廣州紡織博覽中心水環熱泵中央空調系統設計與分析

唐 丹,蘇艷輝

(中建(北京)國際設計顧問有限公司廣州分公司,廣州510630)

1 引言

水環熱泵空調系統是指小型水源熱泵空調機組的一種應用形式,該系統將小型水源熱泵分散布置在各用戶的末端,由公共水環路將各個末端機組并聯在一起,構成以回收建筑物內部余熱為主要特征的熱泵供暖、供冷的空調系統。

該空調系統于二十世紀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用。目前該系統不僅在華東和華南等經濟相對發達的地區發展成熟,而且在華中和西南地區也已經得到了推廣。

2 工程概況

廣州紡織博覽中心位于廣州市海珠區,地處中大紡織商圈核心位置。該項目為超大型公建項目,結合辦公、商場、酒店、會議于一體,由三層地下室、六層裙樓及八棟層數為二十四～二十七層的塔樓組成。在地上裙樓與負一層安排了商場空間,負二、負三層為地下車庫、非機動車庫和設備用房,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,標準鋪位數超過六千五百個,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,建設方采用分期投資、分期建設的形式。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,空調控制區域獨立性強,因此對所采用的空調系統的單獨操作及獨立計費有著較高的要求。在工程的方案設計階段,進行了設計方案的比較選擇,其分析如下:

方案一:水冷集中式空調系統

該系統為最傳統的中央空調方式,應用廣泛。但冷水機組與水泵等一般均需要設置在地下室專屬機房內,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,減少了日后建設方的收益量;整個系統的水管路相對復雜,使得施工周期拖長,總投資費用增加;商鋪末端一般采用風機盤管,單獨計量計費欠缺靈活度,日后系統的擴展能力亦較差。

方案二:風冷分散/集中式空調系統

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

方案三:水冷分散式空調系統

水冷分散式空調系統為循環水集中冷卻,即水環熱泵空調系統。該系統主要特點如下:

(1)機組分散布置,減少風道水管占據的空間,設計施工簡便靈活;

(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)系統部分負荷綜合能效比高,用戶需要多少負荷就提供多少冷量,系統接近無極調節,節能效果顯著。

通過對以上三種空調方案進行比較分析,并結合該商場的特點,水環熱泵空調系統在經濟性、技術條件、環境影響與社會效益等方面均具有明顯的適用優勢,能夠為建設方帶來較大的綜合效益。

4 空調系統設計概況

項目的商業裙樓布局上按照 “田”字形結構分布,故實際上分成A、B、C和D四個區域,每個區域均獨立設置一套可獨立運行的水環熱泵空調系統,夏季制冷,冬季不供暖。A區空調夏季計算總冷負荷約為11 666kW,空調面積冷指標為213.8W/m2;B區約為12 249kW,空調面積冷指標為198.2W/m2;C區空調夏季計算總冷負荷約為21000kW,空調面積冷指標為173W/m2;D區空調夏季計算總冷負荷約為13 125kW,空調面積冷指標為205.3W/m2。

5 室內外設計計算參數

5.1 室外設計計算參數

季節:夏季

室外計算干球溫度:空調34.2℃,通風31.9℃

濕球溫度:27.8℃

主導風向:SE

平均風速:1.5m/s

大氣壓力:100.29kPa

5.2 室內設計計算參數

夏 季使用功能 溫度(℃)相對濕度(%)新風量m3/hp允許噪聲級dB(A)人員密度m2/p商鋪 26 ＜65 20 ≤55 負一層及首層1.5;其它3商鋪夾層 26 ＜65 20 ≤55 4.5辦公 27 ＜65 30 ≤50 4

6 制冷系統設計

裙樓A、B、C和D四個區域各自獨立設置一套水環熱泵空調制冷系統,其結構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路的水質,降低水質污染對水環熱泵機組效率、安全及使用壽命的影響。夏季公共水環側供回水設計溫度為33/38℃,冷卻水系統設計供回水溫度為37/32℃,設計換熱溫差控制在 1℃以內。除冷卻塔布置在室外的承重柱裙樓屋面處,其余設備如板式換熱器、水泵與水處理器等均設在屋面鋼構機房內。

7 水系統設計

公共水環側為一次泵變流量雙管制異程式系統。水泵根據最不利環路供回水管末端之間的壓差值(該壓差值應在現場進行整定)實施變頻控制,供回水總管之間設置旁通壓差閥。

圖1 水系統示意簡圖

公共水環側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。公共水環側設置分集水器,集水器回水管以及除最不利環路外的主支管上均設置靜態平衡閥,水源熱泵新風機組末端設置動態平衡閥,以便于實現異程式水系統的水力平衡與調節。

冷卻塔循環水系統為定流量運行。對于管徑≤DN200的室內安裝水管,采用無規共聚聚丙烯 (PP-R)塑鋁穩態復合管,減小管路比摩阻,控制公共水環側的水泵揚程。為保證系統長期運行狀態下水質符合設計要求及便于系統運行維護,采用綜合水處理器分別對公共循環水側與冷卻水循環側進行水質處理。

8 風系統設計

本工程各室內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,送風口為平送散流器,回風口為門絞式百葉風口 (帶濾網),通過回風箱與機組相連。新風采用整體式水源熱泵新風專用機組處理,不再另設加濕裝置。室外新風從空調機房側墻百葉或風井吸入后,經過機組進風口處的粗效過濾器處理后進入新風機組內進行熱濕處理,然后通過新風管送入各水源熱泵機組送風管內。吊裝的水源熱泵機組 (含新風機組)均采用預應力阻尼型彈簧減振吊架安裝,機組下方吊頂處安裝隔聲板,回風箱內貼吸聲材料,進出風口處均采用軟接頭與風道連接,以減少機組噪音和振動的傳播。各開間均單獨設有排風機,采用水平排風管路集中后統一排放及排氣扇排入豎井后天面風機集中抽出排放相結合的機械排風方式。空調房間內均設計為空氣微正壓狀態,少量冷空氣可由縫隙滲至內走廊。

9 主要節能措施及其控制

為使水環熱泵空調系統從根本上做到節能降耗,設計中公共水環側水系統采用了水泵變頻變流量設計。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置電動二通閥。電動閥開關與機組壓縮機聯動,壓縮機啟動運行,則電動閥打開;壓縮機停止運行,則電動閥關閉。

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

(3)當系統啟動時,投入系統公共水環側的某一臺循環水泵運行,并對該水泵進行變頻控制;當該投入運行的水泵運行頻率達到工頻50Hz,且持續運行時間達到預設值時,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、四臺循環水泵。因此,無論末端水環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動,循環水泵均能夠自動進行調節運行模式,為末端設備提供足夠的循環水量,保證末端水環熱泵機組的正常運行。

冷卻塔風機采用臺數及兩級變速控制。當冷卻水側循環水溫升至30℃時,冷卻塔打開風閥并開始淋水;水溫升至31℃時,開啟冷卻塔風機并低速運轉;當水溫升至32℃時,風機轉為高速運轉。冷卻塔開啟臺數與冷卻水循環泵臺數保持一致。當所有冷卻塔風機均高速運轉且水溫升至40℃時,系統進行報警,當升至46℃時冷卻塔停止工作,系統停機。

10 系統集散控制設計

在空調系統的控制上,局部系統采用計算機集散控制,系統可以在上位機上實現水環熱泵中央空調系統設備遠程控制、監視和報表功能。功能包括單臺空調設備的模式控制、風速設置、室內溫度設置及控制,各樓層空調設備的模式設置、風速設置、室內溫度設置及控制,監視設備的運行狀態是否出現故障,并自動生成實時或歷史數據庫。各末端水源熱泵機組水路控制器通過網絡與冷源群控自控系統聯接。自動收集各末端水源熱泵機組壓縮機的累計使用時間,作為分攤水泵及水塔用電、用水量的計費依據,做到真正意義上的獨立計費,同時達到管理節能的目的。

11 結束語

目前許多使用中央空調系統的地點均有計費糾紛方面的問題出現,而水環熱泵空調系統在這種一棟多個單位且小開間為主的建筑內十分適用,它較好的解決了計費和運行管理的問題,而且因不用設置獨立的空調計費系統和中央空調機房,減少了相應的工程造價。

應該注意的是,在夏熱冬暖地區,對于采用開式冷卻塔加板式換熱器系統形式的水環熱泵系統,尤其應該選用高效的水源熱泵機組,這樣能更加突出該系統在部分負荷能效比方面的優勢。

此外,水源熱泵機組由于自身的結構特點,對公共水環側的供水量及水溫均較風機盤管有更高的要求,故應重視系統的水力平衡問題。系統較大時,采用平衡閥進行輔助調節,可以取得良好的效果。

在控制系統設計時,由于水環熱泵系統內設備布置的分散性,不但要考慮系統的控制與保護,還要考慮水源熱泵機組及其附屬構件的控制與保護,采用集散式系統設計,做到局部和中央控制柜與手控相結合,能更好的適應該系統的要求。

12 參考文獻

[1] GB50019-2003,采暖通風與空氣調節設計規范[S].北京:中國計劃出版社,2003

[2] GB50189-2005,公共建筑節能設計標準[S].北京:中國建筑工業出版社,2005

[3] 全國民用建筑工程設計技術措施-暖通空調·動力[S].北京:中國計劃出版社,2009

[4] 馬最良,姚楊,楊自強,姜益強.水環熱泵空調系統設計[M].北京:化學工業出版社,2005

[5] GJBT-966 06K504,水環熱泵空調系統設計與安裝[S].北京:中國計劃出版社,2006

[6] 姜益強,姚楊,馬最良.水環熱泵空調系統若干問題分析[J].流體機械,2001,29(11):52-54

[7] 白貴平,冀兆良,蘇宇貴.水環熱泵在夏熱冬暖地區應用的節能性分析[J].制冷空調與電力機械,2005,26(2):34-45

[8] 周毅峰.平衡閥在水環熱泵空調系統工程的應用[J].制冷,2008,27(4):62-66