某體育館風(fēng)冷熱泵機(jī)組多種運(yùn)行工況設(shè)計(jì)(建筑)
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某體育館風(fēng)冷熱泵機(jī)組多種運(yùn)行工況設(shè)計(jì)(建筑)
姜紅 李京沙 姜海元
中國建筑設(shè)計(jì)院有限公司
摘要：本工程采用全熱回收型風(fēng)冷熱泵及普通型風(fēng)冷熱泵作為夏季集中冷源，全年泳池池水加熱熱源，過渡季游泳館通風(fēng)、供暖系統(tǒng)熱源；采用市政熱網(wǎng)作為冬季空調(diào)、供暖系統(tǒng)熱源，同時兼極端天氣及泳池一次加熱補(bǔ)充熱源。該系統(tǒng)全年共涉及7種運(yùn)行工況，文章介紹了各種工況轉(zhuǎn)換過程。另外本文分析了熱泵機(jī)組用于泳池加熱和補(bǔ)熱的經(jīng)濟(jì)性與合理性：以熱泵技術(shù)為基礎(chǔ)的一般熱泵機(jī)組可以考慮用于游泳池池水加熱和補(bǔ)熱使用。對于寒冷地區(qū)，選擇性能良好的機(jī)組再配出水溫度低，冬季大部分時間制熱率較高，對于本工程極端天氣，考慮由市政熱力作為輔助熱源，不增設(shè)電輔熱。
關(guān)鍵詞：全熱回收型風(fēng)冷熱泵泳池池水加熱工況轉(zhuǎn)換極端天氣
1 工程概況
工程位于河北省廊坊市燕郊經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，總建筑面積18000 m2，主要功能為籃球比賽大廳（帶觀眾廳）、游泳館、網(wǎng)球館、乒乓球室、健身房等。地上二層，局部地下一層，建筑高度20.3 m，建筑效果圖見圖1。
2 設(shè)計(jì)原則
1)本工程僅籃球比賽大廳設(shè)置集中空調(diào)系統(tǒng)，且賽時開啟，不連續(xù)使用。冬季集中空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)運(yùn)營情況，可能不投入使用，此時室溫需滿足人員活動需求。
2)冬季城市熱網(wǎng)開口容量僅滿足體育館供暖及空調(diào)使用，不負(fù)擔(dān)生活熱水用熱及泳池池水加熱。泳池加熱量較大，由暖通專業(yè)提供。
3)游泳館全年連續(xù)運(yùn)行，無設(shè)計(jì)鍋爐房條件。
3 集中空調(diào)冷熱源
3.1集中冷熱源負(fù)荷分布
集中冷熱源負(fù)荷分布見表1。
3.2集中冷熱源設(shè)計(jì)
1)螺桿式風(fēng)冷熱泵機(jī)組作為集中冷源，泳池池水加熱熱源，過渡季節(jié)游泳館通風(fēng)、供暖熱源。根據(jù)空調(diào)集中冷負(fù)荷，設(shè)置兩臺螺桿式風(fēng)冷熱泵冷熱水機(jī)組，單臺制冷量為590 kW，其中一臺設(shè)置全熱回收裝置。夏季運(yùn)行工況：熱泵機(jī)組供冷，同時全熱回收冷機(jī)利用空調(diào)的冷凝熱供給泳池加熱�？照{(diào)系統(tǒng)不運(yùn)行時，熱泵機(jī)組轉(zhuǎn)換至制熱工況，為游泳池加熱服務(wù)。
過渡季節(jié)運(yùn)行工況：兩臺風(fēng)冷熱泵機(jī)組全部轉(zhuǎn)換為制熱工況，為游泳館提供通風(fēng)、采暖熱負(fù)荷及泳池池水加熱所需的熱量。
冬季運(yùn)行工況：在室外-10℃時，要求熱泵機(jī)組提供的制熱量>720 kW。若出現(xiàn)冬季室外氣溫超低或泳池池水一次加熱極限工況時，這種工況游泳館通風(fēng)系統(tǒng)停止工作，采暖熱交換機(jī)組切換部分熱負(fù)荷為池水加熱服務(wù)。
運(yùn)行參數(shù)：風(fēng)冷熱泵機(jī)組夏季提供7/12℃的空調(diào)一次冷水（乙二醇），通過設(shè)在空調(diào)熱交換間里的板式熱交換器，為籃球館提供8/13℃的二次空調(diào)冷水，全熱回收機(jī)組夏季提供45/40℃的熱水作為泳池池水加熱熱源。風(fēng)冷熱泵機(jī)組轉(zhuǎn)換至制熱工況時，提供45℃/40℃的一次熱水（乙二醇），通過板式熱交換器，為游泳館提供44/39℃ 的二次熱水。
2)市政熱網(wǎng)作為冬季空調(diào)、供暖系統(tǒng)熱源。市政熱網(wǎng)提供85/60℃的一次熱水，通過空調(diào)板式熱交換器交換出60/45℃的二次熱水供空調(diào)系統(tǒng)服務(wù)。通過供暖板式熱交換器交換出75/50℃的二次供暖熱水供供暖系統(tǒng)服務(wù)。鑒于冬季空調(diào)系統(tǒng)可能不開啟，將泳池通風(fēng)系統(tǒng)與供暖系統(tǒng)共用熱交換器。
3)集中冷熱源系統(tǒng)原理圖見圖2。根據(jù)用戶需求，共分為7種設(shè)計(jì)工況。具體工況如下，不同工況轉(zhuǎn)換開關(guān)狀態(tài)詳見表2。
夏季工況：
①夏季工況1：L-1～2機(jī)組為體育館空調(diào)供冷，同時L-1熱回收熱泵機(jī)組為泳池池水連續(xù)加熱(350 kW)提供一次熱水；
②夏季工況2：泳池池水一次加熱( 900 kW)時，L-1～2機(jī)組全部切換至制熱工況，滿足池水一次加熱需求；此時運(yùn)行管理人員應(yīng)盡量避開體育館空調(diào)運(yùn)行時間。以免影響籃球館賽事使用。
③夏季工況3：體育館空調(diào)不運(yùn)行時，僅游泳館泳池池水有連續(xù)加熱(350 kW)需求，這種工況L．1～2機(jī)組運(yùn)行其中的1臺，切換至制熱工況工作。
過渡季工況：
①過渡季工況1：L-1～2機(jī)組切換至供熱工況，為游泳館空調(diào)供熱(400 kW)，為泳池池水連續(xù)加熱提供一次熱水(350 kW)。
②過渡季工況2：泳池池水一次加熱(900 kW)時，1-1～2機(jī)組全部切換到制熱工況，滿足池水一次加熱需求，泳池空調(diào)供熱暫停。
冬季工況：
①冬季工況1：運(yùn)行RJH-2機(jī)組，為功能房間提供供暖熱水( 75/50℃)，同時負(fù)擔(dān)游泳館冬季通風(fēng)系統(tǒng)加熱。根據(jù)運(yùn)營情況運(yùn)行RJH-1機(jī)組，為體育館提供空調(diào)熱水( 65/50℃)。鑒于市政熱力開口容量限制，同時運(yùn)行L-1～2機(jī)組其中一臺，為游泳池提供350 kW連續(xù)加熱熱量。
②冬季工況2：若出現(xiàn)冬季室外氣溫超低或泳池池水一次加熱(900 kW)極限工況時，游泳館通風(fēng)系統(tǒng)停止工作，RJH-2機(jī)組切換部分熱負(fù)荷為池水加熱服務(wù)。
4 風(fēng)冷熱泵機(jī)組選型
本工程按照夏季工況1選型，校核冬季工況1，非經(jīng)常工況（冬季工況2）考慮由市政熱力作為輔助熱源，不增設(shè)電輔熱。
4.1機(jī)組運(yùn)行性能分析
對于制冷壓縮機(jī)性，制冷量隨冷凝溫度的升高而減少，隨蒸發(fā)溫度的降低而減少；冷凝器排熱量隨冷凝溫度的升高而減少，隨蒸發(fā)溫度的降低而減少；輸入功率隨冷凝溫度的升高而增加，隨蒸發(fā)溫度的降低而減少。
本工程采用風(fēng)冷熱泵機(jī)組，室外參數(shù)與夏季冷凝溫度，冬季蒸發(fā)溫度變化基本一致。即：制冷量隨室外參數(shù)（冷凝溫度）的升高而減少，耗電量隨室外參數(shù)（冷凝溫度）的升高而增加，COP隨室外參數(shù)的升高而降低；制熱量隨室外參數(shù)（蒸發(fā)溫度）的降低而減少，耗電量隨室外參數(shù)（蒸發(fā)溫度）的降低而減少，且耗電量變化大，故COP隨室外參數(shù)的降低而減少。
4.2機(jī)組選型分析
1)機(jī)組名義工況參數(shù)。夏季名義制冷工況：冷凍水進(jìn)出水溫度12/7℃，環(huán)境干球溫度35℃；冬季名義制熱工況：熱水進(jìn)出水溫度40/45℃，環(huán)境干球溫度7℃，濕球溫度6℃。
2)本工程根據(jù)夏季工況選擇熱泵機(jī)組。單臺名義制冷量為590 kW。本地夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為34.4℃，小于名義工況室外參數(shù)，溫差較小不考慮修正。
3)冷機(jī)對應(yīng)名義制熱量為620 kW。校核設(shè)計(jì)工況-10℃機(jī)組出力。由于隨著室外參數(shù)的降低，機(jī)組耗功率也在降低，所以不可按額定功率乘以COP值進(jìn)行估算。經(jīng)廠家核算，-10℃機(jī)組出力為360 kW，僅為名義供冷量的40%，名義供熱量的58%。若簡單估算為220x2.1=462 kW，誤差率可達(dá)22%。
5 熱泵機(jī)組合理性分析
5.1熱泵機(jī)組作為泳池加熱熱源的經(jīng)濟(jì)性
以5℃冷水，加熱至40℃的熱水為例，計(jì)算每噸熱水加熱成本，詳見表3。
5.2熱泵機(jī)組用于寒冷地區(qū)的合理性
1)本工程僅要求熱泵機(jī)組在-10 ℃以上運(yùn)行，為了滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》( CB 50189-2005)條款5.4.10中冬季運(yùn)行性能系數(shù)不低于1.8的要求，低于-10℃時利用城市熱網(wǎng)輔助加熱。
2)因熱泵機(jī)組僅用于泳池加熱，出水溫度要求低，一次熱源取45/40℃，相比空調(diào)系統(tǒng)(55/50℃)，同機(jī)型耗功率低20%，制熱量低10%。
3)關(guān)于沖霜對供熱量的影響。水的三相圖詳見圖3，其中A點(diǎn)( t A=0.01℃，p A=611.2 Pa)為水的三相點(diǎn)，C點(diǎn)(pc=2.19 M Pa ;t a =-4.2℃)為水的臨界點(diǎn)。分別取夏熱冬冷地區(qū)(a)和寒冷地區(qū)(b)為例，對比結(jié)霜情況。圖中a點(diǎn)（t a=-4.2℃，p a=314 Pa）以合肥為例。b點(diǎn)( t b=-11℃，p b=124 Pa)以廊坊為例�？梢�
t1<t2，即a點(diǎn)距離結(jié)霜點(diǎn)更近，表明a點(diǎn)比b點(diǎn)更容易結(jié)霜�？梢姾涞貐^(qū)雖然冬季氣候低，但空氣干燥，沖霜不嚴(yán)重。且室外溫度越低，空氣中的絕對含濕量愈小，沖霜時間間隔越長。
6 結(jié)論
1)本工程充分體會到設(shè)計(jì)前與業(yè)主溝通的重要性，明確現(xiàn)有市政條件的可用容量，了解業(yè)主的項(xiàng)目需求及日后運(yùn)行管理方式。
2)在工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)空調(diào)與生活用熱系統(tǒng)全年的冷熱量需求，合理選擇風(fēng)冷熱泵機(jī)組及熱回收機(jī)組。但與生活用熱相結(jié)合，運(yùn)行工況轉(zhuǎn)換復(fù)雜，對運(yùn)行管理人員職業(yè)素質(zhì)要求高。
3)風(fēng)冷熱泵機(jī)組選型中，對冬季設(shè)計(jì)工況校核時，不可用額定耗功率乘以降低的COP值估算，需廠家配合選型。
4)以熱泵技術(shù)為基礎(chǔ)的一般熱泵機(jī)組可以考慮用于游泳池池水加熱和補(bǔ)熱使用。對于寒冷地區(qū)，選擇性能良好的機(jī)組再配出水溫度低，冬季大部分時間制熱率較高，有的能效比可高于3.0。本工程極端天氣，考慮由市政熱力作為輔助熱源，不增設(shè)電輔熱。
