陳震宇

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 福建福州 350001)

0 引言

隨著時(shí)代進(jìn)步和科技發(fā)展，作為公共建筑能耗大戶(hù)——空調(diào)系統(tǒng)，其能效受到越來(lái)越多的關(guān)注。在集中空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，冷水(熱泵)機(jī)組的滿(mǎn)負(fù)荷性能系數(shù)(COP)以及綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)(IPLV)，作為評(píng)價(jià)單臺(tái)冷水(熱泵)機(jī)組性能的2個(gè)重要指標(biāo)，被廣泛引用于能耗預(yù)評(píng)估、設(shè)計(jì)選型。在實(shí)際工程應(yīng)用中，除了少數(shù)小型工程僅設(shè)1臺(tái)冷水(熱泵)機(jī)組，其余項(xiàng)目均采用多臺(tái)機(jī)組搭配組合的型式。顯見(jiàn)，用單臺(tái)機(jī)組的指標(biāo)不能準(zhǔn)確衡量整個(gè)冷水(熱泵)機(jī)組群的整體性能。

基此，筆者以福州(夏熱冬暖地區(qū))的海峽青年交流營(yíng)地-會(huì)展中心項(xiàng)目為例，結(jié)合當(dāng)?shù)貧庀筚Y料、建筑物負(fù)荷特性、冷水(熱泵)機(jī)組配置及運(yùn)行策略，闡述冷水(熱泵)機(jī)組選型過(guò)程中應(yīng)注意的要點(diǎn)。

1 項(xiàng)目概況

海峽青年交流營(yíng)地，位于福州市馬尾區(qū)瑯岐鎮(zhèn)，作為海峽青年節(jié)的永久性營(yíng)地和福州承載兩岸青年活動(dòng)的重要基地，項(xiàng)目包括會(huì)展中心、活動(dòng)中心等多個(gè)單體建筑。其中，會(huì)展中心總建筑面積約為47 723.52m2，主要建筑功能，包括劇院、多功能廳、宴會(huì)廳、影廳、排練、辦公等。設(shè)計(jì)完成于2016年4月，并于2017年12月竣工驗(yàn)收，項(xiàng)目實(shí)景如圖1所示。

圖1 海峽青年交流營(yíng)地-會(huì)展中心實(shí)景圖

2 氣候特征

福州市地處夏熱冬暖地區(qū)、屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫為20～25℃；最冷月1～2月，最熱月7～8月。對(duì)《中國(guó)建筑熱環(huán)境分析專(zhuān)用氣象數(shù)據(jù)集》[1]進(jìn)行摘選、分析，福州地區(qū)典型年的室外干濕球溫度分布如圖2所示，夏季最高干濕球溫度為38℃/29.1℃。

圖3 夏季室外日平均干濕球溫度分布圖

如圖3所示，在每年最熱的7～8月，氣候呈持續(xù)高溫高濕，摘選8∶00～18∶00時(shí)段參數(shù)，其平均干球溫度在32～35℃，平均濕球溫度在25～28℃之間，考慮冷卻塔出水溫度與濕球溫度的逼近度在4℃左右?？梢哉J(rèn)為：福州地區(qū)夏季冷水(熱泵)機(jī)組群的冷卻水進(jìn)水溫度普遍在29～32℃之間；在6、7、9月，平均濕球溫度22℃左右，冷卻水進(jìn)水溫度平均在26℃左右。

3 空調(diào)負(fù)荷及冷水(熱泵)機(jī)組配置分析

3.1 空調(diào)負(fù)荷

該項(xiàng)目除排練、辦公用房采用變冷媒流量空調(diào)外，其余區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)采用集中空調(diào)系統(tǒng)(水系統(tǒng))，冷負(fù)荷約為4582kW，熱負(fù)荷約為1418kW，設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷如圖4所示。

圖4 夏季設(shè)計(jì)日逐時(shí)冷負(fù)荷分布圖

3.2 冷水(熱泵)機(jī)組群配置

空調(diào)冷熱源采用2臺(tái)水冷離心式冷水機(jī)組(單臺(tái)額定制冷量1601kW)+2臺(tái)螺桿式風(fēng)冷熱泵機(jī)組(單臺(tái)額定制冷量/制熱量為810kW/755.9kW)。冷水機(jī)組設(shè)置在地下一層冷凍機(jī)房?jī)?nèi)，風(fēng)冷熱泵設(shè)置在屋面，納入BAS系統(tǒng)集中控制。

3.3 冷水(熱泵)機(jī)組群運(yùn)行策略

該項(xiàng)目BAS系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量空調(diào)供回水溫差及流量計(jì)算實(shí)際空調(diào)冷/熱負(fù)荷，確定冷水(熱泵)機(jī)組群的啟停臺(tái)數(shù)，夏季隨著空調(diào)冷負(fù)荷增加，依次按：1臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組→1臺(tái)冷水機(jī)組→1臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組+1臺(tái)冷水機(jī)組→2臺(tái)冷水機(jī)組→1臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組+2臺(tái)冷水機(jī)組→2臺(tái)風(fēng)冷熱泵機(jī)組+2臺(tái)冷水機(jī)組的次序投入運(yùn)行，每臺(tái)機(jī)組按實(shí)際需求等比例調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷率。夏季各空調(diào)負(fù)荷率下的冷水(熱泵)機(jī)組群運(yùn)行情況如圖5所示。

圖5 夏季各空調(diào)負(fù)荷率下冷水(熱泵)機(jī)組群運(yùn)行情況

由圖5可知，在30%～100%空調(diào)負(fù)荷率區(qū)間，每臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷率均在75%以上，在5%～25%負(fù)荷率區(qū)間才會(huì)出現(xiàn)機(jī)組負(fù)荷率低于75%的情況。

3.4 空調(diào)負(fù)荷率分析

通過(guò)對(duì)空調(diào)冷負(fù)荷按類(lèi)別進(jìn)行拆解分析，設(shè)計(jì)工況下各類(lèi)空調(diào)冷負(fù)荷占比如表1所示。

表1 設(shè)計(jì)工況下各類(lèi)空調(diào)冷負(fù)荷占比一覽表

顯然，該項(xiàng)目作為海峽兩岸青年活動(dòng)的重要基地，具有人流密度較大，與之相關(guān)的人員冷負(fù)荷及新風(fēng)冷負(fù)荷占比高的會(huì)展類(lèi)建筑顯著特點(diǎn)。夏季在活動(dòng)前期準(zhǔn)備階段的空調(diào)負(fù)荷率可能低于30%，開(kāi)展活動(dòng)期間的空調(diào)負(fù)荷率必然在30%以上。

3.5 冷水(熱泵)機(jī)組的能效權(quán)重

綜上所述，對(duì)冷水(熱泵)機(jī)組群的配置、運(yùn)行策略及空調(diào)負(fù)荷率的分析可知：

(1)在空調(diào)低負(fù)荷率(0～30%)范圍內(nèi)，由于冷負(fù)荷及其時(shí)間權(quán)重較小，對(duì)系統(tǒng)整體性能影響較小，冷水機(jī)組、風(fēng)冷熱泵宜有較寬的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。

(2)在空調(diào)中、高負(fù)荷率(30%～100%)范圍內(nèi)，由于冷負(fù)荷及其時(shí)間權(quán)重較大，對(duì)系統(tǒng)整體性能影響較大，且機(jī)組負(fù)荷率普遍在75%以上，冷水機(jī)組、熱泵機(jī)組在高負(fù)荷率(如75%～100%)應(yīng)有較高的能效。

(3)同理可知，若機(jī)組群臺(tái)數(shù)增加，單臺(tái)冷水(熱泵)機(jī)組在高負(fù)荷率區(qū)的運(yùn)行時(shí)間還會(huì)繼續(xù)增加，低負(fù)荷率區(qū)的運(yùn)行時(shí)間繼續(xù)減少[2]。

顯而易見(jiàn)，為了達(dá)到冷水(熱泵)機(jī)組群的整體節(jié)能高效，設(shè)計(jì)選型過(guò)程更應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注的是高負(fù)荷率區(qū)間的能效，兼顧單臺(tái)機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍。

4 IPLV適用性

《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189-2015)[3]規(guī)定IPLV按下式計(jì)算：

IPLV=1.2%×A+32.8%×B+39.7%×C+26.3%×D

式中：A——100%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，冷卻水進(jìn)水溫度30℃/冷凝器進(jìn)氣干球溫度35℃；

B——75%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，冷卻水進(jìn)水溫度26℃/冷凝器進(jìn)氣干球溫度31.5℃；

C——50%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，冷卻水進(jìn)水溫度23℃/冷凝器進(jìn)氣干球溫度28℃；

D——25%負(fù)荷時(shí)的性能系數(shù)，冷卻水進(jìn)水溫度19℃/冷凝器進(jìn)氣干球溫度24.5℃。

以該項(xiàng)目案例的實(shí)際運(yùn)行工況而言，機(jī)組負(fù)荷率大都在75%～100%之間，冷卻水進(jìn)水溫度在26%～32℃之間，而IPLV顯然更側(cè)重于中、低負(fù)荷率性能系數(shù)(既25%～75%負(fù)荷率的性能系數(shù)權(quán)重更大)，且其標(biāo)定的冷卻水進(jìn)水溫度與夏熱冬暖地區(qū)高溫高濕氣候不相稱(chēng)(冷卻水進(jìn)水溫度普遍在26～32℃)。由此可見(jiàn)，IPLV非但不適用于評(píng)價(jià)多臺(tái)冷水(熱泵)機(jī)組群的部分負(fù)荷性能及實(shí)際能耗水平，即使是小型項(xiàng)目(僅設(shè)1臺(tái)機(jī)組的情況)也不能籠統(tǒng)地用IPLV直接衡量實(shí)際能耗水平。

5 設(shè)備選型及能效分析

5.1 設(shè)備選型

如上述分析，該項(xiàng)目設(shè)備選型應(yīng)著重注意如下指標(biāo)：

(1) 冷卻水溫度按定冷卻水進(jìn)水溫度考慮，以最不利工況(32℃)校核滿(mǎn)負(fù)荷冷量，以國(guó)標(biāo)工況(30℃)參與冷水(熱泵)機(jī)組群性能系數(shù)評(píng)價(jià)。

(2)冷凝器進(jìn)氣干球溫度按定值考慮，以夏季室外計(jì)算干球溫度(35.9℃)校核滿(mǎn)負(fù)荷冷量，以國(guó)標(biāo)工況(35℃)參與冷水(熱泵)機(jī)組群性能系數(shù)評(píng)價(jià)。

(3) 選取75%～100%負(fù)荷率下COP較高的設(shè)備。

該項(xiàng)目具體選型結(jié)果如表2所示。

表2 水冷離心式冷水機(jī)組國(guó)標(biāo)工況主要技術(shù)參數(shù)表(定頻)

備注:冷凍水溫度7/12℃，定冷卻水進(jìn)水溫度30℃。

表3 風(fēng)冷熱泵機(jī)組國(guó)標(biāo)制冷工況主要技術(shù)參數(shù)表

備注:冷凍水溫度7/12℃，定冷凝器進(jìn)氣干球溫度35℃。

5.2 冷水(熱泵)機(jī)組群性能系數(shù)評(píng)價(jià)

按夏季各負(fù)荷率下的冷水(熱泵)機(jī)組群的選型結(jié)果及運(yùn)行策略，可以測(cè)算出該項(xiàng)目各空調(diào)負(fù)荷率下的系統(tǒng)性能系數(shù)，如圖6所示。

圖6 夏季各空調(diào)負(fù)荷率下冷水(熱泵)機(jī)組群性能系數(shù)(冷水機(jī)組定頻)

如表2、表3及圖6所示，該項(xiàng)目配置的冷水(熱泵)機(jī)組群在空調(diào)負(fù)荷率20%以上的性能系數(shù)均在4.5kW/kW以上，大部分維持在5.0kW/kW以上；空調(diào)負(fù)荷率20%以下時(shí)，考慮氣溫有利因素，風(fēng)冷熱泵COP普遍能達(dá)到3.5kW/kW以上。綜上，該項(xiàng)目冷水(熱泵)機(jī)組群性能系數(shù)在夏季各空調(diào)負(fù)荷率區(qū)間均保持較高的水平，可以靈活、高效地應(yīng)對(duì)該會(huì)展建筑的空調(diào)負(fù)荷變化需求。

6 結(jié)論

(1)結(jié)合地處夏熱冬暖地區(qū)的福州地區(qū)典型年氣象條件分析，整個(gè)供冷季的冷卻水進(jìn)水溫度普遍在26℃以上，夏季氣溫最熱的7～8月呈持續(xù)高溫高濕，冷卻水進(jìn)水溫度普遍在29℃～32℃之間。

(2)會(huì)展建筑的人員、新風(fēng)負(fù)荷占比較高，其冷水(熱泵)機(jī)組群大部分處于中、高負(fù)荷率區(qū)間，單臺(tái)冷水機(jī)組、熱泵機(jī)組的機(jī)組負(fù)荷率普遍在75%以上，應(yīng)著重關(guān)注其高負(fù)荷率(75%～100%)區(qū)間的能效。

(3)IPLV適用于單臺(tái)機(jī)組綜合部分負(fù)荷性能的評(píng)價(jià)，但與福州地區(qū)夏季冷卻水溫持續(xù)較高、冷水(熱泵)機(jī)組群的運(yùn)行情況俱不相稱(chēng)，不足以直接用于判斷空調(diào)冷源的實(shí)際能耗水平。

(4)綜上分析可知，片面追求單臺(tái)機(jī)組的IPLV或COP，并不是解決空調(diào)冷源節(jié)能的萬(wàn)能鑰匙。夏熱冬暖地區(qū)大中型公共建筑的冷熱源進(jìn)行冷水(熱泵)機(jī)組群選型時(shí)，應(yīng)結(jié)合空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)及運(yùn)行策略等因素進(jìn)行綜合考慮。以該項(xiàng)目為例，建議選用定冷卻水溫(30℃)條件下、高負(fù)荷率區(qū)間COP高的機(jī)組，不必過(guò)分強(qiáng)調(diào)IPLV。