西藏話劇院供暖空調系統(tǒng)自然能源的利用

0 引言

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

近年來空氣源熱泵受到越來越多的關注，發(fā)展迅速。但其本身存在低溫性能差、冬季易結霜的問題，若將太陽能與空氣源熱泵聯(lián)合運行，太陽能可改善空氣源熱泵低溫性能差、易結霜的問題，空氣源熱泵可彌補太陽能的不穩(wěn)定性和間歇性，兩者互補，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，可提供免費的自然冷源，有顯著的節(jié)能優(yōu)勢[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，300人觀摩廳，化妝排練用房及配套的設備機房、庫房等。效果圖見圖1。

圖1 西藏話劇院效果圖

2 室內設計參數

該項目采用的設計參數見表1，建筑負荷見表2。

表1 室內設計參數

表2 建筑負荷

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輸進藏，運輸使用成本較高。西藏電力以水電為主，電力資源相對充足。當地年日照時長3 021.6 h，年日照百分率68%，年累計太陽輻照量高達7～8 GJ/m2，是我國太陽輻射能量最豐富的地區(qū)。當地冬季寒冷，供暖系統(tǒng)應確保室內管道不凍結，并保證室內人員的舒適度；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降溫和蒸發(fā)冷卻。

3.1.1太陽能集熱器的分析與選擇

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

太陽能系統(tǒng)承擔的負荷為建筑的基礎運行負荷(舞臺和觀眾廳不使用)，槽式集熱器集熱面積為3.9 m2/組，吸收率≥92%，發(fā)射率<9%，集熱器介質工作溫度范圍為-30～300 ℃，可全天自動跟蹤太陽，以確保最大的集熱效率。采用導熱油為換熱介質，提高換熱效率，防止凍結。根據以下公式計算所需集熱器數量，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行平均時長，h；Q為槽式太陽能系統(tǒng)承擔的設計計算負荷，W；JC為槽式集熱器運行期間當地的日平均太陽輻照量，J/(m2·d)；COP為太陽能油水換熱器的能效比,取1；ηL為太陽能系統(tǒng)熱損失率，取10%～15%；ηCD為槽式集熱器綜合轉換效率，取0.6。

槽式集熱器運行期間,當地的日平均太陽輻照量，即槽式集熱器追蹤修正后的當地水平面月平均太陽輻照量在計算周期內的平均值，按式(2)計算：

(2)

式中ξ為太陽能槽式集熱器追蹤修正系數；JT為當地水平面日平均太陽總輻照量，J/(m2·d)；n為計算周期，對于供暖系統(tǒng)，指冬季供暖期折算為月的時間,對于空調系統(tǒng)，指夏季供冷期折算為月的時間,對于生活熱水系統(tǒng)，n=12。

計算得出，該項目需集熱面積為362.0 m2，共需93臺槽式太陽能集熱器。

3.1.2蓄熱裝置的分析與選擇

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

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

儲熱罐蓄熱量為太陽能系統(tǒng)得熱量與建筑用熱量之差，儲熱罐長度為3 500 mm，直徑為2 000 mm，容積為10 m3。蓄熱量按式(3)進行計算：

(3)

式中 ΔQ為儲熱罐蓄熱量，W；ρ為熱水密度，kg/m3；cp為水的比定壓熱容，取4 187 J/(kg·℃)；V為儲熱罐的容積，m3；Δt為儲熱的溫差，取25 ℃；k為安全系數，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、運行連續(xù)的優(yōu)點，與太陽能系統(tǒng)聯(lián)合運行可以取得良好的互補效果。拉薩屬于寒冷地區(qū)，冬季空氣調節(jié)室外計算溫度為-7.6 ℃。該項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的機組，冬季設計供/回水溫度為55 ℃/45 ℃，夏季設計供/回水溫度為15 ℃/20 ℃。

3.1.4熱源形式

結合當地氣候特點和能源結構及市政條件，采用優(yōu)先使用太陽能系統(tǒng)，輔以低溫空氣源熱泵的聯(lián)合運行方式。二者串聯(lián)運行，在太陽能供暖不滿足建筑用熱需求時啟動低溫空氣源熱泵，低溫空氣源熱泵在-15 ℃時能夠提供可靠的熱源，同時可在夏季為舞臺、觀眾廳區(qū)域的全空氣系統(tǒng)和新風系統(tǒng)提供冷源，原理圖見圖2。

圖2 冷熱源系統(tǒng)原理圖

受屋頂面積限制，布置太陽能集熱器的面積有限，太陽能集熱器僅能提供總熱負荷的30%～40%。因此，將太陽能供暖系統(tǒng)作為基礎供暖系統(tǒng)，保證平時的值班溫度，并且在非演出時段能夠滿足建筑功能需求，實現(xiàn)節(jié)能運行。供暖負荷需求增加時，啟動與太陽能系統(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%負荷的熱源。太陽能系統(tǒng)集熱量通過導熱油運輸到板式油水換熱器，通過板式換熱器將熱量傳遞給水，儲存到儲熱器中，最后經分水器進入室內系統(tǒng)，其中板式油水換熱器的設計換熱量為180 kW。系統(tǒng)控制策略如下：

1) 集熱。供暖季供暖循環(huán)水泵保持開啟，系統(tǒng)檢測輻照值大于設定值，風力小于6級，儲熱罐水溫低于設定值(根據供暖管道壓力調節(jié))時，油泵動力中心與換熱循環(huán)泵啟動，集熱器追日；輻照度小于設定值或風力大于6級，或者儲熱罐水溫高于設定值時，集熱器偏轉，油泵動力中心停止。

2) 太陽能供暖。根據供暖管道水溫調整儲熱水罐進水口電動三通閥開度，維持供水溫度在設定溫度±2 ℃(可調整)范圍內，儲熱罐水溫低于供暖要求水溫，則電動三通閥完全旁通。

3) 空氣源熱泵供暖。每天供暖時段，供暖水溫低于供暖要求溫度時，則空氣源熱泵啟動，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。

4) 防凍循環(huán)。每天非太陽能供暖時段內，自動檢測供暖末端回水溫度，低于5 ℃(可調)，則開啟供暖循環(huán)水泵，進行防凍循環(huán)。優(yōu)先使用儲熱罐內熱水，儲熱罐水溫低于10 ℃后，再啟動空氣源熱泵輔助加熱，回水溫度高于8 ℃(可調)后停止防凍循環(huán)。

3.2 冷源

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

直接蒸發(fā)冷卻過程如圖3所示。室外新風經濕膜等焓加濕，處理到送風狀態(tài)點O送入室內。由于當地夏季室外空氣干燥，所以等焓加濕后的空氣直接送入室內并不會增加室內空氣濕負荷，當蒸發(fā)冷卻不能滿足室內舒適度要求時，開啟空氣源熱泵為建筑供冷。

圖3 新風處理過程

因該地區(qū)夏季基本無需除濕，為提高熱泵機組效率，冷水供/回水溫度取15 ℃/20 ℃，根據實際運行工況，提高水溫，實現(xiàn)空氣源熱泵機組的節(jié)能運行。

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分散的、有獨立空調運行要求的房間如弱電機房、通信網絡機房、消防控制室、功放室、可控硅室等采用分體空調或多聯(lián)空調。

3.3 供暖系統(tǒng)

除觀眾廳舞臺采用熱風供暖外，所有人員經常停留和活動的區(qū)域，以及存在凍結風險的站房，均設置供暖系統(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。供暖管道在吊頂內敷設，供暖系統(tǒng)采用下供下回。供暖熱水采用太陽能集熱器和低溫空氣源熱泵串聯(lián)提供的熱水，熱風系統(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、空調水系統(tǒng)設計為一級泵閉式循環(huán)系統(tǒng)，冬季為散熱器、地板輻射供暖系統(tǒng)，空調機組和新風機組提供熱源，夏季關閉散熱器和地板輻射供暖的供水系統(tǒng)分支，在空調機組和新風需要供冷時提供冷源。系統(tǒng)各支路設置壓差平衡閥，負荷側的空調機組、新風機組冷(熱)水出口設置電動調節(jié)閥。

4 空調、通風系統(tǒng)

4.1 空調系統(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、頂部回風，原理圖見圖4。為提高觀眾廳人員舒適度，采用二次回風全空氣系統(tǒng)，減小送風溫差，避免再熱?？照{機組為雙風機變頻系統(tǒng)，可以實現(xiàn)從最小新風到全新風的運行調節(jié)，降低運行能耗。每個座椅的送風量為40～50 m3/h，送風溫差3～5 ℃，即夏季送風溫度不低于20 ℃，送風出風速度不高于0.4 m/s，人體腳踝處風速不高于0.25 m/s，避免產生吹風感。送風來自座椅下的土建靜壓箱，靜壓箱內壁要求貼吸聲保溫材料。

圖4 觀眾廳通風空調原理圖

主舞臺和側臺采用全空氣分層空調系統(tǒng)，對稱設置2套機組，并設置1臺軸流風機在舞臺頂部排熱，原理圖見圖5。送風口布置在側臺，并在舞臺頂部柵頂內設排風兼排煙口，將舞臺設備散發(fā)的聚集在舞臺頂部的余熱及時排出。送、排風機自帶變頻控制器，采用消聲型風管，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，在演出時可減少送風量或關閉送風，以降低出風口風速，避免吹動幕布或對演出人員造成不適吹風感。組合式空調機組為雙風機，可以實現(xiàn)從最小新風到全新風的運行調節(jié)，降低運行能耗。

圖5 舞臺通風空調原理圖

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，可使用新風系統(tǒng)降溫，并配以排風系統(tǒng)，新風機組采用變風量控制。夏季和過渡季大風量運行，以便消除室內余熱，冬季小風量運行，保證人員衛(wèi)生新風需求，降低能耗。

弱電機房、通信機房、消防控制室使用1套多聯(lián)機系統(tǒng)降溫；功放室、可控硅室、舞臺機械室、追光室等區(qū)域，單獨設計了熱泵式分體空調器或多聯(lián)分體機，室外機均就近放置在室外。

4.2 通風系統(tǒng)

結合建筑空間和外窗及當地氣候特點，優(yōu)先利用自然通風，尤其過渡季積極利用自然通風改善室內空氣質量。自然通風不能滿足室內環(huán)境要求的進行機械通風：

2) 水泵間、儲熱機房、普通弱電機房等及其他有通風換氣需求的房間均設計機械排風系統(tǒng)，排出室內余熱和污濁空氣。對有環(huán)境噪聲要求的排風系統(tǒng)設置消聲器。

3) 根據相關專業(yè)條件，通信網絡機房區(qū)域設氣體滅火災后排風系統(tǒng)，以上區(qū)域各房間內設上、下部排風口。

4) 衛(wèi)生間設置排氣扇，建筑主要出入口處設置熱空氣幕。

5) 根據該地區(qū)海拔高的特點，空調、通風設備均進行氣壓修正。

5 結論

西藏話劇院面積雖小，但內部結構復雜、空間緊張，結合拉薩當地能源結構及氣候特點，因地制宜地進行了優(yōu)化設計。

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

2) 合理選擇冷源。當地夏季濕球溫度低，室外空氣比焓低于室內空氣，宜充分利用自然通風和蒸發(fā)冷卻，空氣源熱泵還可以作為冷源，在自然通風和蒸發(fā)冷卻不能滿足制冷需求時提供冷量，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、頂部回風已經比較普遍，并且取得了良好的舒適度。舞臺區(qū)分層空調可以在保證人員活動區(qū)舒適度的前提下，節(jié)約能源。該項目在舞臺頂部設置了機械排風排出余熱，保證頂部操作人員的工作環(huán)境?？臻g緊張時，合理合用補風和送風、排煙和排風管，節(jié)省空間。