廣州紡織博覽中心水環(huán)熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與分析

唐 丹,蘇艷輝

(中建(北京)國際設(shè)計顧問有限公司廣州分公司,廣州510630)

1 引言

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)是指小型水源熱泵空調(diào)機組的一種應(yīng)用形式,該系統(tǒng)將小型水源熱泵分散布置在各用戶的末端,由公共水環(huán)路將各個末端機組并聯(lián)在一起,構(gòu)成以回收建筑物內(nèi)部余熱為主要特征的熱泵供暖、供冷的空調(diào)系統(tǒng)。

該空調(diào)系統(tǒng)于二十世紀(jì)六十年代由美國率先提出,八十年代開始在我國的大城市有所應(yīng)用。目前該系統(tǒng)不僅在華東和華南等經(jīng)濟相對發(fā)達的地區(qū)發(fā)展成熟,而且在華中和西南地區(qū)也已經(jīng)得到了推廣。

2 工程概況

廣州紡織博覽中心位于廣州市海珠區(qū),地處中大紡織商圈核心位置。該項目為超大型公建項目,結(jié)合辦公、商場、酒店、會議于一體,由三層地下室、六層裙樓及八棟層數(shù)為二十四～二十七層的塔樓組成。在地上裙樓與負(fù)一層安排了商場空間,負(fù)二、負(fù)三層為地下車庫、非機動車庫和設(shè)備用房,項目總建筑面積近七十萬平方米。建筑的商場功能為超大型的紡織品交易中心,面料、輔料一站式采購基地,標(biāo)準(zhǔn)鋪位數(shù)超過六千五百個,建筑面積近五十萬平方米。

3 方案選擇比較

該項目商場建筑面積大,建設(shè)方采用分期投資、分期建設(shè)的形式。商場空間均分隔為小型商鋪,各個商鋪將來均考慮為不同的承租方,空調(diào)控制區(qū)域獨立性強,因此對所采用的空調(diào)系統(tǒng)的單獨操作及獨立計費有著較高的要求。在工程的方案設(shè)計階段,進行了設(shè)計方案的比較選擇,其分析如下:

方案一:水冷集中式空調(diào)系統(tǒng)

該系統(tǒng)為最傳統(tǒng)的中央空調(diào)方式,應(yīng)用廣泛。但冷水機組與水泵等一般均需要設(shè)置在地下室專屬機房內(nèi),該機房需要占用一定的建筑面積,約為總建筑面積的2%～3%,土建造價增加,且一定程度上占用了停車位面積,減少了日后建設(shè)方的收益量;整個系統(tǒng)的水管路相對復(fù)雜,使得施工周期拖長,總投資費用增加;商鋪末端一般采用風(fēng)機盤管,單獨計量計費欠缺靈活度,日后系統(tǒng)的擴展能力亦較差。

方案二:風(fēng)冷分散/集中式空調(diào)系統(tǒng)

該系統(tǒng)投資與控制較為靈活,施工安裝相對簡單。但是大量的風(fēng)冷室外機需要占用較大的安裝空間;室外機采用風(fēng)冷式冷凝器與空氣進行換熱,整體能效比較水冷式系統(tǒng)低;末端的計費與擴展存在與方案一相同的問題。

方案三:水冷分散式空調(diào)系統(tǒng)

水冷分散式空調(diào)系統(tǒng)為循環(huán)水集中冷卻,即水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要特點如下:

(1)機組分散布置,減少風(fēng)道水管占據(jù)的空間,設(shè)計施工簡便靈活;

(2)能進行制冷工況和制熱工況機組之間的熱回收;

(3)小型水源熱泵機組運行靈活,擴展性強;

(4)用戶自主控制性較強,且便于分戶計量與計費;

(5)系統(tǒng)部分負(fù)荷綜合能效比高,用戶需要多少負(fù)荷就提供多少冷量,系統(tǒng)接近無極調(diào)節(jié),節(jié)能效果顯著。

通過對以上三種空調(diào)方案進行比較分析,并結(jié)合該商場的特點,水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在經(jīng)濟性、技術(shù)條件、環(huán)境影響與社會效益等方面均具有明顯的適用優(yōu)勢,能夠為建設(shè)方帶來較大的綜合效益。

4 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計概況

項目的商業(yè)裙樓布局上按照 “田”字形結(jié)構(gòu)分布,故實際上分成A、B、C和D四個區(qū)域,每個區(qū)域均獨立設(shè)置一套可獨立運行的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng),夏季制冷,冬季不供暖。A區(qū)空調(diào)夏季計算總冷負(fù)荷約為11 666kW,空調(diào)面積冷指標(biāo)為213.8W/m2;B區(qū)約為12 249kW,空調(diào)面積冷指標(biāo)為198.2W/m2;C區(qū)空調(diào)夏季計算總冷負(fù)荷約為21000kW,空調(diào)面積冷指標(biāo)為173W/m2;D區(qū)空調(diào)夏季計算總冷負(fù)荷約為13 125kW,空調(diào)面積冷指標(biāo)為205.3W/m2。

5 室內(nèi)外設(shè)計計算參數(shù)

5.1 室外設(shè)計計算參數(shù)

季節(jié):夏季

室外計算干球溫度:空調(diào)34.2℃,通風(fēng)31.9℃

濕球溫度:27.8℃

主導(dǎo)風(fēng)向:SE

平均風(fēng)速:1.5m/s

大氣壓力:100.29kPa

5.2 室內(nèi)設(shè)計計算參數(shù)

夏 季使用功能 溫度(℃)相對濕度(%)新風(fēng)量m3/hp允許噪聲級dB(A)人員密度m2/p商鋪 26 ＜65 20 ≤55 負(fù)一層及首層1.5;其它3商鋪夾層 26 ＜65 20 ≤55 4.5辦公 27 ＜65 30 ≤50 4

6 制冷系統(tǒng)設(shè)計

裙樓A、B、C和D四個區(qū)域各自獨立設(shè)置一套水環(huán)熱泵空調(diào)制冷系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)模式均采用開式冷卻塔加中間板式換熱器的形式,以便更好地控制公共水環(huán)路的水質(zhì),降低水質(zhì)污染對水環(huán)熱泵機組效率、安全及使用壽命的影響。夏季公共水環(huán)側(cè)供回水設(shè)計溫度為33/38℃,冷卻水系統(tǒng)設(shè)計供回水溫度為37/32℃,設(shè)計換熱溫差控制在 1℃以內(nèi)。除冷卻塔布置在室外的承重柱裙樓屋面處,其余設(shè)備如板式換熱器、水泵與水處理器等均設(shè)在屋面鋼構(gòu)機房內(nèi)。

7 水系統(tǒng)設(shè)計

公共水環(huán)側(cè)為一次泵變流量雙管制異程式系統(tǒng)。水泵根據(jù)最不利環(huán)路供回水管末端之間的壓差值(該壓差值應(yīng)在現(xiàn)場進行整定)實施變頻控制,供回水總管之間設(shè)置旁通壓差閥。

圖1 水系統(tǒng)示意簡圖

公共水環(huán)側(cè)采用開式高位膨脹水箱定壓,膨脹水量計算溫差取25℃,由水箱浮球閥高低水位信號控制補水泵啟停。公共水環(huán)側(cè)設(shè)置分集水器,集水器回水管以及除最不利環(huán)路外的主支管上均設(shè)置靜態(tài)平衡閥,水源熱泵新風(fēng)機組末端設(shè)置動態(tài)平衡閥,以便于實現(xiàn)異程式水系統(tǒng)的水力平衡與調(diào)節(jié)。

冷卻塔循環(huán)水系統(tǒng)為定流量運行。對于管徑≤DN200的室內(nèi)安裝水管,采用無規(guī)共聚聚丙烯 (PP-R)塑鋁穩(wěn)態(tài)復(fù)合管,減小管路比摩阻,控制公共水環(huán)側(cè)的水泵揚程。為保證系統(tǒng)長期運行狀態(tài)下水質(zhì)符合設(shè)計要求及便于系統(tǒng)運行維護,采用綜合水處理器分別對公共循環(huán)水側(cè)與冷卻水循環(huán)側(cè)進行水質(zhì)處理。

8 風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計

本工程各室內(nèi)開間均采用小型整體式水源熱泵機組,商鋪 (含商鋪夾層)及辦公用房均采用上送上回的氣流組織方式,送風(fēng)口為平送散流器,回風(fēng)口為門絞式百葉風(fēng)口 (帶濾網(wǎng)),通過回風(fēng)箱與機組相連。新風(fēng)采用整體式水源熱泵新風(fēng)專用機組處理,不再另設(shè)加濕裝置。室外新風(fēng)從空調(diào)機房側(cè)墻百葉或風(fēng)井吸入后,經(jīng)過機組進風(fēng)口處的粗效過濾器處理后進入新風(fēng)機組內(nèi)進行熱濕處理,然后通過新風(fēng)管送入各水源熱泵機組送風(fēng)管內(nèi)。吊裝的水源熱泵機組 (含新風(fēng)機組)均采用預(yù)應(yīng)力阻尼型彈簧減振吊架安裝,機組下方吊頂處安裝隔聲板,回風(fēng)箱內(nèi)貼吸聲材料,進出風(fēng)口處均采用軟接頭與風(fēng)道連接,以減少機組噪音和振動的傳播。各開間均單獨設(shè)有排風(fēng)機,采用水平排風(fēng)管路集中后統(tǒng)一排放及排氣扇排入豎井后天面風(fēng)機集中抽出排放相結(jié)合的機械排風(fēng)方式?？照{(diào)房間內(nèi)均設(shè)計為空氣微正壓狀態(tài),少量冷空氣可由縫隙滲至內(nèi)走廊。

9 主要節(jié)能措施及其控制

為使水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)從根本上做到節(jié)能降耗,設(shè)計中公共水環(huán)側(cè)水系統(tǒng)采用了水泵變頻變流量設(shè)計。其控制方式如下:

(1)各臺小型整體式水源熱泵機組的冷卻水進水管上均設(shè)置電動二通閥。電動閥開關(guān)與機組壓縮機聯(lián)動,壓縮機啟動運行,則電動閥打開;壓縮機停止運行,則電動閥關(guān)閉。

(2)由于每臺水環(huán)熱泵機組均安裝了電動閥,隨著電動閥開啟數(shù)量的變化,冷卻水經(jīng)過末端后的壓力也將發(fā)生相應(yīng)變化。根據(jù)此壓力信號變化對水泵進行變流量控制,做到系統(tǒng)需要水量大,則增大水泵的流量,反之則減小水泵的流量。

(3)當(dāng)系統(tǒng)啟動時,投入系統(tǒng)公共水環(huán)側(cè)的某一臺循環(huán)水泵運行,并對該水泵進行變頻控制;當(dāng)該投入運行的水泵運行頻率達到工頻50Hz,且持續(xù)運行時間達到預(yù)設(shè)值時,投入第二臺水泵運行。此時一開始即投入運行的水泵保持工頻工況,隨后投入運行的水泵在變頻工況下工作。以此工作模式類推至第三、四臺循環(huán)水泵。因此,無論末端水環(huán)熱泵機組所需要的冷卻水流量如何變化,通過控制器與變送器聯(lián)動,循環(huán)水泵均能夠自動進行調(diào)節(jié)運行模式,為末端設(shè)備提供足夠的循環(huán)水量,保證末端水環(huán)熱泵機組的正常運行。

冷卻塔風(fēng)機采用臺數(shù)及兩級變速控制。當(dāng)冷卻水側(cè)循環(huán)水溫升至30℃時,冷卻塔打開風(fēng)閥并開始淋水;水溫升至31℃時,開啟冷卻塔風(fēng)機并低速運轉(zhuǎn);當(dāng)水溫升至32℃時,風(fēng)機轉(zhuǎn)為高速運轉(zhuǎn)。冷卻塔開啟臺數(shù)與冷卻水循環(huán)泵臺數(shù)保持一致。當(dāng)所有冷卻塔風(fēng)機均高速運轉(zhuǎn)且水溫升至40℃時,系統(tǒng)進行報警,當(dāng)升至46℃時冷卻塔停止工作,系統(tǒng)停機。

10 系統(tǒng)集散控制設(shè)計

在空調(diào)系統(tǒng)的控制上,局部系統(tǒng)采用計算機集散控制,系統(tǒng)可以在上位機上實現(xiàn)水環(huán)熱泵中央空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備遠(yuǎn)程控制、監(jiān)視和報表功能。功能包括單臺空調(diào)設(shè)備的模式控制、風(fēng)速設(shè)置、室內(nèi)溫度設(shè)置及控制,各樓層空調(diào)設(shè)備的模式設(shè)置、風(fēng)速設(shè)置、室內(nèi)溫度設(shè)置及控制,監(jiān)視設(shè)備的運行狀態(tài)是否出現(xiàn)故障,并自動生成實時或歷史數(shù)據(jù)庫。各末端水源熱泵機組水路控制器通過網(wǎng)絡(luò)與冷源群控自控系統(tǒng)聯(lián)接。自動收集各末端水源熱泵機組壓縮機的累計使用時間,作為分?jǐn)偹眉八秒?、用水量的計費依據(jù),做到真正意義上的獨立計費,同時達到管理節(jié)能的目的。

11 結(jié)束語

目前許多使用中央空調(diào)系統(tǒng)的地點均有計費糾紛方面的問題出現(xiàn),而水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在這種一棟多個單位且小開間為主的建筑內(nèi)十分適用,它較好的解決了計費和運行管理的問題,而且因不用設(shè)置獨立的空調(diào)計費系統(tǒng)和中央空調(diào)機房,減少了相應(yīng)的工程造價。

應(yīng)該注意的是,在夏熱冬暖地區(qū),對于采用開式冷卻塔加板式換熱器系統(tǒng)形式的水環(huán)熱泵系統(tǒng),尤其應(yīng)該選用高效的水源熱泵機組,這樣能更加突出該系統(tǒng)在部分負(fù)荷能效比方面的優(yōu)勢。

此外,水源熱泵機組由于自身的結(jié)構(gòu)特點,對公共水環(huán)側(cè)的供水量及水溫均較風(fēng)機盤管有更高的要求,故應(yīng)重視系統(tǒng)的水力平衡問題。系統(tǒng)較大時,采用平衡閥進行輔助調(diào)節(jié),可以取得良好的效果。

在控制系統(tǒng)設(shè)計時,由于水環(huán)熱泵系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備布置的分散性,不但要考慮系統(tǒng)的控制與保護,還要考慮水源熱泵機組及其附屬構(gòu)件的控制與保護,采用集散式系統(tǒng)設(shè)計,做到局部和中央控制柜與手控相結(jié)合,能更好的適應(yīng)該系統(tǒng)的要求。

12 參考文獻

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