深圳某五星級(jí)酒店空調(diào)冷熱源設(shè)計(jì)

潘陽(yáng)陽(yáng)

廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

空調(diào)冷熱源方案非常多，空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源應(yīng)根據(jù)建筑物的用途、規(guī)模、建設(shè)地點(diǎn)的能源條件、結(jié)構(gòu)、價(jià)格以及國(guó)家相關(guān)政策規(guī)定來(lái)確定[1]。根據(jù)《深圳市大氣環(huán)境質(zhì)量提升計(jì)劃》[2]要求：自2014 年起，賓館酒店行業(yè)全面推廣使用空氣能熱水器等高效能源利用設(shè)施，積極利用中央空調(diào)余熱和集中供熱工程代替鍋爐，新建項(xiàng)目不得使用鍋爐供應(yīng)熱水。這個(gè)政策出于對(duì)環(huán)境保護(hù)，對(duì)大氣有產(chǎn)生較大污染的鍋爐限制使用。對(duì)于五星級(jí)酒店這種對(duì)環(huán)境舒適度要求較高的場(chǎng)所，冬季需要供暖，在鍋爐限制使用的情況下，常規(guī)采用風(fēng)冷熱泵來(lái)代替鍋爐制熱。風(fēng)冷熱泵能效較低，特別是室外溫度較低時(shí)，制熱性能下降較大，冬季的采暖需要尋求一種較為高效經(jīng)濟(jì)的制熱系統(tǒng)。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于深圳南山區(qū)地處深圳灣濱海地區(qū)，周邊匯聚了深圳灣公園、紅樹(shù)林保護(hù)區(qū)、華僑城內(nèi)湖濕地等環(huán)境保護(hù)區(qū)，酒店空調(diào)面積約為2.96 萬(wàn)m2，建筑高度81.4 m。

2 負(fù)荷計(jì)算

室外氣象參數(shù)如表1 所示[3]：

表1 室外氣象參數(shù)

室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如表2 所示：

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

采用專業(yè)軟件對(duì)酒店房間進(jìn)行逐時(shí)負(fù)荷計(jì)算，結(jié)果如表3：

表3 室內(nèi)總負(fù)荷

3 冷熱源方案

3.1 水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)冬季供暖可行性分析

在常規(guī)的集中空調(diào)系統(tǒng)中，冷卻塔為夏季制冷主機(jī)冷凝器提供冷卻水系統(tǒng)散熱設(shè)備，原理是冷卻水與空氣直接接觸，利用空氣濕球溫度比較低的特點(diǎn)，跟高溫冷卻水進(jìn)行充分的熱交換，從而對(duì)水進(jìn)行冷卻。冬季，冷卻塔的進(jìn)水溫度低于空氣溫度，則空氣中的熱量就會(huì)被水吸收，從而使水溫升高。冬季，水是吸收空氣的顯熱來(lái)獲得熱量。夏季，水的散熱量跟冷卻塔的進(jìn)出口風(fēng)量的焓差有關(guān)，故相同的換熱量，冬季需要的換熱面積比夏季大。

根據(jù)表1 可知深圳地區(qū)冬季室外空調(diào)計(jì)算溫度為6 ℃，相對(duì)濕度72%。查近十年氣象參數(shù)，冬季小于10 ℃的天數(shù)平均為10 天，小于5 ℃的天數(shù)平均為1.5 天，需要采暖的月份為1 月、2 月、12 月，平均溫度為14.4 ℃。熱泵主機(jī)制熱工況下蒸發(fā)器的出口溫度為3～8 ℃的冷水，冬季室外空調(diào)計(jì)算溫度為6 ℃，冷卻塔出水溫度溫度為4.5 ℃，熱泵機(jī)組的防凍溫度為3 ℃，蒸發(fā)器的溫差為1.5 ℃，系統(tǒng)可正常運(yùn)行。

根據(jù)廠家提供的主機(jī)樣本，水源熱泵蒸發(fā)器出水溫度降低時(shí)，其制熱效率會(huì)下降，其供熱性能指標(biāo)修正參數(shù)詳圖1。在環(huán)境溫度下降較大時(shí)，風(fēng)冷熱泵的能效也會(huì)有下降。在設(shè)計(jì)溫度為6 ℃時(shí)，相同制熱量情況下，水源熱泵的制熱COP 為4.9，水源熱泵取熱側(cè)需聯(lián)合冷卻塔及水泵共同運(yùn)行，綜合制熱性能SCOP 為4.2。風(fēng)冷熱泵的制熱COP 為3.25，兩者相比，水源熱泵制熱能效更高，更節(jié)能。與風(fēng)冷熱泵制熱系統(tǒng)相比，水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)供暖在初投資及節(jié)能方面更具優(yōu)勢(shì)，在冬季室外計(jì)算溫度大于5.5 ℃的地區(qū)，且無(wú)法采用鍋爐供暖的情況下，可推廣運(yùn)用。

圖1 某品牌水源熱泵機(jī)組制熱性能指標(biāo)修正系數(shù)

3.2 水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)設(shè)備選型

本項(xiàng)目空調(diào)設(shè)計(jì)冷負(fù)荷4149 kW，熱負(fù)荷為1482 kW，根據(jù)熱負(fù)荷選用水源熱泵機(jī)組一臺(tái)，水冷螺桿機(jī)2 臺(tái)，一一對(duì)應(yīng)配備相應(yīng)的冷卻塔和冷卻水泵，具體設(shè)備參數(shù)詳表4，系統(tǒng)流程圖詳圖2，制冷制熱工況的運(yùn)行通過(guò)閥門的切換來(lái)實(shí)現(xiàn).

表4 主要設(shè)備參數(shù)表

圖2 制冷制熱系統(tǒng)流程圖

3.3 水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)運(yùn)行控制

夏季供冷工況：打開(kāi)閥門組1，關(guān)閉閥門組2，水源熱泵機(jī)組關(guān)閉閥門組3，打開(kāi)閥門組4，三臺(tái)制冷主機(jī)根據(jù)供回水溫差來(lái)確定主機(jī)的開(kāi)啟臺(tái)數(shù)，部分負(fù)荷下優(yōu)先開(kāi)啟螺桿式冷水機(jī)組制冷。冷卻塔對(duì)應(yīng)主機(jī)開(kāi)啟，冷卻水供回水溫度為30 ℃/35 ℃。

冬季供冷供熱工況：當(dāng)環(huán)境溫度大于10 ℃時(shí)，閥門組1 關(guān)閉，閥門組2 打開(kāi)，水源熱泵機(jī)組打開(kāi)閥門組3，關(guān)閉閥門組4，熱泵機(jī)組供暖，其中一臺(tái)螺桿式冷水機(jī)組供冷。冷卻水系統(tǒng)供回水管上設(shè)置旁通管及電動(dòng)旁通調(diào)節(jié)閥，冷卻塔出水溫度小于24 ℃時(shí)，開(kāi)啟電動(dòng)旁通閥，且連鎖關(guān)閉冷卻塔風(fēng)機(jī)。冷卻塔出水溫度大于30 ℃，關(guān)閉電動(dòng)旁通閥，并連鎖打開(kāi)冷卻塔風(fēng)機(jī)。

冬季供熱工況：當(dāng)環(huán)境溫度小于10 ℃時(shí)，閥門組1 關(guān)閉，閥門組2 打開(kāi)，水源熱泵機(jī)組打開(kāi)閥門組3，關(guān)閉閥門組4，螺桿式冷水機(jī)組關(guān)閉，開(kāi)啟兩臺(tái)冷卻塔，兩臺(tái)冷卻水泵運(yùn)行。

4 冷卻水系統(tǒng)防凍

熱泵機(jī)組在制熱工況下會(huì)有一個(gè)防凍保護(hù)溫度，通常設(shè)置在2～4 ℃。當(dāng)熱泵機(jī)組蒸發(fā)器出水溫度達(dá)到防凍保護(hù)溫度時(shí)，機(jī)組就是自動(dòng)停機(jī)保護(hù)。設(shè)定防凍保護(hù)溫度為3 ℃，則蒸發(fā)器入口最低溫度設(shè)置在4 ℃，考慮冷卻塔吸熱通過(guò)顯熱傳熱，冷卻塔出水溫度跟環(huán)境溫度溫差為1.5 ℃，則當(dāng)環(huán)境溫度低于5.5 ℃時(shí)，需要啟動(dòng)冷卻水防凍措施。常用的防凍措施有：

1）集水盤內(nèi)增設(shè)防凍電加熱器，冷卻水管保溫層內(nèi)加設(shè)電伴熱設(shè)施[4]。當(dāng)冷卻塔出水溫度低于4 ℃時(shí)，啟動(dòng)集水盤的電加熱器及保溫層內(nèi)的電伴熱設(shè)施。

2）在冷缺水系統(tǒng)中加入防凍液，降低冰點(diǎn)溫度。常用的防凍液有乙二醇溶液、鹽水。

本項(xiàng)目所處的深圳地區(qū)冬季環(huán)境溫度小于5 ℃的天數(shù)平均為1.5 天，需要采取防凍措施時(shí)間不長(zhǎng)。加入防凍液，防凍液對(duì)主機(jī)、冷卻塔、管材有特殊要求，且冷卻水系統(tǒng)跟冷水機(jī)組合用，對(duì)冷水機(jī)組有腐蝕危險(xiǎn)，系統(tǒng)同時(shí)滿足供冷供熱聯(lián)合運(yùn)行需要較大的經(jīng)濟(jì)成本，故采用第一種防凍措施即可滿足系統(tǒng)安全運(yùn)行要求。

5 結(jié)論

在深圳地區(qū)，冬季室外溫度較高，溫度低于5 ℃的時(shí)間較短，運(yùn)用水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)供暖在節(jié)能和初投資這兩方面均優(yōu)于風(fēng)冷熱泵+水冷冷水機(jī)組系統(tǒng)。特別是處于環(huán)境保護(hù)區(qū)的建筑，鍋爐被限制使用，水源熱泵耦合冷卻塔系統(tǒng)提供另外一種可行的冷熱源設(shè)計(jì)方案，可為同行工作者提供參考借鑒。