“三集一体”空调机组在某游泳馆的设计与应用

赵锦超



“三集一体”空调机组在某游泳馆的设计与应用

赵锦超

（上海科技大学 上海 201210）

“三集一体”空调机组集除湿、空气调节和池水加热于一体，通过回收和利用冷却除湿后制冷剂具有的能量，可运用于不同运行工况，具有显著的节能效果。通过上海地区某高校的游泳馆工程实例，从主要参数的设计计算、空气处理过程、设备选型和典型运行工况等方面介绍了“三集一体”空调机组的系统原理和设计应用。

游泳馆；除湿；空调；池水加热；节能

0 前言

游泳馆池厅内空调系统的设计非常关键。针对游泳馆的特点，空调系统需要关注和解决以下几个方面：

（1）室内温湿度和空气质量控制。

泳池厅内的空调系统首先要满足室内温湿度恒定的要求。根据国际游泳协会（FINA）规定，泳池水温标准为26±1℃[1]。为保证人员在出水后和入水前的舒适性，池厅空气温度应高于池水温度1℃～2℃，相对湿度一般为60%～70%，不应大于75%，池区空气流速控制不大于0.2m/s左右[2]。

其次，为满足室内恒温泳池池水卫生要求，常采用加液氯灭菌处理。随着池水表面蒸发，氯气会散发到空气中，当含量超过1ppm时将危害人体，特别是当相对湿度大于65%时，对人体健康的影响更大[3,4]。因此池厅内空调系统需要排出一定量的空气或引入一定量的新风，以保证有害气体浓度低于限值，同时满足室内人员的新风需求，保证室内空气质量。

（2）腐蚀和结露现象。

由于池水蒸发使空气中有一定含量的氯，当室内湿度偏大时潮湿的含氯空气会对装饰材料和钢结构产生腐蚀，严重的时候将会对围护结构安全产生影响。并且空气湿度偏大时容易在围护结构表面结露，加快腐蚀围护结构，破坏墙体保温层，影响保温效果。结露主要发生在冬季或梅雨季节，可以产生在围护结构内表面（结露），也可以产生在围护结构内部（渗透）[5]。防腐蚀、防结露是室内泳池设计中普遍存在的问题[6]，一直以来也是游泳馆空调系统设计的重点和难点之一。

（3）能源问题。

有资料显示，游泳池内90%以上的能量损失是由于蒸发造成的，这部分能量大部分以水汽（潜热）的形式存在池厅空气中[4]。一般游泳馆池厅所需通风量都较大，无论采用通风除湿还是冷却除湿方式，前者在冬季时会造成室内的热量损失较大，后者在夏季时会造成较大的室内冷负荷。同时为补充游泳池损失的能量，在传统的方式中池水处理系统需不断消耗热源来维持水温恒定。室内恒温泳池水处理和维持室内恒温恒湿环境的能耗很高，场馆的日常运行成本很大。因此节能降耗是游泳馆空调系统设计必须考虑和重视的问题。

针对以上问题，与传统的游泳馆空调通风设备相比，“三集一体”恒温除湿空调机组集除湿、空调和池水加热于一体，可大量回收并综合利用能量，克服高湿、高氯环境等诸多问题，并可实现多工况运行，以适应不同季节的要求，是一项非常好的节能产品[7]。

1 工程实例

1.1 工程概况

本工程为上海某高校游泳馆，该游泳馆位于学术交流中心裙楼一层西侧，建筑高度11m，泳池厅面积2350m2，内设25m×50m标准泳池，平均水深1.85m，泳池水容量2375m3。泳池厅建筑屋顶采用钢网架结构，四周为钢筋混凝土墙和部分玻璃幕墙围护。该游泳馆以娱乐为主，不用于正规比赛，因而该泳池厅不设观众席，如图1所示。

图1 游泳馆池厅

泳池厅空调系统采用“三集一体”恒温除湿空调机组（以下称空调机组）进行通风换气和温湿度控制，冬季结合地板低温热水辐射系统辅助采暖。空调机组设置于二层的空调机房内，通过送、回、新、排风管组成完整的风系统回路，池厅内气流方向为顶送底回。

1.2 室内外设计参数

表1 泳池厅室内设计参数

表2 室外设计参数

1.3 “三集一体”空调机组工作原理

池厅内的热湿空气经过回风管道进入空调机组，与室外新风混合后，通过蒸发器盘管。热湿空气在蒸发器内与机组制冷剂发生热交换，制冷剂吸收热量使空气温度降至其露点以下，达到冷凝除湿、干燥空气的作用。液态制冷剂则因吸收热量变为低温低压的气态制冷剂，并进入空调机组压缩机变为高温气态制冷剂。压缩机出口的制冷剂包含了从空气中吸收的热量和压缩机对冷媒做功的能量。这种高温气态制冷剂可以选择流过空气再热器、池水加热器以及室外冷凝器（室外机）。

当冷凝除湿后的空气需要再热时，可使高温气态制冷剂进入空气再热器，加热空气使其温度升高；当泳池水需要辅助加热时，可使高温气态制冷剂进入池水加热器，加热池水使其温度升高；当无需回收这部分热量时，可使制冷剂进入室外冷凝器与外界空气换热。无论何种方式，最后制冷剂仍变为液态并流回蒸发器完成一个热力循环。同时机组配置了热水盘管作为辅助热源加热空气。

空调机组工作原理及流程详见图2。从节能降耗角度出发，应最大可能利用冷凝除湿后制冷剂吸收的热量，减少室外冷凝器的排热量。并且也可回收蒸发盘管的冷凝水至泳池水处理系统，减少日常运行所需补水量。在过渡季节，可视情况开启排风、关闭压缩机，直接引入室外新风除湿，以利节能。

图2 “三集一体”空调机组系统原理

1.4 设计计算与设备选型

1.4.1 新风量（L）计算

一般游泳馆池厅内新风量的确定应通过以下计算确定：

（1）满足室内人员所需新风量，按照30m3/（人·h）考虑。

L=30×(1250/6)=6250m3/h，其中人数按池区内6m2/人考虑。

（2）满足室内空气中的氯气浓度的卫生要求为1PPM以内。娱乐性的游泳馆按1h-1的换气次数可以满足此要求[8]。但此处为高大空间，换气次数取0.5h-1考虑即可[9]。

L=0.5×2300×11=12650m3/h

（3）按ASHRAE标准，最小新风量与室内泳池面积比值为8.64m3/(h·m2)。

L=8.64×1250=10800m3/h

取以上各项计算所得最大值，并考虑10%的系数，L=14000m3/h。

1.4.2 泳池厅湿负荷计算

（1）泳池区蒸发量（1）

池水蒸发量可按下式计算：

1=(0.0174V+0.0229)×(P-P)×F×760/（1）

式中，1游泳池水面蒸发量kg/h；V为泳池池面风速，取0.2m/s；F为室内泳池水面面积；P为26℃水表面温度饱和空气水蒸汽分压，取25.1mmHg；P为28℃泳池空间空气的水蒸气分压，取17.2mmHg；为当地大气压力，取750mmHg。

1=264kg/h

（2）人体散湿量（2）

2=××/1000 （2）

式中，W为人体散湿量kg/h；为人数（按池区内6m2/人考虑）；为群体系数，取0.92；为人体散湿量，取120g/h。

2=25kg/h

（3）新风湿负荷（3）

W=L××(d-d)/1000 （3）

式中，W为新风湿负荷，kg/h；L为新风量，取14000m3/h；为空气密度，取1.15kg/m3；d为室外空气含湿量，夏季取21.2g/kg，冬季取2.35g/kg；d为室内空气含湿量，取15.47g/kg。

夏季新风湿负荷3=92kg/h；冬季新风湿负荷3=-211kg/h。

（4）总湿负荷

室内湿负荷：W=1+2=289kg/h

夏季总湿负荷：=1+2+3=381kg/h

冬季总湿负荷：=1+2+3=78kg/h

1.4.3 池水耗热量（Q）计算

为维持游泳池内水温，需补偿池水耗热量。池水耗热量由池水面蒸发损失的热量、池底池壁管道和净化设备等传导损失热量、补充新鲜水加热所需热量组成[1]。

（1）池水面蒸发损失的热量（Q1）

Q1=×1（4）

式中：为26℃水温时水的蒸发潜热，kJ/kg；1为池水蒸发量，kg/h。

Q1=179kW

（2）池底池壁管道和设备等传导损失热量（Q2）

Q2一般以泳池水表面蒸发耗热量的20%考虑，即Q2=35.8kW

（3）补充水加热所需热量（Q3）

Q3=××(t-t) （5）

式中：为水的比热，取4.18kJ/(kg·K)；为补水量，kg/h，按24小时5%的水容量计算；t为泳池水的温度，取26℃；t为池水补水温度，取15℃。

Q3=64kW

（4）池水耗热量（Q）

Q=(Q1+Q2+Q3)×1.1=297kW

1.4.4 空调冷热负荷计算

泳池厅室内冷热负荷可按常规方法计算，即夏季按不稳定传热分别计算各种热源引起的负荷，冬季按稳定传热计算，将稳定传热量作为空调房间的热负荷。本工程室内冷热负荷通过空调负荷软件计算。

（1）夏季负荷

①室内冷负荷：

Q=玻+屋+墙+人+灯（6）

式中，玻为玻璃的夏季传热冷负荷，kW；屋为屋顶的夏季传热冷负荷，kW；墙为墙体的夏季传热冷负荷，kW；人为人员冷负荷，kW；灯为灯光冷负荷，kW。

1=264.5kW

②泳池水面以潜热形式转移到空气中的热量：

Q=W×/3600（kW） （7）

式中：W为室内湿负荷，kg/h；为水的汽化潜热，kJ/kg。

2=196kW

③室内总冷负荷：

3=1+2=460.5kW

④新风冷负荷：

4=L××(h-h)/3600（kW） （8）

式中：L为新风量，m3/h；为空气密度，kg/m3；h为室外空气焓值，取90kJ/kg；h为室内空气焓值，取67.6kJ/kg。

4=100kW

⑤夏季总冷负荷：

=3+4=560.5kW

（2）冬季负荷

①室内热负荷：

Q’=玻+屋+墙（9）

1=331.5kW

②冬季空气向水面放热：

2=×(t-)×F（10）

式（10）中：为对流换热系数，取10J/(m2·s·℃)；t为室内温度，取28℃；为水温，取26℃；F为泳池面积。

2=25kW

③室内总热负荷：

3=1+2=356.5kW

④新风热负荷：

4=L××(h-h)/3600=286kW

其中，h为室外空气焓值，取3.65kJ/kg。

⑤冬季总热负荷：

=3+4=642.5kW

1.4.5 空气处理过程

（1）夏季工况

图3 夏季工况空气处理过程

夏季工况空气处理过程见图3。为防止室内空气中结露，送风温度应高于室内露点温度1～2℃，取t=22℃。由热湿比=3/W=5736kJ/kg，查焓湿图得=56.1kJ/kg，=13.4g/kg。

Q=××(h-h)/3600=460.5kW

计算得总送风量=125400m3/h，回风量L=-L=111400m3/h，一次回风混合状态点d= 16.1g/kg、h=70.1kJ/kg。

由d=d=13.4g/kg，设备除湿量Δ=××(d-d) =389kg/h>，即可满足夏季总湿负荷的除湿要求。

设备总冷量：Q=××(h-h)/3600=624.5kW。

再热量：5=××(h-h)/3600=64kW。

由上计算可见，夏季工况条件下空气再热器可完全承担空气再热量5，池水加热器也可完全承担池水耗热量Q。

（2）冬季工况

冬季游泳池厅内散湿量与夏季相同。按照7℃送风温差、d=13.4g/kg，考虑送风状态点O’，t=35℃，h=73.0kJ/kg，在送风量不变时可满足冬季室内湿负荷的除湿要求。

图4 冬季工况空气处理过程

空调送风承担室内热负荷：××(h-h)/3600 =216kW，其余室内热负荷（356.5-216= 140.5kW）由池厅内地板低温辐射采暖系统承担。冬季工况空气处理过程见图4。

冬季工况条件下，一次回风混合状态点d=14.0g/kg。由d=d=13.4g/kg、机器露点=90%，查焓湿图得h=54.5kJ/kg。

机组除湿量：=××(d-d)=86.5kg/h>，即可满足冬季总湿负荷的除湿要求。

机组制热量：××(h-h)=741kW。

由上计算结果可见，冬季工况下冷凝除湿量较小，机组制冷剂吸收的热量无法使空气再热器满足全部制热量，需通过热水盘管辅助加热。

1.4.6 设备选型

该游泳池厅内设置2台“三集一体”恒温除湿空调机组，设备主要参数见表3。

表3 设备主要参数

注：1.热水盘管进（出）水温度：冬季60/50℃；2.机组过滤段均为板式粗效过滤（G4）+静电中效过滤（F7）

2 空调机组运行工况介绍

（1）除湿

湿度控制是游泳馆池厅内空气调节的主要目的之一。由计算分析可知，无论冬季还是夏季，池厅内湿负荷都很大，因此冷却除湿是机组运行的常态。本工程空调机组将湿度控制作为压缩器启停的唯一条件，即室内湿度超过设定值时压缩机工作，反之则压缩机停止工作。

（2）空调制冷

夏季工况时，新风与回风混合后在蒸发器内冷却除湿，并在空气再热器内吸收热量升温，使空调送风达到温湿度要求。因此在制冷模式时，设定空调机组优先启用空气再热器，多余热量再用来辅助加热泳池水或由室外冷凝器排热。

（3）空调制热

冬季工况时蒸发器内除湿量远小于夏季工况，且混合空气仍先被降温冷却，空气再热器的放热量无法使冷却后的空气再热至送风温度。因此在制热模式时，应启用热水盘管辅助加热，由出风温度控制热水盘管入口处电动阀开度，使出风温度稳定在设定范围。空调热水热源由校区分布式能源站提供，冬季供回水温度60/50℃。

（4）池水加热

在本工程中，池水加热模式定位为辅助加热和系统节能作用。因此只有在蒸发器除湿量较大，制冷剂吸收较大量的汽化潜热且有富余情况下，才启用池水加热器辅助加热。

（5）通风

在过渡季节，当室外空气湿度与室内接近时，且室外温度也在可接受范围内时，则可启用通风模式，直接排出室内部分热湿空气并引入新风，减少机组压缩机的启用，达到节能降耗目的。

3 结语

游泳馆池厅内湿负荷较大，利用空调系统冷却除湿能耗较高，如何回收和利用冷却除湿所吸收的潜热是系统节能的关键。“三集一体”空调机组可通过冷凝再热、池水加热等方式回收部分汽化潜热，较好地解决了除湿、空调和池水加热的问题，具有很大的应用前景。通过本工程实例，介绍了“三集一体”空调机组的系统原理、设计计算、设备选型和典型运行工况，希望能为其他游泳馆空调系统设计或运用提供借鉴和思路。

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Design and Application of “Three in One” Air-conditioning Units in a Natatorium

Zhao Jinchao

( Shanghai Technology University, Shanghai, 201210 )

The "three in one" air conditioning units are integrated with dehumidification, air conditioning and pool water heating. They have remarkable energy saving effect because of recovering and utilizing energy of refrigerant after cooling dehumidification in different operating conditions. Through the project of a natatorium in Shanghai, system principle and design application of “three in one” air-conditioning units is introduced by design and calculation of the main parameters, air handling process, selection of equipment and typical operating conditions, etc.

Natatorium; Dehumidification; Air-conditioning; Pool water heating; Energy saving

TU831.3

A

赵锦超（1984.03-），男，硕士研究生，工程师，E-mail：zjc_0334@126.com

2018-01-03

1671-6612（2018）05-534-06