楊 森

(深圳市建筑科學(xué)研究院,廣東深圳518049)

1 前言

環(huán)境污染和能源危機已成為當(dāng)今社會的兩大難題,如何在享受舒適的室內(nèi)空氣環(huán)境的同時付出最少的代價逐漸成為人類的共識,盡可能少地消耗能源為建筑物創(chuàng)造舒適環(huán)境已經(jīng)成為空調(diào)的發(fā)展方向。在公共建筑的全年能耗中,大約50%～60%消耗于空調(diào)制冷與采暖系統(tǒng)[1],根據(jù)05版的 《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》所提要求,全年采暖、通風(fēng)、空調(diào)和照明的總能耗應(yīng)減少50%,其中空調(diào)采暖系統(tǒng)分擔(dān)節(jié)能率約20%～16%。所以在暖通空調(diào)設(shè)計中必須樹立節(jié)能意識,在滿足舒適性的同時,優(yōu)化系統(tǒng)。下面就筆者參與的一個酒店項目在設(shè)計方案確定和系統(tǒng)優(yōu)化方面作一介紹。

2 酒店類項目的特點及工程概況

2.1 酒店類項目的特點

酒店類項目有以下特點:①空調(diào)用冷量和熱水供應(yīng)量是相當(dāng)大的。通常情況下,空調(diào)和熱水供應(yīng)是由兩個獨立的冷熱源如冷水機組和燃油、氣鍋爐等來供應(yīng)的。這將使得冷凝熱、CO2、SOx、NOx、粉塵等的排放量增加,從而導(dǎo)致能源利用效率的降低和環(huán)境的破壞,因此,在酒店、賓館、別墅等需要用生活熱水系統(tǒng)的項目中,如何將制冷和熱水供應(yīng)綜合考慮,降低能耗和減少對環(huán)境的污染,實現(xiàn)空調(diào)和熱水供應(yīng)的可持續(xù)發(fā)展,是系統(tǒng)設(shè)計中需要重點考慮的問題;②淡季顧客稀少、旺季房間供不應(yīng)求,要求供冷供暖系統(tǒng)具有良好的部分負荷調(diào)節(jié)性和高效性;③功能復(fù)雜,除客房外,通常還包括餐飲、娛樂、會議、桑拿健身甚至室內(nèi)恒溫泳池等高能耗的場所,空調(diào)水系統(tǒng)較為復(fù)雜;④有內(nèi)外區(qū),部分區(qū)域需要全年供冷,外區(qū)則還須兼顧采暖的需求。

2.2 工程概況

項目酒店位于海南省三亞市,臨海建筑,整個建筑物根據(jù)功能使用的要求須設(shè)置中央空調(diào)系統(tǒng),要求夏季制冷,冬季和過渡季節(jié)制冷和通風(fēng)為主,局部區(qū)域有制熱的情況,酒店客房24小時供應(yīng)生活熱水。各部分負荷如下:酒店建筑面積38000m2,夏季冷負荷Q冷=3555kW,全年需要提供酒店生活用熱水,生活熱水負荷Q熱=1500kW。

2.3 影響空調(diào)能耗的因素

(1)外圍護結(jié)構(gòu)熱工性能的優(yōu)劣,根據(jù)規(guī)范要求圍護結(jié)構(gòu)分擔(dān)的節(jié)能率約為總能耗的25%～13%。

(2)客房出租率和餐廳營業(yè)率,會議廳和娛樂桑拿等場所的使用率。

(3)空調(diào)冷、熱源的選擇:結(jié)合當(dāng)?shù)啬茉唇Y(jié)構(gòu)形式,供冷、供熱的能源不一定要全用電或降低用電,可以根據(jù)能源價格采用蒸汽、天然氣、燃油。

(4)制冷機臺數(shù)、容量的選擇:根據(jù)建筑物的構(gòu)成各個單體部分的營業(yè)時間和特點、部分負荷時的用冷、用熱要求來確定制冷機臺數(shù)、容量。

(5)變頻設(shè)備的采用:相對于定頻設(shè)備,變頻技術(shù)的合理采用,折算為全年總耗電可降低2%～3%。

(6)有無采用熱回收裝置等節(jié)能措施:排風(fēng)熱回收、制冷機冷凝熱的有效回收等。

(7)廚房和洗衣房的設(shè)置及使用要求。

3 主機系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

通過對影響空調(diào)能耗因素的分析,可以看出其中前兩條是需要和其他專業(yè)協(xié)調(diào)配合的,而其他幾項是我們在暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計中需要系統(tǒng)考慮的。下面就通過主機形式的選擇,主機數(shù)量、大小及水系統(tǒng)的配置、空調(diào)系統(tǒng)的布置、水系統(tǒng)的控制等幾方面的分析,簡述設(shè)計中水系統(tǒng)的比較確定。

3.1 主機形式的選擇

酒店項目由于空調(diào)用冷量和熱水供應(yīng)量相當(dāng)大,在制冷主機的選擇上首先應(yīng)考慮帶熱回收功能的主機,在滿足空調(diào)使用的基礎(chǔ)上,回收廢熱用于生活熱水的需求,熱回收原理是在制冷原理基礎(chǔ)上,將向高溫環(huán)境散發(fā)的廢熱加以回收的技術(shù),常規(guī)的方法是在制冷循環(huán)的冷卻水管路中增加一個熱回收換熱器,或在冷凝器上增加熱回收管束以及在排氣管上增加換熱器?；厥盏臒崃恳话憧梢杂糜谏顭崴⒐I(yè)用水加熱、空調(diào)水或風(fēng)的預(yù)熱等用途。

常見的熱回收有以下形式:①風(fēng)冷熱回收;②水冷熱回收;③水冷冷卻水熱回收;④水冷冷凍水熱回收;⑤水源熱泵熱回收等。

3.1.1 風(fēng)冷熱泵熱回收 在常規(guī)的風(fēng)冷凝器前串聯(lián)一個水冷冷凝器,此時風(fēng)冷冷凝器起到了一個“能量平衡器”的作用,根據(jù)制冷量和熱回收量的多少,調(diào)節(jié)風(fēng)扇的開啟,保證系統(tǒng)的平衡。在夏熱冬冷和夏熱冬暖地區(qū) (或其他地區(qū)有全年供冷需求的場所),可以使用風(fēng)冷熱泵熱回收機組,當(dāng)冬季、過度季熱水需求大于冷量需求的時候,風(fēng)冷冷凝器承擔(dān)一部分排冷的作用。系統(tǒng)原理圖見圖1。

圖1 風(fēng)冷熱泵熱回收系統(tǒng)原理圖

3.1.2 水冷熱回收 水冷熱回收機組是在制冷循環(huán)的冷卻水管路中增加一個熱回收換熱器,或在冷凝器上增加熱回收管束以及在排氣管上增加換熱器。這部分水-水熱回收器的基本原理和風(fēng)冷熱回收機組類似,主要區(qū)別是冷凝器是靠冷卻水來釋放多余的熱量。系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 水冷熱回收系統(tǒng)原理圖

3.1.3 水冷冷卻水熱回收 水冷冷卻水熱回收實際上是在常規(guī)系統(tǒng)的冷卻水高溫段,串聯(lián)疊加一組水源熱泵冷水機組的方式,此種方式可以在提高熱回收熱水的溫度的同時,基本不降低制冷機組的效率,保持系統(tǒng)的運行穩(wěn)定。系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 水冷冷卻水熱回收系統(tǒng)原理圖

3.1.4 水冷冷凍水熱回收 水冷冷凍水熱回收系統(tǒng)是在常規(guī)的冷凍水系統(tǒng)中串接水源熱泵機組,熱泵吸收空調(diào)冷凍水 (12℃)中的能量,使其降至8℃左右,空調(diào)系統(tǒng)獲取有用冷量;熱泵汲取的熱量在熱水側(cè)釋放,加熱自來水,使其提高溫度至設(shè)定值 (＞55℃),通過對熱水溫度的設(shè)定,控制熱泵系統(tǒng)的運行。系統(tǒng)原理圖見圖4。

圖4 水冷冷凍水熱回收系統(tǒng)原理圖

3.1.5 水 (地)源熱泵熱回收 水 (地)源熱泵熱回收系統(tǒng)和常規(guī)的水冷熱回收機組相比,主機利用地埋管或外部水源排冷或散熱,土壤或外部水源起到了 “能量平衡器”的作用,優(yōu)點是在冬季采暖需求比較大的地區(qū),可充分利用主機供暖,減少不必要的采暖設(shè)備投資和消耗。此系統(tǒng)在寒冷地區(qū),夏熱冬冷地區(qū)優(yōu)勢較大,系統(tǒng)原理圖見圖5。

圖5 水(地)源熱泵熱回收系統(tǒng)原理圖

3.2 各系統(tǒng)對比分析

方案1～5從能效比、節(jié)能、初投資、運行費用、維護管理、系統(tǒng)管路復(fù)雜性、無制冷負荷時產(chǎn)熱水能力、自控要求等幾方面比較如表1:

表1 方案1～5對比

由于酒店通常在一年四季都有生活熱水的需求,而我國地域氣候差異較大,故5種方案有不同的適用地區(qū)和條件。方案1適用地區(qū)為夏熱冬暖地區(qū),在夏熱冬冷地區(qū)需根據(jù)實際情況確定是否需要輔助熱源,在寒冷地區(qū)和嚴寒地區(qū)優(yōu)勢不大,必須有其他穩(wěn)定的輔助熱源。方案2在無制冷負荷的情況下無法產(chǎn)生熱水,在所有地區(qū)使用都必須設(shè)置輔助熱源。方案3偏重于提高回收熱水的溫度,適用地區(qū)基本同方案1。方案4則適用與冷負荷遠大于生活熱水負荷的項目,冬天可開啟水源熱泵機組生產(chǎn)熱水,但必須監(jiān)控冷凍水系統(tǒng)的水溫。方案5主要需確保地埋管或外部水源的穩(wěn)定性,需進行較嚴格的冷、熱、水的平衡計算。

3.3 本項目系統(tǒng)確定

結(jié)合本項目實際情況,由于地下室無空間,安裝高度和位置不夠,水系統(tǒng)管道井未預(yù)留位置,無其他輔助熱源;項目雖然靠海建設(shè),但由于海灘為公共資源,無法利用海水作為水源,故最終確定采用方案1,風(fēng)冷熱泵熱回收系統(tǒng)。選用風(fēng)冷螺桿式冷水機組三臺,單臺額定制冷量為711kW,風(fēng)冷熱回收冷水機組兩臺,單臺額定制冷量為717kW,熱回收量為917kW,冷凍水供回水溫度為7℃/12℃,冷凍水泵共六臺,五用一備,熱回收水供回水溫度為55℃/50℃,熱回收水泵共三臺,兩用一備。

3.4 選定系統(tǒng)優(yōu)缺點分析

風(fēng)冷熱回收的優(yōu)點有以下幾點:①自由、免費使用空氣資源,沒有容量限制,完全免受能源(如:油、天然氣)價格波動的影響,以空氣為源體,不消耗水資源,也不會對水源水質(zhì)造成污染;②省去了供熱鍋爐房、冷卻塔及附屬設(shè)備;③明顯節(jié)能,降低生活熱水的成本;④利用熱泵技術(shù)冬季向建筑物供暖、夏季向建筑物供冷、并可同時提供衛(wèi)生熱水,大大提高了設(shè)備的綜合利用率;⑤由于采用了熱回收技術(shù),機組的運行狀態(tài)穩(wěn)定,相較于常規(guī)風(fēng)冷熱泵受環(huán)境溫度變化的影響減至最低。

缺點:①單位冷量系統(tǒng)造價高于水冷系統(tǒng);②系統(tǒng)額定COP低于水冷系統(tǒng),所以單位冷量單機年耗能 (kWh/年)高于水冷系統(tǒng),即運行費用偏高;③受室外氣溫變化的影響,氣溫過熱或過冷均影響機組運行;④機組需放在室外通風(fēng)良好的地方,由于制冷量大、機組體積大、噪聲大,在對環(huán)境和建筑外觀要求較高的場所布置比較困難,如布于屋頂,還需要增設(shè)特別的減震、降噪措施。

4 水系統(tǒng)設(shè)置及節(jié)能設(shè)計

4.1 主機大小配置

由于空調(diào)負荷的不斷變化,空調(diào)設(shè)備經(jīng)常是處于部分負荷狀況下工作,所以部分負荷狀況下的能耗指標更能反映空調(diào)系統(tǒng)的實際能耗?？照{(diào)負荷往往是按最不利情況考慮的,如果不考慮相應(yīng)的能量調(diào)節(jié),很容易形成大馬拉小車,耗能指標落后的現(xiàn)象。從運行節(jié)能的觀點看,選擇大、小冷水機組匹配的方案要優(yōu)于選擇兩臺同型號、同規(guī)格的方案。結(jié)合本工程的特點,總冷量大,部分負荷出現(xiàn)的情況較多且不規(guī)律,風(fēng)冷主機容量限制,屋面荷載等各種因素,最終選定三臺單冷和兩臺熱泵熱回收機組的形式。

4.2 水泵的選擇和水系統(tǒng)的設(shè)計

變流量空調(diào)水系統(tǒng)的調(diào)節(jié)一般有以下幾種方法[2]:

(1)節(jié)流調(diào)節(jié),在供水總管上裝設(shè)控制閥門,調(diào)節(jié)系統(tǒng)能量。

(2)旁通調(diào)節(jié),在供回水管上設(shè)旁通,通過供回水壓差調(diào)節(jié)。

(3)采用二次泵系統(tǒng),其中,一次泵定流量,保證蒸發(fā)器水流量穩(wěn)定;二次泵變流量,通過變速調(diào)節(jié)或臺數(shù)調(diào)節(jié)來實現(xiàn)。

(4)一次泵變流速調(diào)節(jié)。

各系統(tǒng)的優(yōu)缺點相關(guān)論述較多,本文不再展開。本項目最終選擇旁通調(diào)節(jié)的方式。

4.3 熱回收機組的位置的設(shè)置

由于熱回收機組的主要目的是供冷,將冷凝器的散熱量回收,用于工藝水、生活水、空調(diào)水預(yù)熱是次要目的。因此要獲得較多的熱回收量,必須有充足的冷負荷,通常機組在70%～95%的負荷范圍內(nèi)運行。熱回收機組一般與多臺單冷機組共同使用,確保足夠的冷負荷提供給熱回收機組。通常有三種接管方式[3]:常規(guī)并聯(lián)系統(tǒng)、優(yōu)先并聯(lián)方案和優(yōu)先旁通方案。本系統(tǒng)由于負荷相對集中,最終選擇采用常規(guī)一次泵并聯(lián)系統(tǒng) (見圖6)。

圖6 常規(guī)并聯(lián)系統(tǒng)

4.4 水系統(tǒng)的設(shè)計及分級壓差控制

水系統(tǒng)的平衡設(shè)計長期以來一直是制冷空調(diào)設(shè)計中比較薄弱的環(huán)節(jié),在同程、異程、如何使用平衡閥、使用平衡閥是否導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加等問題上存在許多爭論,其實筆者認為水系統(tǒng)平衡最核心的問題是合理的系統(tǒng)劃分和管路布置,好的系統(tǒng)劃分可以在一開始就避免大部分的平衡問題。

本項目建筑為一個波浪形狹長建筑,地下室和一、二層設(shè)有餐廳、桑拿和部分會議室,三至十層為酒店客房,根據(jù)建筑的體形和功能,將水系統(tǒng)分為十個大支路,分別負擔(dān)各功能區(qū)域,同時新風(fēng)系統(tǒng)和空調(diào)柜機系統(tǒng)均由單獨支路負擔(dān),避免和風(fēng)機盤管系統(tǒng)串接,最大支路和最小支路負擔(dān)的負荷差控制在30%之內(nèi)。集水器連接各支路管路上設(shè)靜態(tài)平衡閥,連接新風(fēng)和空調(diào)柜機的幾個支路,由于末端設(shè)備阻力、負荷、性質(zhì)均比較接近,故采用同程連接,酒店客房由于使用時間受入住率影響較大,開啟不規(guī)律,故采用豎向異程、水平同程的管路布置,并在各層水平支路上設(shè)置壓差控制閥,既保證了系統(tǒng)的精確控制,又使得各分支路相對獨立,部分運行時各系統(tǒng)沒有相互干擾,便于水力平衡和運行管理。

5 結(jié)語

本文通過對具體的一個酒店類項目水系統(tǒng)的分析比較,總結(jié)了不同形式空調(diào)熱回收系統(tǒng)的接管形式及適用地區(qū),簡述了熱回收機組在系統(tǒng)中的位置設(shè)置及本項目的水力平衡方式,分析了實際采用的熱泵熱回收系統(tǒng)的優(yōu)缺點。本項目在排風(fēng)熱回收、過度季對全新風(fēng)的利用、送風(fēng)方式等方面仍有節(jié)能的空間,因系統(tǒng)不同,且相關(guān)論述較多,故未在本文中展開。

空調(diào)設(shè)計,最主要的就是要做好熱、濕、風(fēng)的平衡,因為國家提倡節(jié)能減排,相關(guān)節(jié)能設(shè)備出現(xiàn)了很多,怎樣合理有效的設(shè)計空調(diào)系統(tǒng),發(fā)揮不同節(jié)能設(shè)備的優(yōu)勢,仍需要我們相關(guān)設(shè)計人員付出更大的努力。

[1] 中華人民共和國 公共建筑節(jié)能設(shè)計標準[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[2] 潘云鋼.高層民用建筑空調(diào)設(shè)計[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999

[3] 中國建筑標準設(shè)計院.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施節(jié)能專篇[M].北京:中國計劃出版社,2007

[4] (瑞典)ROBERT PETITJEAN TA-Tour&Andersson AB著,楊國榮等譯.全面水力平衡[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007