某海洋公園維生系統(tǒng)冷熱源設(shè)計與分析

李伯軍 谷靈通 高峰

大連理工大學(xué)土木建筑設(shè)計研究院

1 工程概況

項目位于海南三亞，建設(shè)主要內(nèi)容包括：海洋主題游樂設(shè)施、海洋動物舞臺劇、文化演藝等項目，總建筑面積68300 m2。其中有些項目內(nèi)設(shè)有動物表演、動物展示等內(nèi)容，動物維生系統(tǒng)需要的總水體為22153 m3。

2 主要設(shè)計參數(shù)

室外設(shè)計參數(shù)采用文獻(xiàn)[1]中三亞市的空調(diào)室外計算參數(shù)。本設(shè)計水體補(bǔ)水溫度夏季取30℃，冬季取19.4℃。

表1 水體設(shè)計要求

根據(jù)動物飼養(yǎng)部門提供的資料，動物水體設(shè)計參數(shù)如表1所示。

3 主要技術(shù)特點

3.1 冷熱負(fù)荷構(gòu)成及解析

不同種類的動物對水溫要求不同，維生系統(tǒng)必須提供滿足要求的水質(zhì)及水溫。要讓水溫達(dá)到飼養(yǎng)要求，需要向水體中補(bǔ)充冷（熱）量，即維生水體的冷（熱）負(fù)荷[2-3]。

3.1.1 冷（熱）負(fù)荷構(gòu)成

本項目的冷熱負(fù)荷主要包括以下幾個方面[4]：

1）圍護(hù)結(jié)構(gòu)冷（熱）負(fù)荷

此部分負(fù)荷同普通空調(diào)負(fù)荷計算模型。

2）太陽輻射形成的冷負(fù)荷

此部分負(fù)荷同普通空調(diào)負(fù)荷計算模型。

3）水表面和空氣傳熱傳質(zhì)形成的冷（熱）負(fù)荷

式中：Qs為水表面和空氣傳熱傳質(zhì)形成的冷（熱）負(fù)荷，kW；As為水表面和空氣的接觸面積，m2；ρ為空氣密度，取 1.2 kg/m3；hmd為傳質(zhì)系數(shù)，m/h；h1為空氣的焓值，kJ/kg；h2為與水體溫度相同的飽和時空氣的焓值，kJ/kg。

計算熱負(fù)荷時取h2-h1。

4）補(bǔ)水形成的冷（熱）負(fù)荷

式中：Qb為補(bǔ)水形成的冷（熱）負(fù)荷，kW；C為水的比熱容，取 4.2×103J/(℃·kg)；M 為一天的補(bǔ)水質(zhì)量，kg；Δt為補(bǔ)水與水體的溫差，℃。

5）設(shè)備散熱形成的冷負(fù)荷

設(shè)備散熱產(chǎn)生的熱量會傳遞到水體中從而水體產(chǎn)生冷負(fù)荷。

6）動物散熱形成的冷負(fù)荷

本模型根據(jù)動物的體重，運動強(qiáng)度以及進(jìn)食量對動物散熱進(jìn)行合理估計，從而得出動物散熱形成的冷負(fù)荷。

7）管道及設(shè)備溫升（降）形成的冷（熱）負(fù)荷

維生設(shè)備主要包括：沙罐、脫氣塔等。處理后的水在管道及設(shè)備中流動時吸收環(huán)境中的熱量形成的冷負(fù)荷按照下式計算。

式中：Qg為管道和設(shè)備溫升（降）形成的負(fù)荷，kW；K為保溫后的管道傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；F為設(shè)備、管道與環(huán)境的接觸面積，m2；Δt為水體與環(huán)境的溫差，℃。

3.1.2 冷熱負(fù)荷計算結(jié)果

根據(jù)水體設(shè)計要求按照負(fù)荷構(gòu)成各項計算公式對每個水體進(jìn)行負(fù)荷計算。計算結(jié)果如表2所示。

表2 各水體負(fù)荷計算結(jié)果

3.1.3 負(fù)荷模型解析

與常規(guī)建筑負(fù)荷計算模型不同的是維生水體具有較大的水面面積，水體表面與空氣的傳質(zhì)傳熱過程會產(chǎn)生負(fù)荷。

熱量和質(zhì)量同時進(jìn)行的熱質(zhì)傳遞中，一方面，由于對流和輻射，熱量從熱空氣傳到濕表面，另一方面，濕表面上被蒸發(fā)的蒸汽連同它本身所具有的焓一起傳遞到流動的熱空氣中去，在不同的蒸發(fā)速率下，熱空氣和濕表面之間的熱交換及動量交換就有所不同。通過熱質(zhì)交換過程的類比關(guān)系，可以將此傳質(zhì)傳熱問題進(jìn)行簡化。

對于水-空氣系統(tǒng)，存在劉易斯關(guān)系式，

根據(jù)這個關(guān)系式，可以得出：在空氣-水系統(tǒng)的熱質(zhì)交換過程中，當(dāng)空氣溫度和含濕量在實用范圍內(nèi)變化很小時，換熱系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)之間保持了一定的量值關(guān)系。通過三傳方程將傳質(zhì)傳熱以焓差作為驅(qū)動力計算傳遞熱量，得到出水表面和空氣傳熱傳質(zhì)的熱量方程[5]：

此方程利用焓差作為傳遞動力，不同環(huán)境取相應(yīng)的傳質(zhì)系數(shù)，即可計算得出水表面和空氣傳熱傳質(zhì)形成的冷（熱）負(fù)荷。

3.2 技術(shù)特點

動物池中的水質(zhì)由維生水系統(tǒng)保證（通過循環(huán)過濾、蛋白分離、添加臭氧等工序處理），水溫由空調(diào)系統(tǒng)保證[6]。本項目在設(shè)計維生系統(tǒng)時，將水體溫度的晝夜允許波動幅度限制在2℃以內(nèi)。這樣有利于保持水體溫度穩(wěn)定，不會對水中動物造成太大負(fù)擔(dān)。小范圍的溫度波動有利于增強(qiáng)動物的適應(yīng)能力。

由于水體具有熱慣性，根據(jù)工程實際情況，冷熱源機(jī)組在白天峰電時段正常供應(yīng)舒適性空調(diào)負(fù)荷，減小或者停止向維生水體供冷（熱），使水體自然緩慢升（降）溫，夜間谷電時段對水體進(jìn)行升（降）溫，使水體溫度達(dá)到動物適宜的溫度，周而復(fù)始，以達(dá)到減小整體運行費用的目的。

由表2可以看出，動物要求的水體溫度較高，加之維生冷源不需要考慮除濕要求，因此，可以選用冷凍水溫度13/18℃或更高的高溫機(jī)組，以提高機(jī)組的EER值。

4 冷（熱）源方案及分析

本項目舒適型空調(diào)與維生系統(tǒng)共用一套冷熱源，舒適性空調(diào)的冷負(fù)荷為4399 kW，維生冷負(fù)荷為1734.9 kW，冷負(fù)荷合計為6134 kW。維生熱負(fù)荷為1536.7 kW。

由于舒適性空調(diào)夜間不需要供冷，可將制冷機(jī)組的這部分能力用于維生水體在谷電時段的蓄冷，實現(xiàn)在不增加機(jī)組容量的情況下，利用機(jī)組給維生水體夜間蓄冷、白天為舒適性空調(diào)供冷，滿足兩者的需求。

經(jīng)過方案比選，本工程選用制冷采用集中水冷冷水機(jī)組，制熱采用分散風(fēng)冷熱泵方案。

4.1 方案介紹

制冷集中設(shè)一個制冷站，制冷機(jī)組選用1臺300USRT（制冷量1095 kW）的高溫螺桿水冷冷水機(jī)組作為維生冷源，2臺700USRT（制冷量制冷量2461.2kW）的離心式水冷冷水機(jī)組作為舒適性空調(diào)冷源，谷電時段為維生水體蓄冷。

表3 冷源設(shè)備配置

制熱采用風(fēng)冷熱泵，根據(jù)維生系統(tǒng)需求分散設(shè)置。風(fēng)冷熱泵也可做為維生系統(tǒng)的備用冷源。園區(qū)共設(shè)3個風(fēng)冷熱泵站。

設(shè)備配置如表3、4所示。

表4 熱源設(shè)備配置

4.2 方案分析

由于需要考慮水體的初始降（升）溫，初始降（升）溫時間根據(jù)水體大小控制在36～72 h。初始降（升）溫負(fù)荷為冷（熱）負(fù)荷的約1.5倍。可以通過分別對水體進(jìn)行降溫以減小總制冷能力，也可以利用舒適性空調(diào)機(jī)組進(jìn)行初始降溫。制熱為風(fēng)冷熱泵。

在冷熱源設(shè)備選取時，針對維生系統(tǒng)，可以采取高溫冷水機(jī)組，本項目選取了一臺制冷量1095 kW高溫冷水機(jī)組。高溫冷水機(jī)組EER為6.9，相同制冷量的常規(guī)冷水機(jī)組EER為4.7。高溫冷水機(jī)組制冷效率為常規(guī)機(jī)組的1.47倍。

5 運行費用分析

當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)工商業(yè)電價如表5所示。

表5 電價表

經(jīng)計算維生系統(tǒng)在無蓄冷條件下年運行費用為153萬元，有蓄冷條件下年運行費用為92萬元。

水體具有天然的蓄冷特性，海洋公園維生系統(tǒng)在運行時，應(yīng)將蓄冷因素考慮在內(nèi)，通過峰谷電價差降低運行費用。本工程通過采用夜間蓄冷的運行方式，在滿足水生動物需求的前提下，每年維生系統(tǒng)節(jié)省運行電費61萬元，與無蓄冷方式相比，維生系統(tǒng)運行電費節(jié)省40%。

在實際工程中，具體蓄冷方式需要考慮水生動物的需求水溫和機(jī)組的容量。

6 結(jié)論

海洋公園維生系統(tǒng)是一項集海洋水生知識，給排水和暖通設(shè)計的綜合工程技術(shù)。其冷熱源設(shè)計需要在常規(guī)冷熱源設(shè)計的基礎(chǔ)上融合水體特性及動物需求。

維生水體冷熱負(fù)荷計算是以公民建空調(diào)負(fù)荷計算模型為基礎(chǔ)，加入水體特有的負(fù)荷項而得出。

在計算負(fù)荷時，需要考慮水體的初始降（升）溫時間控制。

在運行時，可以利用水體的熱慣性，利用舒適性空調(diào)負(fù)荷夜間的空白區(qū)，在谷電時段對水體進(jìn)行蓄冷，達(dá)到降低機(jī)組容量、提高機(jī)組利用率、節(jié)省運行電費的目的。在此過程中，要充分考慮水生動物晝夜允許溫差的限度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。