0 引言

太陽(yáng)能是清潔的可再生能源，拉薩太陽(yáng)能資源極為豐富，該地區(qū)建筑利用太陽(yáng)能供暖能夠充分發(fā)揮其自然優(yōu)勢(shì)，減少化石能源的消耗及環(huán)境污染。但是太陽(yáng)能受天氣影響，存在不穩(wěn)定性和間歇性，并且太陽(yáng)輻照度與建筑熱負(fù)荷呈負(fù)相關(guān)。儲(chǔ)熱技術(shù)能夠很好地改善太陽(yáng)能的這些局限性，為更加高效地利用太陽(yáng)能提供可能。

近年來(lái)空氣源熱泵受到越來(lái)越多的關(guān)注，發(fā)展迅速。但其本身存在低溫性能差、冬季易結(jié)霜的問(wèn)題，若將太陽(yáng)能與空氣源熱泵聯(lián)合運(yùn)行，太陽(yáng)能可改善空氣源熱泵低溫性能差、易結(jié)霜的問(wèn)題，空氣源熱泵可彌補(bǔ)太陽(yáng)能的不穩(wěn)定性和間歇性，兩者互補(bǔ)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和節(jié)能效果[1]。

拉薩地區(qū)夏季涼爽，空氣干濕球溫差大，水蒸氣極易蒸發(fā)，將空氣中的熱量帶走，可提供免費(fèi)的自然冷源，有顯著的節(jié)能優(yōu)勢(shì)[2]。

1 工程概況

西藏話劇院位于拉薩市北京中路，總建筑面積約為5 390 m2，地上2層，建筑面積約為3 740 m2，地下1層，建筑面積約為1 650 m2，建筑高度21 m。主要使用功能包括：話劇排演舞臺(tái)，300人觀摩廳，化妝排練用房及配套的設(shè)備機(jī)房、庫(kù)房等。效果圖見(jiàn)圖1。

圖1 西藏話劇院效果圖

2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

該項(xiàng)目采用的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1，建筑負(fù)荷見(jiàn)表2。

表1 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 建筑負(fù)荷

3 冷熱源的確定

3.1 熱源

拉薩地區(qū)煤炭資源匱乏，燃煤和天然氣均須從外省運(yùn)輸進(jìn)藏，運(yùn)輸使用成本較高。西藏電力以水電為主，電力資源相對(duì)充足。當(dāng)?shù)啬耆照諘r(shí)長(zhǎng)3 021.6 h，年日照百分率68%，年累計(jì)太陽(yáng)輻照量高達(dá)7～8 GJ/m2，是我國(guó)太陽(yáng)輻射能量最豐富的地區(qū)。當(dāng)?shù)囟竞?，供暖系統(tǒng)應(yīng)確保室內(nèi)管道不凍結(jié)，并保證室內(nèi)人員的舒適度；夏季室外空氣干燥涼爽，干濕球溫差大，可以充分利用室外空氣通風(fēng)降溫和蒸發(fā)冷卻。

3.1.1太陽(yáng)能集熱器的分析與選擇

拉薩地區(qū)冬季溫度低，需要考慮太陽(yáng)能系統(tǒng)的防凍措施，真空管集熱器玻璃管遇到冰雹、風(fēng)沙等惡劣天氣易碎，有凍結(jié)和過(guò)熱風(fēng)險(xiǎn)；平板集熱器產(chǎn)生高溫水效率較低；槽式集熱器則沒(méi)有上述集熱器的缺點(diǎn)，它集熱效率高、集熱溫度高，有良好的防凍防過(guò)熱性能，集熱器有即時(shí)追蹤太陽(yáng)與自動(dòng)清洗功能。所以該項(xiàng)目使用槽式太陽(yáng)能集熱器。

太陽(yáng)能系統(tǒng)承擔(dān)的負(fù)荷為建筑的基礎(chǔ)運(yùn)行負(fù)荷(舞臺(tái)和觀眾廳不使用)，槽式集熱器集熱面積為3.9 m2/組，吸收率≥92%，發(fā)射率<9%，集熱器介質(zhì)工作溫度范圍為-30～300 ℃，可全天自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)，以確保最大的集熱效率。采用導(dǎo)熱油為換熱介質(zhì)，提高換熱效率，防止凍結(jié)。根據(jù)以下公式計(jì)算所需集熱器數(shù)量，其中，集熱器面積為

(1)

式中A為槽式集熱器面積，m2；τ為槽式集熱器每天的運(yùn)行平均時(shí)長(zhǎng)，h；Q為槽式太陽(yáng)能系統(tǒng)承擔(dān)的設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷，W；JC為槽式集熱器運(yùn)行期間當(dāng)?shù)氐娜掌骄?yáng)輻照量，J/(m2·d)；COP為太陽(yáng)能油水換熱器的能效比,取1；ηL為太陽(yáng)能系統(tǒng)熱損失率，取10%～15%；ηCD為槽式集熱器綜合轉(zhuǎn)換效率，取0.6。

槽式集熱器運(yùn)行期間,當(dāng)?shù)氐娜掌骄?yáng)輻照量，即槽式集熱器追蹤修正后的當(dāng)?shù)厮矫嬖缕骄?yáng)輻照量在計(jì)算周期內(nèi)的平均值，按式(2)計(jì)算：

(2)

式中ξ為太陽(yáng)能槽式集熱器追蹤修正系數(shù)；JT為當(dāng)?shù)厮矫嫒掌骄?yáng)總輻照量，J/(m2·d)；n為計(jì)算周期，對(duì)于供暖系統(tǒng)，指冬季供暖期折算為月的時(shí)間,對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)，指夏季供冷期折算為月的時(shí)間,對(duì)于生活熱水系統(tǒng)，n=12。

計(jì)算得出，該項(xiàng)目需集熱面積為362.0 m2，共需93臺(tái)槽式太陽(yáng)能集熱器。

3.1.2蓄熱裝置的分析與選擇

太陽(yáng)能有間歇性和能量波動(dòng)大的特點(diǎn)，所以需要使用蓄熱裝置將集熱器獲得的能量及時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，使用時(shí)再將熱量取出，可以解決太陽(yáng)能不連續(xù)、不穩(wěn)定的問(wèn)題，提高能量利用效率。

相變材料蓄熱容量大、蓄熱密度高，蓄放熱過(guò)程中系統(tǒng)熱穩(wěn)定性好、體積小，但造價(jià)較高。水作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，具有傳熱及流動(dòng)性能好、比熱容大、滿足自然循環(huán)和強(qiáng)制循環(huán)要求的特點(diǎn)，并且無(wú)毒、無(wú)污染、造價(jià)低。該項(xiàng)目工程規(guī)模較小，蓄熱量有限，所以儲(chǔ)熱裝置體積不大，綜合考慮造價(jià)和空間等因素，選擇水作為蓄熱工質(zhì)。

儲(chǔ)熱罐蓄熱量為太陽(yáng)能系統(tǒng)得熱量與建筑用熱量之差，儲(chǔ)熱罐長(zhǎng)度為3 500 mm，直徑為2 000 mm，容積為10 m3。蓄熱量按式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中 ΔQ為儲(chǔ)熱罐蓄熱量，W；ρ為熱水密度，kg/m3；cp為水的比定壓熱容，取4 187 J/(kg·℃)；V為儲(chǔ)熱罐的容積，m3；Δt為儲(chǔ)熱的溫差，取25 ℃；k為安全系數(shù)，k=1.1～1.3。

3.1.3空氣源熱泵的分析與選擇

空氣源熱泵具有安裝靈活、運(yùn)行連續(xù)的優(yōu)點(diǎn)，與太陽(yáng)能系統(tǒng)聯(lián)合運(yùn)行可以取得良好的互補(bǔ)效果。拉薩屬于寒冷地區(qū)，冬季空氣調(diào)節(jié)室外計(jì)算溫度為-7.6 ℃。該項(xiàng)目選用低溫型空氣源熱泵，保證在低溫環(huán)境下的供暖能力，此外還需考慮高原地區(qū)由于空氣質(zhì)量流量變低而造成的空氣源熱泵性能的衰減。

空氣源熱泵選用制冷/制熱量為130 kW/138 kW的機(jī)組，冬季設(shè)計(jì)供/回水溫度為55 ℃/45 ℃，夏季設(shè)計(jì)供/回水溫度為15 ℃/20 ℃。

3.1.4熱源形式

結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)和能源結(jié)構(gòu)及市政條件，采用優(yōu)先使用太陽(yáng)能系統(tǒng)，輔以低溫空氣源熱泵的聯(lián)合運(yùn)行方式。二者串聯(lián)運(yùn)行，在太陽(yáng)能供暖不滿足建筑用熱需求時(shí)啟動(dòng)低溫空氣源熱泵，低溫空氣源熱泵在-15 ℃時(shí)能夠提供可靠的熱源，同時(shí)可在夏季為舞臺(tái)、觀眾廳區(qū)域的全空氣系統(tǒng)和新風(fēng)系統(tǒng)提供冷源，原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 冷熱源系統(tǒng)原理圖

受屋頂面積限制，布置太陽(yáng)能集熱器的面積有限，太陽(yáng)能集熱器僅能提供總熱負(fù)荷的30%～40%。因此，將太陽(yáng)能供暖系統(tǒng)作為基礎(chǔ)供暖系統(tǒng)，保證平時(shí)的值班溫度，并且在非演出時(shí)段能夠滿足建筑功能需求，實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。供暖負(fù)荷需求增加時(shí)，啟動(dòng)與太陽(yáng)能系統(tǒng)串聯(lián)的低溫空氣源熱泵為建筑供暖，空氣源熱泵可提供100%負(fù)荷的熱源。太陽(yáng)能系統(tǒng)集熱量通過(guò)導(dǎo)熱油運(yùn)輸?shù)桨迨接退畵Q熱器，通過(guò)板式換熱器將熱量傳遞給水，儲(chǔ)存到儲(chǔ)熱器中，最后經(jīng)分水器進(jìn)入室內(nèi)系統(tǒng)，其中板式油水換熱器的設(shè)計(jì)換熱量為180 kW。系統(tǒng)控制策略如下：

1) 集熱。供暖季供暖循環(huán)水泵保持開(kāi)啟，系統(tǒng)檢測(cè)輻照值大于設(shè)定值，風(fēng)力小于6級(jí)，儲(chǔ)熱罐水溫低于設(shè)定值(根據(jù)供暖管道壓力調(diào)節(jié))時(shí)，油泵動(dòng)力中心與換熱循環(huán)泵啟動(dòng)，集熱器追日；輻照度小于設(shè)定值或風(fēng)力大于6級(jí)，或者儲(chǔ)熱罐水溫高于設(shè)定值時(shí)，集熱器偏轉(zhuǎn)，油泵動(dòng)力中心停止。

2) 太陽(yáng)能供暖。根據(jù)供暖管道水溫調(diào)整儲(chǔ)熱水罐進(jìn)水口電動(dòng)三通閥開(kāi)度，維持供水溫度在設(shè)定溫度±2 ℃(可調(diào)整)范圍內(nèi)，儲(chǔ)熱罐水溫低于供暖要求水溫，則電動(dòng)三通閥完全旁通。

3) 空氣源熱泵供暖。每天供暖時(shí)段，供暖水溫低于供暖要求溫度時(shí)，則空氣源熱泵啟動(dòng)，保障供暖系統(tǒng)入口溫度滿足要求，供暖管道水溫滿足供暖水溫后，空氣源熱泵停機(jī)。

4) 防凍循環(huán)。每天非太陽(yáng)能供暖時(shí)段內(nèi)，自動(dòng)檢測(cè)供暖末端回水溫度，低于5 ℃(可調(diào))，則開(kāi)啟供暖循環(huán)水泵，進(jìn)行防凍循環(huán)。優(yōu)先使用儲(chǔ)熱罐內(nèi)熱水，儲(chǔ)熱罐水溫低于10 ℃后，再啟動(dòng)空氣源熱泵輔助加熱，回水溫度高于8 ℃(可調(diào))后停止防凍循環(huán)。

3.2 冷源

西藏夏季室外空調(diào)計(jì)算溫度為24.1 ℃，濕球溫度為13.5 ℃。按照因地制宜、節(jié)能環(huán)保的原則，采用以自然通風(fēng)為主，結(jié)合濕膜直接蒸發(fā)冷卻降溫的機(jī)械送風(fēng)。舞臺(tái)、觀眾廳區(qū)域等具有余熱，優(yōu)先采用空調(diào)機(jī)組濕膜直接蒸發(fā)冷卻降溫，不足部分由空氣源熱泵機(jī)組提供冷量。

直接蒸發(fā)冷卻過(guò)程如圖3所示。室外新風(fēng)經(jīng)濕膜等焓加濕，處理到送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)O送入室內(nèi)。由于當(dāng)?shù)叵募臼彝饪諝飧稍?，所以等焓加濕后的空氣直接送入室?nèi)并不會(huì)增加室內(nèi)空氣濕負(fù)荷，當(dāng)蒸發(fā)冷卻不能滿足室內(nèi)舒適度要求時(shí)，開(kāi)啟空氣源熱泵為建筑供冷。

圖3 新風(fēng)處理過(guò)程

因該地區(qū)夏季基本無(wú)需除濕，為提高熱泵機(jī)組效率，冷水供/回水溫度取15 ℃/20 ℃，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況，提高水溫，實(shí)現(xiàn)空氣源熱泵機(jī)組的節(jié)能運(yùn)行。

凡屬過(guò)往，皆為序章。新時(shí)代中國(guó)特色社會(huì)主義的航線已經(jīng)明確，兵團(tuán)各級(jí)工會(huì)和廣大工會(huì)干部要要以“功成不必在我”的胸懷境界、“功成必定有我”的使命擔(dān)當(dāng)，肩負(fù)起新時(shí)代賦予的新使命，以昂揚(yáng)向上的精神狀態(tài)和一往無(wú)前的奮斗姿態(tài)，譜寫(xiě)新時(shí)代工運(yùn)事業(yè)和工會(huì)工作新篇章！

分散的、有獨(dú)立空調(diào)運(yùn)行要求的房間如弱電機(jī)房、通信網(wǎng)絡(luò)機(jī)房、消防控制室、功放室、可控硅室等采用分體空調(diào)或多聯(lián)空調(diào)。

3.3 供暖系統(tǒng)

除觀眾廳舞臺(tái)采用熱風(fēng)供暖外，所有人員經(jīng)常停留和活動(dòng)的區(qū)域，以及存在凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)的站房，均設(shè)置供暖系統(tǒng)，入口大廳采用地板輻射供暖，其他區(qū)域采用散熱器供暖。供暖管道在吊頂內(nèi)敷設(shè)，供暖系統(tǒng)采用下供下回。供暖熱水采用太陽(yáng)能集熱器和低溫空氣源熱泵串聯(lián)提供的熱水，熱風(fēng)系統(tǒng)、散熱器供暖系統(tǒng)及地板供暖系統(tǒng)供/回水溫度均為55 ℃/45 ℃。

供暖、空調(diào)水系統(tǒng)設(shè)計(jì)為一級(jí)泵閉式循環(huán)系統(tǒng)，冬季為散熱器、地板輻射供暖系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組和新風(fēng)機(jī)組提供熱源，夏季關(guān)閉散熱器和地板輻射供暖的供水系統(tǒng)分支，在空調(diào)機(jī)組和新風(fēng)需要供冷時(shí)提供冷源。系統(tǒng)各支路設(shè)置壓差平衡閥，負(fù)荷側(cè)的空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組冷(熱)水出口設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。

4 空調(diào)、通風(fēng)系統(tǒng)

4.1 空調(diào)系統(tǒng)

觀眾廳采用全空氣系統(tǒng)，氣流組織形式為下送上回，座椅送風(fēng)、頂部回風(fēng)，原理圖見(jiàn)圖4。為提高觀眾廳人員舒適度，采用二次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，減小送風(fēng)溫差，避免再熱?？照{(diào)機(jī)組為雙風(fēng)機(jī)變頻系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)從最小新風(fēng)到全新風(fēng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)，降低運(yùn)行能耗。每個(gè)座椅的送風(fēng)量為40～50 m3/h，送風(fēng)溫差3～5 ℃，即夏季送風(fēng)溫度不低于20 ℃，送風(fēng)出風(fēng)速度不高于0.4 m/s，人體腳踝處風(fēng)速不高于0.25 m/s，避免產(chǎn)生吹風(fēng)感。送風(fēng)來(lái)自座椅下的土建靜壓箱，靜壓箱內(nèi)壁要求貼吸聲保溫材料。

圖4 觀眾廳通風(fēng)空調(diào)原理圖

主舞臺(tái)和側(cè)臺(tái)采用全空氣分層空調(diào)系統(tǒng)，對(duì)稱設(shè)置2套機(jī)組，并設(shè)置1臺(tái)軸流風(fēng)機(jī)在舞臺(tái)頂部排熱，原理圖見(jiàn)圖5。送風(fēng)口布置在側(cè)臺(tái)，并在舞臺(tái)頂部柵頂內(nèi)設(shè)排風(fēng)兼排煙口，將舞臺(tái)設(shè)備散發(fā)的聚集在舞臺(tái)頂部的余熱及時(shí)排出。送、排風(fēng)機(jī)自帶變頻控制器，采用消聲型風(fēng)管，溫控型球形噴口，等溫射程28.9 m，可根椐需要間歇供冷或供暖，在演出時(shí)可減少送風(fēng)量或關(guān)閉送風(fēng)，以降低出風(fēng)口風(fēng)速，避免吹動(dòng)幕布或?qū)ρ莩鋈藛T造成不適吹風(fēng)感。組合式空調(diào)機(jī)組為雙風(fēng)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)從最小新風(fēng)到全新風(fēng)的運(yùn)行調(diào)節(jié)，降低運(yùn)行能耗。

圖5 舞臺(tái)通風(fēng)空調(diào)原理圖

入口大廳、辦公室、貴賓室、琴房、化妝室、更衣室及休息室等區(qū)域，夏季可采用自然通風(fēng)，可使用新風(fēng)系統(tǒng)降溫，并配以排風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)機(jī)組采用變風(fēng)量控制。夏季和過(guò)渡季大風(fēng)量運(yùn)行，以便消除室內(nèi)余熱，冬季小風(fēng)量運(yùn)行，保證人員衛(wèi)生新風(fēng)需求，降低能耗。

弱電機(jī)房、通信機(jī)房、消防控制室使用1套多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)降溫；功放室、可控硅室、舞臺(tái)機(jī)械室、追光室等區(qū)域，單獨(dú)設(shè)計(jì)了熱泵式分體空調(diào)器或多聯(lián)分體機(jī)，室外機(jī)均就近放置在室外。

4.2 通風(fēng)系統(tǒng)

結(jié)合建筑空間和外窗及當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，優(yōu)先利用自然通風(fēng)，尤其過(guò)渡季積極利用自然通風(fēng)改善室內(nèi)空氣質(zhì)量。自然通風(fēng)不能滿足室內(nèi)環(huán)境要求的進(jìn)行機(jī)械通風(fēng)：

2) 水泵間、儲(chǔ)熱機(jī)房、普通弱電機(jī)房等及其他有通風(fēng)換氣需求的房間均設(shè)計(jì)機(jī)械排風(fēng)系統(tǒng)，排出室內(nèi)余熱和污濁空氣。對(duì)有環(huán)境噪聲要求的排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)置消聲器。

3) 根據(jù)相關(guān)專業(yè)條件，通信網(wǎng)絡(luò)機(jī)房區(qū)域設(shè)氣體滅火災(zāi)后排風(fēng)系統(tǒng)，以上區(qū)域各房間內(nèi)設(shè)上、下部排風(fēng)口。

4) 衛(wèi)生間設(shè)置排氣扇，建筑主要出入口處設(shè)置熱空氣幕。

5) 根據(jù)該地區(qū)海拔高的特點(diǎn)，空調(diào)、通風(fēng)設(shè)備均進(jìn)行氣壓修正。

5 結(jié)論

西藏話劇院面積雖小，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、空間緊張，結(jié)合拉薩當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)及氣候特點(diǎn)，因地制宜地進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1) 合理選擇熱源。拉薩當(dāng)?shù)靥?yáng)能資源極為豐富，在場(chǎng)地條件允許的情況下應(yīng)充分利用太陽(yáng)能資源供暖；太陽(yáng)能供暖宜與蓄熱系統(tǒng)、空氣源熱泵結(jié)合使用，解決太陽(yáng)能系統(tǒng)局限性的同時(shí)也改善空氣源熱泵的低溫性能。

2) 合理選擇冷源。當(dāng)?shù)叵募緷袂驕囟鹊?，室外空氣比焓低于室?nèi)空氣，宜充分利用自然通風(fēng)和蒸發(fā)冷卻，空氣源熱泵還可以作為冷源，在自然通風(fēng)和蒸發(fā)冷卻不能滿足制冷需求時(shí)提供冷量，節(jié)約能源。

3) 優(yōu)化氣流組織。合理布置管線，觀眾廳采用座椅送風(fēng)、頂部回風(fēng)已經(jīng)比較普遍，并且取得了良好的舒適度。舞臺(tái)區(qū)分層空調(diào)可以在保證人員活動(dòng)區(qū)舒適度的前提下，節(jié)約能源。該項(xiàng)目在舞臺(tái)頂部設(shè)置了機(jī)械排風(fēng)排出余熱，保證頂部操作人員的工作環(huán)境。空間緊張時(shí)，合理合用補(bǔ)風(fēng)和送風(fēng)、排煙和排風(fēng)管，節(jié)省空間。