天津某會展中心展館區空調冷熱源系統設計

柯尊友 鄭毅然 董 靜

中國建筑科學研究院

天津某會展中心展館區空調冷熱源系統設計

柯尊友 鄭毅然 董 靜

中國建筑科學研究院

本文針對會展建筑的特點，介紹了空調冷熱源系統形式的確定，著重介紹了地埋管地源熱泵、二級泵、大溫差及低溫熱水地板輻射采暖等內容。最后，簡單介紹了空調冷熱源系統的運行工況。

會展中心 地源熱泵 大溫差 二級泵

1 工程概況

本項目為特大型展覽建筑（圖1），一期展館區總建筑面積44.434萬m2，其中地上37.875萬m2，地下6.559萬m2。建筑東西方向總長960m，南北方向總長381m。設置16個甲等展廳，總布展面積20萬m2。16個展廳以中央大廳為軸東西對稱布置，以交通連廊為軸南北對稱布置。交通連廊將南北兩側展廳及中央大廳連成一體。中央大廳高34m，絕大部分空間一層通高，東西兩側有少量兩層的配套房間；展廳一層，層高24m；交通連廊兩層，首層高7.7m，二層高5.5m，局部設備夾層，屋頂高24m。

圖1 建筑效果圖

2 冷熱源形式的確定

2.1 冷熱源形式

會展建筑與普通公共（辦公、商業）建筑在運行時間上有相似之處，即白天空調負荷大，夜間停展后空調負荷小。同時會展建筑與普通公共建筑也有很大的不同之處，即其常年間歇運行而且使用頻率偏低。研究表明[1]，我國會展場館的利用率除北京、上海、廣州幾個城市能達到40%上下，其他大多數城市的會展場館利用率都在20%左右，全國會展場館的平均利用率不足25%。確定展覽類建筑冷熱源時不僅要考慮其瞬時負荷大的特點，還要考慮其全年的使用率情況。節省運行費用的冰蓄冷系統在此項目中應用投資回收期將大大增加，其它非常規冷源的應用也會存在類似問題。結合本項目有9萬m2左右的室外展場以及綠色建筑二星級設計標識的要求，綜合考慮技術、經濟、安全、可靠、環保等因素，本項目采用地源熱泵機組及10kV離心式冷機組聯合供冷，采用園區一次熱水及熱泵機組聯合供熱，冷熱源系統示意圖見圖2。

圖2 冷熱源系統示意圖

2.2 冷熱源設置

由于地質條件及經濟因素，本項目只在中央大廳投影區域設一層地下室，功能為主要設備用房（包括制冷機房、換熱站）及汽車庫等?？紤]該項目建筑面積大且東西方向總長達960m，只設計一個冷熱源系統不僅管線集中，系統服務半徑也偏大，因此在中央大廳東西兩側各設一個制冷機房和換熱站，見圖3。東側機房負擔東側展廳及交通連廊；西側機房負擔中央大廳、西側展廳及交通連廊。冷熱負荷及冷熱源配置詳見表1、表2。

圖3 冷熱源分布圖

表1 冷熱負荷

表2 冷熱源配置

3 地埋管地源熱泵系統設計

與冷熱源機房對應，室外地埋管系統分東、西區兩個系統分別設計。地埋管側夏季設計進出水溫度30/35℃，冬季5/8.5℃。結合熱敏感試驗報告中地源熱泵換熱孔測試數據（夏季44.0W/m，冬季32.1W/m），地源熱泵系統按表3冷熱量要求設計，地埋管敷設于項目南側室外展場及室外停車位地面下。室外換熱孔數量既能滿足冬季取熱量需求，也能滿足系統夏季排熱需求。換熱孔有效孔深120m，鉆孔直徑180mm，鉆孔間距為4.5m（部分間距6m）。綜合考慮場地及造價等因素[2，3]，鉆孔內設置雙U型地埋管換熱器，U型管管徑為DN32。換熱孔連接時采用同程連接。

表3 地源熱泵系統主要參數

4 系統整體設計

本項目空調水系統為兩管制，空調冷、熱水季節切換設置在制冷機房內。由于東、西兩側系統設計原則一致，僅設備容量和數量存在差別，因此本部分僅介紹西側系統的設計情況。

4.1 空調冷熱水系統

據統計，水泵輸配能耗約占空調能耗15%~20%[4]，因此合理設計空調水力輸配系統對空調系統節能有重要意義。本項目由于系統作用半徑較大（580m）、管路水流阻力較高，為減少系統輸配能耗，節省運行費用，考慮采用大溫差供冷，減少冷凍水流量，從而減少冷凍水泵耗功率，但降低冷凍水供水溫度會影響制冷機組的制冷性能。

根據文獻[5～7]介紹的方法，對是否采用大溫差供冷進行了分析計算。計算的兩個主要假定條件是：1）冷水機組蒸發器在進水溫度不變的情況下，出水溫度每降低1℃，冷水機組的COP值降低3%，在出水溫度一定的情況下，進水溫度上升COP值不變[7]；2）不同供回水溫差下，通過管道管徑的設計，系統總阻力一致。計算結果見表4~表6，可見在上述假定條件下，僅靠降低冷水機組供水溫度的方式來加大供回水溫差不僅不節省運行能耗，反而增加能耗。因此考慮既降低冷水機組出水溫度，又提高進水溫度的方式來加大供回水溫差。雖然計算結果表明采用6/13℃的大溫差供冷方式較7/12℃僅節能0.86%，但考慮到加大溫差后空調管道管徑、系統閥門部件、冷凍水泵容量及對應的配電設備等可以減小，節省管道、設備占用的建筑空間及項目的初投資，因此本項目冷凍水設計供、回水溫度為6/13℃。

表4 不同供回水溫差下冷水機組能耗

表5 不同供回水溫差下冷凍水泵的能耗

表6 不同供回水溫差下冷水機組及冷凍水泵總能耗

通過計算分析，空調冷凍水系統采用變流量二級泵系統，按服務半徑分遠、近兩個區分設置二級泵，計算結果見表5。由表7可知，設計工況下，二級泵系統空調冷凍水循環泵總軸功率比一級泵系統少93.7kW，節能率達11.7%。同時二級泵系統中的二級循環泵總軸功率472.8kW，占總軸功率的67%，二級循環泵為變頻水泵，部分負荷時二級循環泵低頻運行，節能效果更顯著。

表7 空調冷凍水一、二級泵系統水泵軸功率統計

空調熱水供、回水設計溫度采用60/45℃的大溫差系統。由于空調水系統為兩管制，管道直徑按冷凍水流量選取，冬季供熱時熱水流量減少，約為夏季流量的[(19050/15)/(36340/7)]=25%，冬季遠區與近區系統阻力差小于10kPa，因此空調熱水循環泵采用一級泵系統。

4.2 地板輻射采暖熱水系統

人員活動頻繁的高大空間中央大廳、交通連廊設置地板輻射采暖系統，綜合考慮地源熱泵機組的性能、熱舒適性及供熱量等因素，地板采暖熱水由熱泵機組單獨供給，設計供回水溫度45/35℃。據分析[8]，制冷劑為R134a的熱泵機組在其他工況相同的情況下，冷凝溫度55℃時的制熱性能系數約為50℃時的94%。以熱水供回水溫度 45/35℃熱泵機組制熱 COP為4.8，50/45℃熱泵機組COP為4.8×94%計算，地板采暖熱水獨立設置熱泵機組與熱泵機組均采用50/45℃的工況相比，機組節省能耗[1759/(4.8×0.94)-1759/4.8]× 3=336kW，節能效果明顯。

由于地板輻射采暖負荷總量不大，適當放大干管管徑可以將系統的總阻力及各分支間阻力差控制在合理的范圍內，因此地板采暖熱水循環泵采用一級泵系統。

5 系統運行工況簡介

1）夏季設計工況下，10kV高壓離心式冷水機組及熱泵機組均開啟，同時將13℃的空調冷凍水回水降溫至6℃。部分負荷時，自控系統根據各臺機組的容量及末端負荷需求調整機組的啟停。

2）冬季設計工況下，空調熱水回水45℃，部分經熱泵機組提升至50℃，溫度提升后的熱水和其余的45℃回水混合后由水-水換熱器加熱至60℃供給空調末端。部分負荷時，自控系統根據空調熱水回水溫度調整一次熱水側電動調節閥，根據各臺機組的容量及末端負荷需求調整機組的啟停。

3）地板輻射采暖系統獨立運行，冬季展覽期，空調系統與地板輻射采暖系統同時運行；冬季非展覽期，空調系統停止運行，地板采暖系統開啟，保證建筑室內溫度不低于5℃。

6 結語

本項目上為大型展覽類建筑，在冷熱源形式、系統形式的確定，充分結合建筑的地理位置、建筑形態、使用特點等進行可行性及經濟性分析比較。是否采用大溫差供冷，需經過計算分析后確定，普通電制冷機組僅通過降低制冷機組出水溫度的方式來增大冷凍水供回水溫差有可能不節省運行費用，可能更耗能。通過試算系統阻力，冷凍水系統采用二級泵系統節能效果明顯，空調熱水及地板采暖熱水系統采用一級泵系統比較合理。

[1] 張敏.中外會展業動態評估年度報告(2012版)[M].北京:社會科學文獻出版社,2013

[2] 陸耀慶.實用供熱空調設計手冊(第2版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2008

[3] 胡世強.新武漢火車站地源熱泵系統設計[J].暖通空調,2011, 41(7):80-82

[4] 柴慧娟.高層建筑空調設計[M].北京:中國建筑工業出版社, 1995

[5] 民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范(GB50736-2012)[S].北京:中國建筑工業出版社,2012

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

[7] 汪連昌.大溫差空調水系統的節能評價方法[J].暖通空調,2011, 41(7):70-72

[8] 許彩艷,陳啟.不同冷凝溫度下水源熱泵工質性能分析[J].燃氣與動力,2008,28(5):3-5

Heating and Cooling Source of HVAC System Designed for Exhibition Area of a Conference& Exhibition Center in Tianjin

KE Zun-you,ZHENG Yi-ran,DONG Jing
China Academy of Building Research

Aiming at the characteristics of conference&exhibition building,the process of the determining of heating and cooling source of HVAC system were introduced,including ground-source heat pump,secondary pump,large temperature difference and low temperature hot water floor radiant heating.Finally,the operating conditions of cold and heat source system were briefly present.

exhibition center,ground-source heat pump,large temperature difference,secondary pump

1003-0344（2015）04-087-4

2014-5-29

柯尊友（1980～），男，碩士，工程師；北京市北三環東路30號中國建筑科學研究院新主樓13A（100013）；010-64694335；E-mail:kezunyouskd@163.com