广州纺织博览中心水环热泵中央空调系统设计与分析

2011-06-19苏艳辉

制冷 2011年1期

关键词：冷却塔源热泵热泵

唐丹,苏艳辉

(中建(北京)国际设计顾问有限公司广州分公司,广州510630)

1 引言

水环热泵空调系统是指小型水源热泵空调机组的一种应用形式,该系统将小型水源热泵分散布置在各用户的末端,由公共水环路将各个末端机组并联在一起,构成以回收建筑物内部余热为主要特征的热泵供暖、供冷的空调系统。

该空调系统于二十世纪六十年代由美国率先提出,八十年代开始在我国的大城市有所应用。目前该系统不仅在华东和华南等经济相对发达的地区发展成熟,而且在华中和西南地区也已经得到了推广。

2 工程概况

广州纺织博览中心位于广州市海珠区,地处中大纺织商圈核心位置。该项目为超大型公建项目,结合办公、商场、酒店、会议于一体,由三层地下室、六层裙楼及八栋层数为二十四～二十七层的塔楼组成。在地上裙楼与负一层安排了商场空间,负二、负三层为地下车库、非机动车库和设备用房,项目总建筑面积近七十万平方米。建筑的商场功能为超大型的纺织品交易中心,面料、辅料一站式采购基地,标准铺位数超过六千五百个,建筑面积近五十万平方米。

3 方案选择比较

该项目商场建筑面积大,建设方采用分期投资、分期建设的形式。商场空间均分隔为小型商铺,各个商铺将来均考虑为不同的承租方,空调控制区域独立性强,因此对所采用的空调系统的单独操作及独立计费有着较高的要求。在工程的方案设计阶段,进行了设计方案的比较选择,其分析如下:

方案一:水冷集中式空调系统

该系统为最传统的中央空调方式,应用广泛。但冷水机组与水泵等一般均需要设置在地下室专属机房内,该机房需要占用一定的建筑面积,约为总建筑面积的2%～3%,土建造价增加,且一定程度上占用了停车位面积,减少了日后建设方的收益量;整个系统的水管路相对复杂,使得施工周期拖长,总投资费用增加;商铺末端一般采用风机盘管,单独计量计费欠缺灵活度,日后系统的扩展能力亦较差。

方案二:风冷分散/集中式空调系统

该系统投资与控制较为灵活,施工安装相对简单。但是大量的风冷室外机需要占用较大的安装空间;室外机采用风冷式冷凝器与空气进行换热,整体能效比较水冷式系统低;末端的计费与扩展存在与方案一相同的问题。

方案三:水冷分散式空调系统

水冷分散式空调系统为循环水集中冷却,即水环热泵空调系统。该系统主要特点如下:

(1)机组分散布置,减少风道水管占据的空间,设计施工简便灵活;

(2)能进行制冷工况和制热工况机组之间的热回收;

(3)小型水源热泵机组运行灵活,扩展性强;

(4)用户自主控制性较强,且便于分户计量与计费;

(5)系统部分负荷综合能效比高,用户需要多少负荷就提供多少冷量,系统接近无极调节,节能效果显著。

通过对以上三种空调方案进行比较分析,并结合该商场的特点,水环热泵空调系统在经济性、技术条件、环境影响与社会效益等方面均具有明显的适用优势,能够为建设方带来较大的综合效益。

4 空调系统设计概况

项目的商业裙楼布局上按照 “田”字形结构分布,故实际上分成A、B、C和D四个区域,每个区域均独立设置一套可独立运行的水环热泵空调系统,夏季制冷,冬季不供暖。A区空调夏季计算总冷负荷约为11 666kW,空调面积冷指标为213.8W/m2;B区约为12 249kW,空调面积冷指标为198.2W/m2;C区空调夏季计算总冷负荷约为21000kW,空调面积冷指标为173W/m2;D区空调夏季计算总冷负荷约为13 125kW,空调面积冷指标为205.3W/m2。

5 室内外设计计算参数

5.1 室外设计计算参数

季节:夏季

室外计算干球温度:空调34.2℃,通风31.9℃

湿球温度:27.8℃

主导风向:SE

平均风速:1.5m/s

大气压力:100.29kPa

5.2 室内设计计算参数

夏季使用功能温度(℃)相对湿度(%)新风量m3/hp允许噪声级dB(A)人员密度m2/p商铺 26 ＜65 20 ≤55 负一层及首层1.5;其它3商铺夹层 26 ＜65 20 ≤55 4.5办公 27 ＜65 30 ≤50 4

6 制冷系统设计

裙楼A、B、C和D四个区域各自独立设置一套水环热泵空调制冷系统,其结构模式均采用开式冷却塔加中间板式换热器的形式,以便更好地控制公共水环路的水质,降低水质污染对水环热泵机组效率、安全及使用寿命的影响。夏季公共水环侧供回水设计温度为33/38℃,冷却水系统设计供回水温度为37/32℃,设计换热温差控制在 1℃以内。除冷却塔布置在室外的承重柱裙楼屋面处,其余设备如板式换热器、水泵与水处理器等均设在屋面钢构机房内。

7 水系统设计

公共水环侧为一次泵变流量双管制异程式系统。水泵根据最不利环路供回水管末端之间的压差值(该压差值应在现场进行整定)实施变频控制,供回水总管之间设置旁通压差阀。

图1 水系统示意简图

公共水环侧采用开式高位膨胀水箱定压,膨胀水量计算温差取25℃,由水箱浮球阀高低水位信号控制补水泵启停。公共水环侧设置分集水器,集水器回水管以及除最不利环路外的主支管上均设置静态平衡阀,水源热泵新风机组末端设置动态平衡阀,以便于实现异程式水系统的水力平衡与调节。

冷却塔循环水系统为定流量运行。对于管径≤DN200的室内安装水管,采用无规共聚聚丙烯 (PP-R)塑铝稳态复合管,减小管路比摩阻,控制公共水环侧的水泵扬程。为保证系统长期运行状态下水质符合设计要求及便于系统运行维护,采用综合水处理器分别对公共循环水侧与冷却水循环侧进行水质处理。

8 风系统设计

本工程各室内开间均采用小型整体式水源热泵机组,商铺 (含商铺夹层)及办公用房均采用上送上回的气流组织方式,送风口为平送散流器,回风口为门绞式百叶风口 (带滤网),通过回风箱与机组相连。新风采用整体式水源热泵新风专用机组处理,不再另设加湿装置。室外新风从空调机房侧墙百叶或风井吸入后,经过机组进风口处的粗效过滤器处理后进入新风机组内进行热湿处理,然后通过新风管送入各水源热泵机组送风管内。吊装的水源热泵机组 (含新风机组)均采用预应力阻尼型弹簧减振吊架安装,机组下方吊顶处安装隔声板,回风箱内贴吸声材料,进出风口处均采用软接头与风道连接,以减少机组噪音和振动的传播。各开间均单独设有排风机,采用水平排风管路集中后统一排放及排气扇排入竖井后天面风机集中抽出排放相结合的机械排风方式。空调房间内均设计为空气微正压状态,少量冷空气可由缝隙渗至内走廊。

9 主要节能措施及其控制

为使水环热泵空调系统从根本上做到节能降耗,设计中公共水环侧水系统采用了水泵变频变流量设计。其控制方式如下:

(1)各台小型整体式水源热泵机组的冷却水进水管上均设置电动二通阀。电动阀开关与机组压缩机联动,压缩机启动运行,则电动阀打开;压缩机停止运行,则电动阀关闭。

(2)由于每台水环热泵机组均安装了电动阀,随着电动阀开启数量的变化,冷却水经过末端后的压力也将发生相应变化。根据此压力信号变化对水泵进行变流量控制,做到系统需要水量大,则增大水泵的流量,反之则减小水泵的流量。

(3)当系统启动时,投入系统公共水环侧的某一台循环水泵运行,并对该水泵进行变频控制;当该投入运行的水泵运行频率达到工频50Hz,且持续运行时间达到预设值时,投入第二台水泵运行。此时一开始即投入运行的水泵保持工频工况,随后投入运行的水泵在变频工况下工作。以此工作模式类推至第三、四台循环水泵。因此,无论末端水环热泵机组所需要的冷却水流量如何变化,通过控制器与变送器联动,循环水泵均能够自动进行调节运行模式,为末端设备提供足够的循环水量,保证末端水环热泵机组的正常运行。

冷却塔风机采用台数及两级变速控制。当冷却水侧循环水温升至30℃时,冷却塔打开风阀并开始淋水;水温升至31℃时,开启冷却塔风机并低速运转;当水温升至32℃时,风机转为高速运转。冷却塔开启台数与冷却水循环泵台数保持一致。当所有冷却塔风机均高速运转且水温升至40℃时,系统进行报警,当升至46℃时冷却塔停止工作,系统停机。

10 系统集散控制设计

在空调系统的控制上,局部系统采用计算机集散控制,系统可以在上位机上实现水环热泵中央空调系统设备远程控制、监视和报表功能。功能包括单台空调设备的模式控制、风速设置、室内温度设置及控制,各楼层空调设备的模式设置、风速设置、室内温度设置及控制,监视设备的运行状态是否出现故障,并自动生成实时或历史数据库。各末端水源热泵机组水路控制器通过网络与冷源群控自控系统联接。自动收集各末端水源热泵机组压缩机的累计使用时间,作为分摊水泵及水塔用电、用水量的计费依据,做到真正意义上的独立计费,同时达到管理节能的目的。