嚴寒地區室內水上樂園全新風除濕設計與探索

徐 欽

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司,上海)

1 項目概況

某單體項目占地面積約25 000 m2,建筑面積40 614 m2,為某知名地產商在吉林長春建設的水世界主題樂園中的規模最大的單體項目。該項目地下1層主要為水處理機房、換熱站及其水泵房、空調機房、變電所等設備用房,地上單層大空間為室內水上樂園(由48.3 m高的異形幕墻及透光穹頂圍合而成),大空間內局部3層輔樓是由入口門廳、更衣室、辦公區及輔樓屋頂的餐飲區組成的房中房。水上樂園由人工沙灘大型造浪池、多個高空滑道著陸池、大型水寨及環繞一圈的漂流河等組成,為典型的高濕度環境大空間,如圖1所示。

圖1 室內水上樂園全景模型

2 暖通空調系統概述

2.1 冷熱源

1) 夏季工況。

該單體水上樂園大空間夏季室內設計參數為30 ℃/70%(僅作為設計計算依據,夏季對水上樂園大空間的室內溫度不作嚴格控制),門廳、更衣室及后勤辦公區域的室內設計參數為26 ℃/65%。室內水上樂園大空間夏季冷負荷為2 842 kW(全熱)/1 078 kW(顯熱),采用室外全新風進行除濕及供冷,僅在門廳、更衣室及后勤辦公區域設置直接蒸發式空調機組、直接蒸發式新風機組及多聯式空調機組。

2) 冬季工況。

該單體水上樂園大空間冬季室內設計參數為30 ℃/70%,更衣室設計溫度為25 ℃,門廳及后勤辦公區域設計溫度為18 ℃。冬季總熱負荷為8 850 kW,在地下室設置獨立換熱站,由水世界園區自建鍋爐房供應80 ℃/55 ℃的一次側熱水。換熱站內設置2臺5 500 kW的板式換熱器,為空調系統提供60 ℃/50 ℃的二次側熱水;換熱站內另設2臺700 kW的板式換熱器,為低溫地板供暖系統提供50 ℃/40 ℃的二次熱水。

2.2 暖通空調系統

1) 末端系統概述。

該單體室內水上樂園大空間內設置的末端系統見表1。

表1 室內水上樂園大空間內空調末端系統

該單體入口門廳設置1臺20 000 m3/h的直接蒸發式空調機組(帶熱水盤管),在更衣室及后勤辦公區域設置1臺8 000 m3/h的直接蒸發式新風機組(帶熱水盤管),配合多聯機及散熱器、地暖運行。

2) 夏季工況運行方案。

該項目地處嚴寒地區,夏季室外空氣涼爽、干燥,故采用全新風對水上樂園大空間進行除濕。

10臺40 000 m3/h的組合式空調機組開啟“過渡季節”全新風運行模式,為室內低區人員主要活動區域及3層屋頂餐飲街提供400 000 m3/h的室外新風;5臺20 000 m3/h的組合式新風機組開啟“過渡季節”運行模式,為高空穹頂提供100 000 m3/h的室外新風。

入口門廳、更衣室、后勤辦公等區域運行對應的直膨式空調機組、直膨式新風機組及多聯機。

夏季室內水上樂園總共引入500 000 m3/h的室外新風對水上樂園進行除濕、降溫。

3) 冬季工況運行方案。

冬季室內外含濕量差值較大,室內水上樂園除濕所需室外新風量遠小于夏季。

10臺40 000 m3/h的組合式空調機組開啟“空調季節”運行模式,新風比為20%,每臺空調機組引入8 000 m3/h的室外新風,為室內低區人員主要活動區域及3層屋頂餐飲街提供400 000 m3/h經過處理的空調送風進行空調供熱,同時提供80 000 m3/h的室外新風,以保障人員新風量需求;5臺20 000 m3/h的組合式新風機組開啟“空調季節”運行模式,為高空穹頂提供50 000～100 000 m3/h經過處理的室外新風進行空調供熱(新風機組風機變頻)。

開啟沿玻璃幕墻一圈設置的落地風機盤管,以減少冷風滲透及室外冷輻射對室內靠近外圍護結構處的舒適度的影響,并減少外幕墻的結露現象。開啟高空穹頂馬道空調平臺的35臺10 000 m3/h的吊掛式室內循環空調機組,為室內高空提供熱量并減少穹頂及馬道的結露現象。

開啟地面低溫水輻射系統,以保證游客活動區域的熱舒適度。

入口門廳、更衣室、后勤辦公等區域運行對應的直膨式空調機組(帶熱水盤管)、直膨式新風機組(帶熱水盤管)及散熱器、地暖。

冬季室內水上樂園總共引入130 000 m3/h的室外新風對水上樂園進行除濕;隨著室外氣象參數變化(室外空氣溫度升高、含濕量上升)逐步提高為高空服務的組合式新風機組的新風量,直至機組全開,此時共引入180 000 m3/h的室外新風對水上樂園進行除濕;當除濕所需的新風量進一步提升時,提高為低區服務的組合式空調機組的新風比,以滿足除濕需求。

3 除濕方案對比

3.1 散濕量計算

散濕量為確定除濕方案及系統規模的重要依據,分為池面蒸發量、池岸蒸發量及人員散濕量三部分,其中池面蒸發量計算公式參考不同文獻。

1) 池面蒸發量計算公式[1]為

(1)

式中W1為池面蒸發量,kg/s;Cz為蒸發系數,kg/(Pa·m2·s);p2為水表面的飽和水蒸氣分壓力,Pa;p1為水表面的空氣和水蒸氣分壓力,Pa;F1為水表面積,m2;101 300為標準大氣壓力,Pa;B為當地的大氣壓力,Pa。

該單體池面面積約為5 550 m2,Cz是一個通過模型實驗得出的數據,與水面平靜程度、風速、水溫和水蒸氣分壓力差有關,這里取6.6×10-8kg/(Pa·m2·s)[1],計算得到池面蒸發量W1=1 760 kg/h。

池面蒸發量的另一個計算公式[2]為

W1=F1g

(2)

式中g為水面的單位蒸發量,kg/(m2·h),可查詢文獻[2]中的表20.12-1。

表2 除濕熱泵方案初投資概算

該單體池面面積約為5 550 m2,查表后g取0.24 kg/(m2·h),計算得到池面蒸發量W1=1 332 kg/h。

除濕設計中池面蒸發量取上述2種計算方式得到的結果中的較大值,即W1=1 760 kg/h。

2) 池岸蒸發量計算公式[1]為

W2=4.75×10-6(tg-ts)F2Cr

(3)

式中W2為池岸蒸發量,kg/s;tg為室內計算干球溫度,℃;ts為室內計算濕球溫度,℃;F2為池岸面積,m2;Cr為濕潤系數,一般取0.2～0.4。

該單體池岸面積約為14 800 m2,Cr取0.3,計算得到池岸蒸發量W2=350 kg/h。

3) 人員數量為4 000人;群集系數取0.8;室內游玩、休閑、用餐等活動介于輕度活動與中等活動之間,單人散濕量取220 g/h[2];計算得到人員總散濕量W3=700 kg/h。

4) 室內水上樂園總散濕量為W1+W2+W3=2 810 kg/h。

3.2 全新風除濕方案

該項目所在地為長春,以下室外氣象參數參考GB 50736—2012《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》。

1) 夏季工況。

夏季通風室外計算溫度為26.6 ℃,相對濕度為65%,含濕量為14.9 g/kg;夏季水上樂園大空間的室內設計參數為干球溫度30 ℃、相對濕度70%,該參數下的含濕量為19.7 g/kg。室內外含濕量差為4.8 g/kg,空氣的密度取1.2 kg/m3,則除濕需要的室外新風量為487 848 m3/h,考慮工程余量,夏季引入500 000 m3/h室外新風進行室內除濕。

2) 冬季工況。

冬季空調室外計算溫度為-24.3 ℃,相對濕度為66%,含濕量為0.3 g/kg。冬季水上樂園大空間的室內設計參數為干球溫度30 ℃、相對濕度70%,該參數下的含濕量為19.7 g/kg。室內外含濕量差為19.4 g/kg,空氣的密度取1.2 kg/m3,則除濕需要的室外新風量為120 580 m3/h,考慮工程余量,冬季引入至少130 000 m3/h室外新風進行室內除濕。

因冬季設定的空調機組及新風機組的出風溫度為45 ℃,故參與除濕的10臺空調機組及5臺新風機組的總熱負荷為4 660 kW。

3.3 傳統除濕熱泵方案

該單體需設置15臺除濕熱泵,單臺設備風量40 000 m3/h,除濕量200 kg/h,其中12臺服務于低區人員活動區域,3臺服務于高區穹頂區域。

1) 夏季工況。

夏季空調室外計算干球溫度為30.5 ℃,濕球溫度為24.1 ℃,含濕量為17.3 g/kg;夏季水上樂園大空間的室內設計參數為干球溫度30 ℃、相對濕度70%,該參數下的含濕量為19.7 g/kg。室內人員需要的最小新風量為80 000 m3/h,每臺除濕熱泵的新風量為5 400 m3/h,新風比為13.5%,根據線性插值法得出除濕熱泵入口空氣參數為干球溫度30 ℃、含濕量19.4 g/kg、比焓79.9 kJ/kg;計算得出除濕盤管出口干球溫度為20.6 ℃,含濕量為15.5 g/kg,比焓為60.3 kJ/kg。根據比焓差計算得出單臺除濕熱泵在夏季工況的除濕制冷量為261 kW,這些熱量與壓縮機散熱量之和部分由除濕熱泵送風再熱回收,部分由泳池冷凝器回收,多余熱量由設置于室外綠化帶的冷卻塔的冷卻水帶走。

筆者查閱了多個廠商的樣本資料,在該風量及除濕量規格下除濕熱泵的制冷量略有區別,但與筆者計算值差距均不大,除濕熱泵在該工況下的額定功率(包含壓縮機、送風機、回風機)均在95 kW上下。

2) 冬季工況。

冬季空調室外計算干球溫度為-24.3 ℃,相對濕度為66%,含濕量為0.3 g/kg,為防止室外低溫新風與室內濕度較大的空氣直接混合出現凍結風險,設置預熱盤管(熱負荷為55 kW)將室外新風預熱至干球溫度5 ℃、含濕量0.3 g/kg;冬季水上樂園大空間的室內設計參數為干球溫度30 ℃、相對濕度70%,該參數下的含濕量為19.7 g/kg。室內人員最小新風量為80 000 m3/h,每臺除濕熱泵的新風量為5 400 m3/h,新風比為13.5%,根據線性插值法得出除濕熱泵混合后入口空氣參數為干球溫度26.6 ℃、含濕量17.1 g/kg、比焓70.5 kJ/kg;計算得出除濕盤管出口干球溫度為20.6 ℃,含濕量為15.5 g/kg,比焓為60.3 kJ/kg。根據比焓差計算得出單臺除濕熱泵在冬季工況的除濕制冷量為136 kW,這些熱量與壓縮機散熱量之和的一部分由除濕熱泵送風再熱回收,再熱后的空氣參數為干球溫度32.6 ℃、含濕量15.5 g/kg,因冬季設定的送風溫度為42.5 ℃,故這些空氣仍需經過除濕熱泵的熱水補熱盤管(熱負荷為135 kW)加熱。

除濕熱泵在冬季工況下的額定功率(包含壓縮機、送風機、回風機)為75 kW,因多臺壓縮機出力不滿時通過控制開啟臺數來節約能源,故略有下降。冬季除濕熱泵的預熱盤管及補熱盤管的總熱負荷為2 850 kW,較全新風除濕方案更低,該單體換熱站內板式換熱器的換熱量調整為4 500 kW。

3.4 除濕經濟性對比

1) 初投資分析。

除濕熱泵方案初投資見表2,全新風除濕方案初投資見表3。表中僅統計了與除濕系統相關的空調箱、新風機、排風機,除濕熱泵及與其配套的冷卻塔、冷卻水泵、鍋爐、板式換熱機組等主要相關設備。

表3 全新風除濕方案初投資概算

由表2、3可知:除濕熱泵方案初投資為1 415萬元;全新風除濕方案初投資為354萬元,考慮到該方案冬季供熱量更高,園區鍋爐房裝機容量的造價差異經估算約為70萬元,故該方案初投資為424萬元。全新風除濕方案的初投資僅為除濕熱泵方案的30%。

2) 運行費用分析。

根據項目所在城市用電電價(1～10 kV,0.870 2 元/(kW·h))及天然氣價格(3.7元/m3),全新風除濕與除濕熱泵除濕的運行能耗及費用見表4。表中僅對比了除濕系統相關的設備運行費用,其中除濕系統冬季運行時的熱源費用(熱源由園區自建鍋爐房提供)以其消耗的天然氣計算(按每700 kW消耗75 m3/h天然氣計算)。

表4 全新風除濕與除濕熱泵除濕運行能耗及費用對比分析

由表4可知:夏季工況下全新風除濕的運行費用僅為除濕熱泵除濕的25%,相差約28.85萬元;冬季工況下全新風除濕與除濕熱泵除濕的運行費用差距較小,僅為0.03萬元,全新風除濕的運行費用仍然更低。

3) 除濕方案對比結論。

通過以上對比可以看出:在夏季工況下,全新風除濕的初投資和運行費用均優于除濕熱泵除濕;而在冬季工況下,因除濕熱泵通過除濕后的再熱過程幾乎完全回收了壓縮機制冷時所搬運的熱量及其自身散熱量,從而降低了冬季供熱時所需要的熱量,但因除濕熱泵工作時仍需要消耗較多的電能,故冬季運行成本仍然高于全新風除濕。

筆者在烏魯木齊、呼和浩特等地設計的類似項目也得到了相近的計算結果。可見,在嚴寒地區,全新風除濕是一個較好的選擇。

4 模擬分析結果

為了加強對理論設計的支撐,借助計算機進行模擬分析。建模軟件:Gambit,計算軟件:Fluent,模擬結果如下:

1) 如圖2所示,人行區域1.5 m高的位置平均溫度為30.7 ℃;最低局部溫度為24.4 ℃,主要出現在外圍玻璃幕墻處;局部溫度達到36 ℃,不舒適,主要出現在風亭設置較為密集的區域,運行時可根據實際情況調低這些風亭的出風溫度。

圖2 冬季水平溫度分布

2) 如圖3所示,大空間內形成了豎向溫度分層,頂部與底部豎向溫差為3.3 ℃,溫度梯度為0.07 ℃/m。考慮到一些較高的滑道頂部出發位置(游客不會長時間停留)溫度約為33～34 ℃,不是非常舒適的溫度,可在運行時根據實際情況調低高位側送風的溫度。

圖3 冬季豎向溫度分布

3) 如圖4所示,采光頂表面平均溫度為25.4 ℃,溫度范圍為18.0～30.0 ℃,最低溫度區域有結露風險。這些低溫區域主要出現在四周的環形采光頂上,可在其斜向下的金屬外墻處設置導流槽,其位置遠離核心游樂區域,對游客影響較小。

圖4 采光穹頂區域表面溫度分布

4) 如圖5所示,玻璃幕墻平均溫度為21.4 ℃,溫度范圍為15.0～29.0 ℃,最低溫度區域有結露風險。這些低溫區域主要出現在四周貼幕墻布置的立式風機盤管送風口以下的區域,可在其下方設置導流槽,其位置遠離核心游樂區域,對游客影響較小。

圖5 玻璃幕墻區域表面溫度分布

5) 圖2～5為對溫度較為敏感的冬季室內模擬結果,對于室內溫度不作嚴格控制的夏季,模擬結果如圖6所示,人行區域1.5 m高的位置平均溫度為32.3 ℃,在夏季水上樂園游玩中是可以接受的室內溫度;局部溫度達到34.0 ℃,主要出現在一些集中了較大發熱功率設備的區域,這些區域對游客影響較小。室內水上樂園大空間內夏季設計室內外溫差為3.4 ℃,全新風帶來的顯熱供冷能力為573 kW,室內冷負荷為1 078 kW(顯熱),在室內溫度達到模擬溫度32.3 ℃后,全新風約能提供960 kW顯熱供冷能力,與筆者計算的當室內溫度為32.0 ℃時,室內冷負荷為980 kW(顯熱)較為接近。該項目在設計中增加了排煙天窗及低位自然補風窗的非火災報警期間電動開啟功能,可在夏季必要時增大室內通風效果,進一步降低室內溫濕度。

圖6 夏季水平溫度分布

5 結束語

通過該項目分析,嚴寒地區室內水上樂園采用全新風除濕的方案在工程上是一個較好的選擇。從初投資看,其僅為除濕熱泵方案的30%;在運行費用上,其在夏季工況具有明顯的優勢,而在冬季工況其在除濕熱泵將自己的節能特性發揮到極致時,仍然具有微弱優勢。通過對空調系統末端氣流組織進行針對性調整,能夠有效地控制結露風險。