某泳池三合一熱泵空調系統的經濟性分析

孫 彪,陳海俊

(浙江大學建筑設計研究院有限公司,浙江 杭州 310028)

隨著全民健身的普及,游泳運動的參與者越來越多,各地高校及政府也相繼投資建設了許多大型室內游泳館。相對于其他類型的建筑,游泳館有著高濕度的室內環境,這讓常規的全空氣空調系統能耗巨大,調節效果卻差強人意；而三合一熱泵空調機組本身的功能屬性可以很好地解決室內泳池的空調問題,但其初期投資較大,令業主望而卻步。本文通過對比江西省萍鄉市某室內泳池的空調運行費用,來分析不同空調系統的經濟性,可供同類設計參考。

1 兩種空調方案的原理分析

1.1 空調系統需處理的問題

不論采用哪種空調方案,游泳館空調系統都要解決高濕度空氣的除濕問題,以及降低系統能耗的問題。高濕度的空氣易使窗戶結露、墻面發霉,影響人體的健康及舒適度；將相對濕度控制在50%～60%[1],是確保游泳館室內空氣質量的根本。泳池85%～90%的能量損失是由蒸發造成的,這部分能量大部分是以水汽(潛熱)的形式存在于泳池空氣中；降溫除濕的過程能耗較高,通風換氣也會造成冷、熱量的流失,進而增加游泳館的運營成本,故空調系統的節能問題不容忽視。

1.2 常規空調系統的原理

常規空調系統的冷源一般采用冷水機組或空氣源熱泵,熱源為鍋爐,末端設備為全空氣空調箱。夏季,空調箱利用7 ℃～12 ℃的冷凍水對室內空氣降溫除濕,并通過排風輔助除濕；冬季,空調箱引入并加熱室外低溫干燥空氣,稀釋室內空氣濕度,并通過排風輔助除濕[2]。該系統采用常規空氣調節原理,通過增加通風量以及冷、熱水循環量來增強系統的溫控、除濕能力。

1.3 三合一熱泵空調系統的原理

三合一熱泵機組內置冷媒循環系統,通過制冷劑的循環,在蒸發器處吸熱,在冷凝器處放熱,一機實現除濕、空氣調節和池水加熱的三項功能。夏季,室內空氣經過蒸發器降溫除濕,冷凝熱量一部分用以提升送風溫度,一部分用以池水加熱,多余熱量再排出室外；冬季,室內空氣的冷凝熱量可全部回收,用以恢復送風溫度。該系統通過自身的冷媒循環系統,回收利用了空氣冷凝熱,減少了空氣循環量以及對空調冷熱水的需求。三合一熱泵系統工作原理見圖1。

圖1 三合一熱泵系統工作原理

2 計算背景

2.1 項目概況

為本文提供計算模型的室內游泳館位于江西省萍鄉市,是當地體育公園的主要建筑。游泳館地上2層,地下1層,總建筑面積約為10 563 m2,其中池廳面積4 000 m2,高度6 m。水面面積包括500 m2的八道訓練池,500 m2的四道訓練池, 150 m2的兒童池和250 m2的SPA池。游泳館效果圖見圖2。

圖2 萍鄉市聚龍公園游泳館效果圖

2.2 設計參數

空調室內外設計參數依照《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范(GB 50736—2012)》選取,訓練池水溫度取26 ℃,空氣溫度28 ℃,相對濕度65% ,泳池池面風速0.2 m/s,查得：dn=15.7 g/kg,hn=68 kJ/kg,tln=21 ℃,水表面溫度飽和空氣水蒸汽分壓P1=25.1 mmHg(1 mmHg=133.3 Pa,下同)；SPA池水溫度38 ℃,空氣溫度28 ℃,相對濕度65%,泳池池面風速0.15 m/s,查得：dn=15.6 g/kg,hn=68 kJ/kg,tln=21 ℃,水表面溫度飽和空氣水蒸汽分壓P3=49.57 mmHg。池廳人數按200人計算。

經計算，泳池總濕負荷為527.7 kg/h(其中水面濕負荷413.9 kg/h,人員濕負荷17.2 kg/h,夏季新風濕負荷96.6 kg/h)。

2.3 設備參數

設計選用3臺某品牌三合一熱泵機組,每臺除濕量182 kg/h。根據廠方提供的數據,該型號機組能耗如下：送風機功率11 kW,回風機功率8 kW,排風機功率6 kW,壓縮機制冷工況功率64.8 kW,壓縮機除濕工況功率54 kW。設計選用池水泵總功率15 kW。

3 年運行費用計算

3.1 運行工況

根據萍鄉地區氣候特點,設定春秋季節過渡工況月份為4月及10月,總天數為61 d,其中80%天數為除濕工況,20%天數為全新風通風工況；夏季區間為5月至9月,共153 d,機組執行制冷工況；冬季區間為11月至來年3月,共151 d,機組執行除濕升溫工況。每日運行時間按10點到22點共12 h計算,電價為0.8元/kW·h,燃氣價為3.7元/m3。

各運行工況中,機組100%負荷運行時間比例為17%,機組75%負荷運行時間比例為39%,機組50%負荷運行時間比例為33%,機組25%負荷運行時間比例為11%。

3.2 常規空調系統(風冷熱泵+鍋爐)年運行費用計算

3.2.1 春秋季運行費用

1)除濕工況 風冷熱泵機組過渡季COP取值3.5,經計算除濕和通風運行能耗為85 015 kW·h,運行費用為6.8萬元。

2)再熱工況 此部分熱量需外界補入,以冷凍除濕后溫度達18 ℃,泳池室內溫度28 ℃,送風量141 000 m3/h為標準,空氣需補入熱量474.7 kW。按燃氣鍋爐補入計算,每小時耗氣量48 m3,能源轉化系數按0.75計,通風工況時段不計入,得出再熱能耗為242 772 kW·h,運行費用為9.1萬元。

以上費用匯總得出春秋季總費用為15.9萬元。

3.2.2 夏季運行費用

風冷熱泵機組額定制冷量為771 kW,夏季制冷工況COP平均取值2.9。

末端空調箱送、回風機功率與三合一熱泵機組一致：送風機總功率為33 kW,排風機總功率為24 kW。

得出夏季空調制冷運行能耗為418 825 kW·h,運行費用為33.5萬元。

3.2.3 冬季運行費用

常規空調系統是通過引入室外低溫干燥的新風升溫后來除濕,本案例冬季空調工況(-1.3 ℃,80%即絕對含濕量2.5 g/kg,焓5.13 kJ/kg)；池廳溫濕度(28 ℃,65%即絕對含濕量15.7 g/kg,焓68.2 kJ/kg),不計表冷器補入熱量。

經計算，至少引入28 000 m3/h新風量才能滿足除濕546 kg/h要求,需補入熱量為280 kW,由表冷器補入,按燃氣鍋爐提供熱水計算,得出供熱功率共計1 271 kW。燃氣鍋爐每小時耗氣量128.6 m3,能源轉化系數按0.75計,能耗為1 499 062 kW·h,費用為76萬元。

由上得出常規空調系統年總運行直接能源消耗費用為125.4萬元。

3.3 三合一熱泵系統年運行費用計算

春秋季：100%負荷除濕工況功率219 kW,75%負荷功率178.5 kW,50%負荷功率138 kW,25%負荷功率97.5 kW；通風工況功率為57 kW。能耗為103 862 kW·h。

夏季：100%負荷功率269.4 kW,75%負荷功率216.3 kW,50%負荷功率163.2 kW,25%負荷功率110.1 kW。能耗為295 555 kW·h。

冬季：100%負荷功率219 kW,75%負荷功率178.5 kW,50%負荷功率138 kW,25%負荷功率97.5 kW。能耗為339 883 kW·h。

經計算，全年能耗為739 300 kW·h,直接能源消耗費用59.1萬元。

4 對比分析

經比較,本文案例中三合一熱泵空調系統全年運行費用比常規空調系統節約66.3萬元,其運行費用只有常規空調系統的47%。

通過圖3的能耗對比分析可進一步發現,三合一熱泵空調系統在不同季節下的能耗均小于常規空調系統。其中,過渡季及冬季的差距尤為明顯,究其原因在于三合一熱泵的熱回收功能極為有效地減少了再熱能耗,降低了燃氣的使用量；而常規空調系統無法回收冷凝熱,且通過排風除濕造成了熱量的大量損失。

圖3 能耗對比柱形圖

5 結 語

由以上分析可知,三合一熱泵空調系統更適用于室內泳池的空調環境,相對于傳統空調箱的常規空調系統,其在滿足室內空氣環境的處理要求的同時,也能夠降低運行費用,降低能源消耗,業主在確定初投資方案時,可根據以上兩者運行費用的差值,權衡投資及收益。