監(jiān)利市民之家空調(diào)冷熱源方案的優(yōu)化

張昊

湖北省工業(yè)建筑集團有限公司設(shè)計咨詢分公司

1 前言

據(jù)統(tǒng)計，建筑物能耗約占公共機構(gòu)能耗總量的70%。以辦公建筑為例，中央空調(diào)系統(tǒng)約占建筑能耗的60%，照明、辦公設(shè)備、電梯等約占40%［1］。在中央空調(diào)系統(tǒng)能耗中，冷熱源約占50%～60%[2]。

高級民用建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的投資約占建筑總投資的10%以上，其中冷熱源約占中央空調(diào)系統(tǒng)總投資的50%～70%[3]。

由此可見，中央空調(diào)系統(tǒng)冷熱源能耗高、投資大，選擇合理的方案對于減少建筑能耗、降低工程造價起著至關(guān)重要的作用。

本文通過對監(jiān)利市民之家空調(diào)冷熱源方案的優(yōu)化，以期為解決類似問題提供參考。

2 工程概況

監(jiān)利市民之家位于監(jiān)利縣經(jīng)濟開發(fā)區(qū)監(jiān)利大道與工業(yè)園路相交東北角處，規(guī)劃總用地面積117 198.94m2，建設(shè)用地面積95 616.35m2，建 筑 占地面積9 910.89m2，容積率0.42，總建筑面積59 500.5m2，建筑高度31.6m，其中地下一層，主要為汽車庫、設(shè)備用房和餐廳，建筑面積19 795.1m2；地上5層，主要為市民服務(wù)中心、電商中心、招商中心及配套設(shè)施，建筑面積39 705.4m2，鳥瞰圖見圖1。

監(jiān)利是國家商品糧和農(nóng)副產(chǎn)品基地，境內(nèi)河網(wǎng)密布，因“監(jiān)收魚鹽之利”而得名。該項目以“雙魚抱水”的建筑設(shè)計理念，寓意“滴水之恩，涌泉相報”，充分體現(xiàn)了政府和百姓“魚水情深”的美好愿景，營造出一個具有地方特色、公共開放的城市空間。

圖1 監(jiān)利市民之家鳥瞰圖

3 空調(diào)負荷

本工程空調(diào)建筑面積28 500m2，經(jīng)鴻業(yè)暖通空調(diào)負荷計算軟件計算，夏季最大冷負荷為4 304kW，空調(diào)建筑面積冷指標為151W/m2；冬季最大熱負荷為2 708kW，空調(diào)建筑面積熱指標為95W/m2。

3.1 空調(diào)冷熱源方案的比選及優(yōu)化

3.1.1 內(nèi)外部條件

項目所在地電力、燃氣、自來水供應(yīng)充足，未執(zhí)行分時電價政策，無市政冷熱源和余熱可利用，不具備污水或再生水熱泵條件，地下水也不豐富。

該建筑外形不規(guī)則，大空間場所較多，空調(diào)系統(tǒng)無明顯內(nèi)外區(qū)和計量收費需求，使用時間相對集中。

3.1.2 冷熱源方案比選

作為政府辦公建筑，建設(shè)單位對空調(diào)冷熱源要求技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠，并在初投資和壽命期內(nèi)的運維費用等經(jīng)濟性方面給予重點關(guān)注。

根據(jù)上述條件，適宜本工程的空調(diào)冷熱源方案主要有電制冷加燃氣鍋爐、直燃機、風冷熱泵、熱源塔熱泵和地源熱泵幾種，定性分析見表1。

參考類似氣象條件的武漢地區(qū)，辦公建筑空調(diào)冷熱源采用電制冷加燃氣鍋爐類型的占比最高。通過對上述方案詳細的技術(shù)經(jīng)濟比較，建設(shè)單位最終確定采用電制冷加燃氣鍋爐。

根據(jù)大樓空調(diào)使用規(guī)律及負荷特性，冷源選用2臺離心式冷水機組，單臺名義制冷量2 286kW，蒸發(fā)器進出口溫度7/12℃，冷凝器進出口溫度30℃/35℃；熱源選用2臺燃氣真空熱水鍋爐，單臺額定供熱量1 400kW，進出口溫度50/60℃。

3.2冷源方案優(yōu)化

離心式冷水機組以大冷量、高能效的特點在大中型中央空調(diào)系統(tǒng)中備受青睞。特別是近年來，磁懸浮變頻離心式冷水機組利用直流變頻驅(qū)動、高效換熱器、過冷器、基于工業(yè)微機的智能抗喘振，以及磁懸浮無油運轉(zhuǎn)技術(shù)等，從根本上提高了運行效率和性能穩(wěn)定性[4]。

表1 空調(diào)熱冷方案定性分析表

圖2 普通定頻離心式冷水機組COP曲線

不同負荷率和冷卻水溫度下普通定頻離心式冷水機組的COP曲線見圖2，磁懸浮變頻離心式冷水機組的COP曲線見圖3［5］。

圖3 磁懸浮變頻離心式冷水機組COP曲線

由此可見，隨著冷卻水入口溫度的降低，磁懸浮變頻離心式冷水機組比普通定頻離心式冷水機組的COP值上升得更快更多。隨著負荷率的降低，磁懸浮變頻離心式冷水機組的COP值上升至一定值后趨于水平，普通定頻離心式冷水機組的COP值持續(xù)下降。實際運行中，機組的大部分時間都處于部分負荷工況，所以磁懸浮變頻離心式冷水機組具有較好的節(jié)能效果。

本工程夏季空調(diào)按每年6～10月運行100天，每天8:00～18:00運行10小時，電價0.85元/kWh計算，方案1采用兩臺普通定頻離心式冷水機組（見表2），方案2采用兩臺磁懸浮變頻離心式冷水機組，年運行費用對比（見表3）。

相比而言，方案2的年運行費用可節(jié)省159 241元，節(jié)能率達26.5%。

在初投資方面，磁懸浮離心式冷水機組單臺壓縮機啟動電流僅2A，不需軟啟動器，可節(jié)省部分配電費用。

在維保費用方面，磁懸浮離心式冷水機組采用磁懸浮軸承，使機組沒有機械摩擦損失，沒有潤滑油循環(huán)和相應(yīng)的油過濾器、油冷卻器等油路設(shè)備，系統(tǒng)簡單，可靠性高，維護方便，使用壽命長達30年之久。方案1和方案2的總費用對比見表4。

3.3 熱源方案優(yōu)化

真空熱水鍋爐負壓運行，安全可靠，不需年檢；經(jīng)脫氧和除垢的高純熱媒水在封閉狀態(tài)下進行換熱，避免了氧腐蝕、結(jié)垢等問題；內(nèi)置多組換熱器，能同時滿足空調(diào)、供暖和生活熱水系統(tǒng)不同溫度和承壓要求，一機多用，熱效率高。運行管理和維護保養(yǎng)費用低，使用壽命在20年以上，因此在民用建筑空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

表2 方案1年運行費用

表3 方案2年運行費用

表4 方案1和方案2的總費用比較

天然氣含氫量高，燃燒后產(chǎn)生大量水蒸氣。常規(guī)鍋爐排煙溫度一般在130℃以上，高溫煙氣帶走大量顯熱，熱損失較大，另一方面煙氣中的水蒸氣處于過熱狀態(tài)，不能釋放出汽化潛熱，隨煙氣排放而浪費。而鍋爐熱效率是以燃料低位發(fā)熱量計算，天然氣低位發(fā)熱量為8 600kcal/Nm3，未包含煙氣中水蒸氣的冷凝熱860kcal/Nm3。冷凝式真空熱水鍋爐通過煙氣換熱系統(tǒng)，利用低溫水或空氣冷卻煙氣，降低排煙溫度和過量空氣系數(shù)，實現(xiàn)煙氣顯熱和水蒸氣汽化潛熱釋放，加熱低溫水或空氣，回收熱能，熱效率可達103%，較常規(guī)真空熱水鍋爐熱效率94%提高約10%。同時由于冷凝水可吸收煙氣中部分CO2和NOx，有利于改善空氣質(zhì)量和減輕溫室效應(yīng)。

本工程冬季空調(diào)按每年11月～次年2月運行90天，每天8:00～18:00運行10小時，電價0.85元/kWh，天然氣價3.55元/Nm3計算，方案3采用兩臺常規(guī)真空熱水鍋爐，年運行費用見表5,。方案4采用兩臺冷凝式真空熱水鍋爐，年運行費用見表6,。方案3和方案4總費用對比見表7：

相比而言，方案4年運行費用可節(jié)省53 165元，節(jié)能率達9%。方案3和方案4的總費用對比見表7。

表5 方案3的年運行費用

表6 方案4的年運行費用

表7 方案3和方案4的總費用對比

綜上所述，方案2和方案4雖然初投資較高，但運行費用和維護費用較低，在使用壽命期內(nèi)經(jīng)濟效益可觀，適宜作為本工程的冷熱源。

4 結(jié)語

（1）磁懸浮變頻離心式冷水機組在空調(diào)負荷波動較大、低負荷運行時間較長的場合更能發(fā)揮能效比高的優(yōu)勢，除臺數(shù)控制外結(jié)合冷凍水泵和冷卻塔風扇變頻調(diào)速控制，可進一步提高中央空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。

（2）冷凝式真空熱水鍋爐在燃料為天然氣時，煙氣露點溫度在55℃左右，在空調(diào)、供暖系統(tǒng)設(shè)計回水溫度不高于50℃時使用更節(jié)能。

（3）電制冷加燃氣鍋爐作為傳統(tǒng)的空調(diào)冷熱源已應(yīng)用多年，磁懸浮變頻離心式冷水機組和冷凝式真空熱水鍋爐的大力推廣無疑具有顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。