恒溫恒濕環(huán)境的能耗很高,場館的日常運行成本很大。因此節(jié)能降耗是游泳館空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計必須考慮和重視的問題。
針對以上問題,與傳統(tǒng)的游泳館空調(diào)通風(fēng)設(shè)備相比,“三集一體”恒溫除濕空調(diào)機組集除濕、空調(diào)和池水加熱于一體,可大量回收并綜合利用能量,克服高濕、高氯環(huán)境等諸多問題,并可實現(xiàn)多工況運行,以適應(yīng)不同季節(jié)的要求,是一項非常好的節(jié)能產(chǎn)品[7]。
本工程為上海某高校游泳館,該游泳館位于學(xué)術(shù)交流中心裙樓一層西側(cè),建筑高度11m,泳池廳面積2350m2,內(nèi)設(shè)25m×50m標(biāo)準(zhǔn)泳池,平均水深1.85m,泳池水容量2375m3。泳池廳建筑屋頂采用鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu),四周為鋼筋混凝土墻和部分玻璃幕墻圍護(hù)。該游泳館以娛樂為主,不用于正規(guī)比賽,因而該泳池廳不設(shè)觀眾席,如圖1所示。
圖1 游泳館池廳
泳池廳空調(diào)系統(tǒng)采用“三集一體”恒溫除濕空調(diào)機組(以下稱空調(diào)機組)進(jìn)行通風(fēng)換氣和溫濕度控制,冬季結(jié)合地板低溫?zé)崴椛湎到y(tǒng)輔助采暖??照{(diào)機組設(shè)置于二層的空調(diào)機房內(nèi),通過送、回、新、排風(fēng)管組成完整的風(fēng)系統(tǒng)回路,池廳內(nèi)氣流方向為頂送底回。
表1 泳池廳室內(nèi)設(shè)計參數(shù)
表2 室外設(shè)計參數(shù)
池廳內(nèi)的熱濕空氣經(jīng)過回風(fēng)管道進(jìn)入空調(diào)機組,與室外新風(fēng)混合后,通過蒸發(fā)器盤管。熱濕空氣在蒸發(fā)器內(nèi)與機組制冷劑發(fā)生熱交換,制冷劑吸收熱量使空氣溫度降至其露點以下,達(dá)到冷凝除濕、干燥空氣的作用。液態(tài)制冷劑則因吸收熱量變?yōu)榈蜏氐蛪旱臍鈶B(tài)制冷劑,并進(jìn)入空調(diào)機組壓縮機變?yōu)楦邷貧鈶B(tài)制冷劑。壓縮機出口的制冷劑包含了從空氣中吸收的熱量和壓縮機對冷媒做功的能量。這種高溫氣態(tài)制冷劑可以選擇流過空氣再熱器、池水加熱器以及室外冷凝器(室外機)。
當(dāng)冷凝除濕后的空氣需要再熱時,可使高溫氣態(tài)制冷劑進(jìn)入空氣再熱器,加熱空氣使其溫度升高;當(dāng)泳池水需要輔助加熱時,可使高溫氣態(tài)制冷劑進(jìn)入池水加熱器,加熱池水使其溫度升高;當(dāng)無需回收這部分熱量時,可使制冷劑進(jìn)入室外冷凝器與外界空氣換熱。無論何種方式,最后制冷劑仍變?yōu)橐簯B(tài)并流回蒸發(fā)器完成一個熱力循環(huán)。同時機組配置了熱水盤管作為輔助熱源加熱空氣。
空調(diào)機組工作原理及流程詳見圖2。從節(jié)能降耗角度出發(fā),應(yīng)最大可能利用冷凝除濕后制冷劑吸收的熱量,減少室外冷凝器的排熱量。并且也可回收蒸發(fā)盤管的冷凝水至泳池水處理系統(tǒng),減少日常運行所需補水量。在過渡季節(jié),可視情況開啟排風(fēng)、關(guān)閉壓縮機,直接引入室外新風(fēng)除濕,以利節(jié)能。
圖2 “三集一體”空調(diào)機組系統(tǒng)原理
1.4.1 新風(fēng)量(L)計算
一般游泳館池廳內(nèi)新風(fēng)量的確定應(yīng)通過以下計算確定:
(1)滿足室內(nèi)人員所需新風(fēng)量,按照30m3/(人·h)考慮。
L=30×(1250/6)=6250m3/h,其中人數(shù)按池區(qū)內(nèi)6m2/人考慮。
(2)滿足室內(nèi)空氣中的氯氣濃度的衛(wèi)生要求為1PPM以內(nèi)。娛樂性的游泳館按1h-1的換氣次數(shù)可以滿足此要求[8]。但此處為高大空間,換氣次數(shù)取0.5h-1考慮即可[9]。
L=0.5×2300×11=12650m3/h
(3)按ASHRAE標(biāo)準(zhǔn),最小新風(fēng)量與室內(nèi)泳池面積比值為8.64m3/(h·m2)。
L=8.64×1250=10800m3/h
取以上各項計算所得最大值,并考慮10%的系數(shù),L=14000m3/h。
1.4.2 泳池廳濕負(fù)荷計算
(1)泳池區(qū)蒸發(fā)量(1)
池水蒸發(fā)量可按下式計算:
1=(0.0174V+0.0229)×(P-P)×F×760/(1)
式中,1游泳池水面蒸發(fā)量kg/h;V為泳池池面風(fēng)速,取0.2m/s;F為室內(nèi)泳池水面面積;P為26℃水表面溫度飽和空氣水蒸汽分壓,取25.1mmHg;P為28℃泳池空間空氣的水蒸氣分壓,取17.2mmHg;為當(dāng)?shù)卮髿鈮毫Γ?50mmHg。
1=264kg/h
(2)人體散濕量(2)
2=××/1000 (2)
式中,W為人體散濕量kg/h;為人數(shù)(按池區(qū)內(nèi)6m2/人考慮);為群體系數(shù),取0.92;為人體散濕量,取120g/h。
2=25kg/h
(3)新風(fēng)濕負(fù)荷(3)
W=L××(d-d)/1000 (3)
式中,W為新風(fēng)濕負(fù)荷,kg/h;L為新風(fēng)量,取14000m3/h;為空氣密度,取1.15kg/m3;d為室外空氣含濕量,夏季取21.2g/kg,冬季取2.35g/kg;d為室內(nèi)空氣含濕量,取15.47g/kg。
夏季新風(fēng)濕負(fù)荷3=92kg/h;冬季新風(fēng)濕負(fù)荷3=-211kg/h。
(4)總濕負(fù)荷
室內(nèi)濕負(fù)荷:W=1+2=289kg/h
夏季總濕負(fù)荷:=1+2+3=381kg/h
冬季總濕負(fù)荷:=1+2+3=78kg/h
1.4.3 池水耗熱量(Q)計算
為維持游泳池內(nèi)水溫,需補償池水耗熱量。池水耗熱量由池水面蒸發(fā)損失的熱量、池底池壁管道和凈化設(shè)備等傳導(dǎo)損失熱量、補充新鮮水加熱所需熱量組成[1]。
(1)池水面蒸發(fā)損失的熱量(Q1)
Q1=×1(4)
式中:為26℃水溫時水的蒸發(fā)潛熱,kJ/kg;1為池水蒸發(fā)量,kg/h。
Q1=179kW
(2)池底池壁管道和設(shè)備等傳導(dǎo)損失熱量(Q2)
Q2一般以泳池水表面蒸發(fā)耗熱量的20%考慮,即Q2=35.8kW
(3)補充水加熱所需熱量(Q3)
Q3=××(t-t) (5)
式中:為水的比熱,取4.18kJ/(kg·K);為補水量,kg/h,按24小時5%的水容量計算;t為泳池水的溫度,取26℃;t為池水補水溫度,取15℃。
Q3=64kW
(4)池水耗熱量(Q)
Q=(Q1+Q2+Q3)×1.1=297kW
1.4.4 空調(diào)冷熱負(fù)荷計算
泳池廳室內(nèi)冷熱負(fù)荷可按常規(guī)方法計算,即夏季按不穩(wěn)定傳熱分別計算各種熱源引起的負(fù)荷,冬季按穩(wěn)定傳熱計算,將穩(wěn)定傳熱量作為空調(diào)房間的熱負(fù)荷。本工程室內(nèi)冷熱負(fù)荷通過空調(diào)負(fù)荷軟件計算。
(1)夏季負(fù)荷
①室內(nèi)冷負(fù)荷:
Q=玻+屋+墻+人+燈(6)
式中,玻為玻璃的夏季傳熱冷負(fù)荷,kW;屋為屋頂?shù)南募緜鳠崂湄?fù)荷,kW;墻為墻體的夏季傳熱冷負(fù)荷,kW;人為人員冷負(fù)荷,kW;燈為燈光冷負(fù)荷,kW。
1=264.5kW
②泳池水面以潛熱形式轉(zhuǎn)移到空氣中的熱量:
Q=W×/3600(kW) (7)
式中:W為室內(nèi)濕負(fù)荷,kg/h;為水的汽化潛熱,kJ/kg。
2=196kW
③室內(nèi)總冷負(fù)荷:
3=1+2=460.5kW
④新風(fēng)冷負(fù)荷:
4=L××(h-h)/3600(kW) (8)
式中:L為新風(fēng)量,m3/h;為空氣密度,kg/m3;h為室外空氣焓值,取90kJ/kg;h為室內(nèi)空氣焓值,取67.6kJ/kg。
4=100kW
⑤夏季總冷負(fù)荷:
=3+4=560.5kW
(2)冬季負(fù)荷
①室內(nèi)熱負(fù)荷:
Q’=玻+屋+墻(9)
1=331.5kW
②冬季空氣向水面放熱:
2=×(t-)×F(10)
式(10)中:為對流換熱系數(shù),取10J/(m2·s·℃);t為室內(nèi)溫度,取28℃;為水溫,取26℃;F為泳池面積。
2=25kW
③室內(nèi)總熱負(fù)荷:
3=1+2=356.5kW
④新風(fēng)熱負(fù)荷:
4=L××(h-h)/3600=286kW
其中,h為室外空氣焓值,取3.65kJ/kg。
⑤冬季總熱負(fù)荷:
=3+4=642.5kW
1.4.5 空氣處理過程
(1)夏季工況
圖3 夏季工況空氣處理過程
夏季工況空氣處理過程見圖3。為防止室內(nèi)空氣中結(jié)露,送風(fēng)溫度應(yīng)高于室內(nèi)露點溫度1~2℃,取t=22℃。由熱濕比=3/W=5736kJ/kg,查焓濕圖得=56.1kJ/kg,=13.4g/kg。
Q=××(h-h)/3600=460.5kW
計算得總送風(fēng)量=125400m3/h,回風(fēng)量L=-L=111400m3/h,一次回風(fēng)混合狀態(tài)點d= 16.1g/kg、h=70.1kJ/kg。
由d=d=13.4g/kg,設(shè)備除濕量Δ=××(d-d) =389kg/h>,即可滿足夏季總濕負(fù)荷的除濕要求。
設(shè)備總冷量:Q=××(h-h)/3600=624.5kW。
再熱量:5=××(h-h)/3600=64kW。
由上計算可見,夏季工況條件下空氣再熱器可完全承擔(dān)空氣再熱量5,池水加熱器也可完全承擔(dān)池水耗熱量Q。
(2)冬季工況
冬季游泳池廳內(nèi)散濕量與夏季相同。按照7℃送風(fēng)溫差、d=13.4g/kg,考慮送風(fēng)狀態(tài)點O’,t=35℃,h=73.0kJ/kg,在送風(fēng)量不變時可滿足冬季室內(nèi)濕負(fù)荷的除濕要求。
圖4 冬季工況空氣處理過程
空調(diào)送風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)熱負(fù)荷:××(h-h)/3600 =216kW,其余室內(nèi)熱負(fù)荷(356.5-216= 140.5kW)由池廳內(nèi)地板低溫輻射采暖系統(tǒng)承擔(dān)。冬季工況空氣處理過程見圖4。
冬季工況條件下,一次回風(fēng)混合狀態(tài)點d=14.0g/kg。由d=d=13.4g/kg、機器露點=90%,查焓濕圖得h=54.5kJ/kg。
機組除濕量:=××(d-d)=86.5kg/h>,即可滿足冬季總濕負(fù)荷的除濕要求。
機組制熱量:××(h-h)=741kW。
由上計算結(jié)果可見,冬季工況下冷凝除濕量較小,機組制冷劑吸收的熱量無法使空氣再熱器滿足全部制熱量,需通過熱水盤管輔助加熱。
1.4.6 設(shè)備選型
該游泳池廳內(nèi)設(shè)置2臺“三集一體”恒溫除濕空調(diào)機組,設(shè)備主要參數(shù)見表3。
表3 設(shè)備主要參數(shù)
注:1.熱水盤管進(jìn)(出)水溫度:冬季60/50℃;2.機組過濾段均為板式粗效過濾(G4)+靜電中效過濾(F7)
(1)除濕
濕度控制是游泳館池廳內(nèi)空氣調(diào)節(jié)的主要目的之一。由計算分析可知,無論冬季還是夏季,池廳內(nèi)濕負(fù)荷都很大,因此冷卻除濕是機組運行的常態(tài)。本工程空調(diào)機組將濕度控制作為壓縮器啟停的唯一條件,即室內(nèi)濕度超過設(shè)定值時壓縮機工作,反之則壓縮機停止工作。
(2)空調(diào)制冷
夏季工況時,新風(fēng)與回風(fēng)混合后在蒸發(fā)器內(nèi)冷卻除濕,并在空氣再熱器內(nèi)吸收熱量升溫,使空調(diào)送風(fēng)達(dá)到溫濕度要求。因此在制冷模式時,設(shè)定空調(diào)機組優(yōu)先啟用空氣再熱器,多余熱量再用來輔助加熱泳池水或由室外冷凝器排熱。
(3)空調(diào)制熱
冬季工況時蒸發(fā)器內(nèi)除濕量遠(yuǎn)小于夏季工況,且混合空氣仍先被降溫冷卻,空氣再熱器的放熱量無法使冷卻后的空氣再熱至送風(fēng)溫度。因此在制熱模式時,應(yīng)啟用熱水盤管輔助加熱,由出風(fēng)溫度控制熱水盤管入口處電動閥開度,使出風(fēng)溫度穩(wěn)定在設(shè)定范圍??照{(diào)熱水熱源由校區(qū)分布式能源站提供,冬季供回水溫度60/50℃。
(4)池水加熱
在本工程中,池水加熱模式定位為輔助加熱和系統(tǒng)節(jié)能作用。因此只有在蒸發(fā)器除濕量較大,制冷劑吸收較大量的汽化潛熱且有富余情況下,才啟用池水加熱器輔助加熱。
(5)通風(fēng)
在過渡季節(jié),當(dāng)室外空氣濕度與室內(nèi)接近時,且室外溫度也在可接受范圍內(nèi)時,則可啟用通風(fēng)模式,直接排出室內(nèi)部分熱濕空氣并引入新風(fēng),減少機組壓縮機的啟用,達(dá)到節(jié)能降耗目的。
游泳館池廳內(nèi)濕負(fù)荷較大,利用空調(diào)系統(tǒng)冷卻除濕能耗較高,如何回收和利用冷卻除濕所吸收的潛熱是系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵?!叭惑w”空調(diào)機組可通過冷凝再熱、池水加熱等方式回收部分汽化潛熱,較好地解決了除濕、空調(diào)和池水加熱的問題,具有很大的應(yīng)用前景。通過本工程實例,介紹了“三集一體”空調(diào)機組的系統(tǒng)原理、設(shè)計計算、設(shè)備選型和典型運行工況,希望能為其他游泳館空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計或運用提供借鑒和思路。
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Design and Application of “Three in One” Air-conditioning Units in a Natatorium
Zhao Jinchao
( Shanghai Technology University, Shanghai, 201210 )
The "three in one" air conditioning units are integrated with dehumidification, air conditioning and pool water heating. They have remarkable energy saving effect because of recovering and utilizing energy of refrigerant after cooling dehumidification in different operating conditions. Through the project of a natatorium in Shanghai, system principle and design application of “three in one” air-conditioning units is introduced by design and calculation of the main parameters, air handling process, selection of equipment and typical operating conditions, etc.
Natatorium; Dehumidification; Air-conditioning; Pool water heating; Energy saving
TU831.3
A
趙錦超(1984.03-),男,碩士研究生,工程師,E-mail:zjc_0334@126.com
2018-01-03
1671-6612(2018)05-534-06