張昊

湖北省工業(yè)建筑集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)咨詢分公司

1 前言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，建筑物能耗約占公共機(jī)構(gòu)能耗總量的70%。以辦公建筑為例，中央空調(diào)系統(tǒng)約占建筑能耗的60%，照明、辦公設(shè)備、電梯等約占40%［1］。在中央空調(diào)系統(tǒng)能耗中，冷熱源約占50%～60%[2]。

高級(jí)民用建筑中央空調(diào)系統(tǒng)的投資約占建筑總投資的10%以上，其中冷熱源約占中央空調(diào)系統(tǒng)總投資的50%～70%[3]。

由此可見(jiàn)，中央空調(diào)系統(tǒng)冷熱源能耗高、投資大，選擇合理的方案對(duì)于減少建筑能耗、降低工程造價(jià)起著至關(guān)重要的作用。

本文通過(guò)對(duì)監(jiān)利市民之家空調(diào)冷熱源方案的優(yōu)化，以期為解決類似問(wèn)題提供參考。

2 工程概況

監(jiān)利市民之家位于監(jiān)利縣經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)監(jiān)利大道與工業(yè)園路相交東北角處，規(guī)劃總用地面積117 198.94m2，建設(shè)用地面積95 616.35m2，建 筑 占地面積9 910.89m2，容積率0.42，總建筑面積59 500.5m2，建筑高度31.6m，其中地下一層，主要為汽車庫(kù)、設(shè)備用房和餐廳，建筑面積19 795.1m2；地上5層，主要為市民服務(wù)中心、電商中心、招商中心及配套設(shè)施，建筑面積39 705.4m2，鳥(niǎo)瞰圖見(jiàn)圖1。

監(jiān)利是國(guó)家商品糧和農(nóng)副產(chǎn)品基地，境內(nèi)河網(wǎng)密布，因“監(jiān)收魚鹽之利”而得名。該項(xiàng)目以“雙魚抱水”的建筑設(shè)計(jì)理念，寓意“滴水之恩，涌泉相報(bào)”，充分體現(xiàn)了政府和百姓“魚水情深”的美好愿景，營(yíng)造出一個(gè)具有地方特色、公共開(kāi)放的城市空間。

圖1 監(jiān)利市民之家鳥(niǎo)瞰圖

3 空調(diào)負(fù)荷

本工程空調(diào)建筑面積28 500m2，經(jīng)鴻業(yè)暖通空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件計(jì)算，夏季最大冷負(fù)荷為4 304kW，空調(diào)建筑面積冷指標(biāo)為151W/m2；冬季最大熱負(fù)荷為2 708kW，空調(diào)建筑面積熱指標(biāo)為95W/m2。

3.1 空調(diào)冷熱源方案的比選及優(yōu)化

3.1.1 內(nèi)外部條件

項(xiàng)目所在地電力、燃?xì)?、自?lái)水供應(yīng)充足，未執(zhí)行分時(shí)電價(jià)政策，無(wú)市政冷熱源和余熱可利用，不具備污水或再生水熱泵條件，地下水也不豐富。

該建筑外形不規(guī)則，大空間場(chǎng)所較多，空調(diào)系統(tǒng)無(wú)明顯內(nèi)外區(qū)和計(jì)量收費(fèi)需求，使用時(shí)間相對(duì)集中。

3.1.2 冷熱源方案比選

作為政府辦公建筑，建設(shè)單位對(duì)空調(diào)冷熱源要求技術(shù)成熟、穩(wěn)定可靠，并在初投資和壽命期內(nèi)的運(yùn)維費(fèi)用等經(jīng)濟(jì)性方面給予重點(diǎn)關(guān)注。

根據(jù)上述條件，適宜本工程的空調(diào)冷熱源方案主要有電制冷加燃?xì)忮仩t、直燃機(jī)、風(fēng)冷熱泵、熱源塔熱泵和地源熱泵幾種，定性分析見(jiàn)表1。

參考類似氣象條件的武漢地區(qū)，辦公建筑空調(diào)冷熱源采用電制冷加燃?xì)忮仩t類型的占比最高。通過(guò)對(duì)上述方案詳細(xì)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，建設(shè)單位最終確定采用電制冷加燃?xì)忮仩t。

根據(jù)大樓空調(diào)使用規(guī)律及負(fù)荷特性，冷源選用2臺(tái)離心式冷水機(jī)組，單臺(tái)名義制冷量2 286kW，蒸發(fā)器進(jìn)出口溫度7/12℃，冷凝器進(jìn)出口溫度30℃/35℃；熱源選用2臺(tái)燃?xì)庹婵諢崴仩t，單臺(tái)額定供熱量1 400kW，進(jìn)出口溫度50/60℃。

3.2冷源方案優(yōu)化

離心式冷水機(jī)組以大冷量、高能效的特點(diǎn)在大中型中央空調(diào)系統(tǒng)中備受青睞。特別是近年來(lái)，磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組利用直流變頻驅(qū)動(dòng)、高效換熱器、過(guò)冷器、基于工業(yè)微機(jī)的智能抗喘振，以及磁懸浮無(wú)油運(yùn)轉(zhuǎn)技術(shù)等，從根本上提高了運(yùn)行效率和性能穩(wěn)定性[4]。

表1 空調(diào)熱冷方案定性分析表

圖2 普通定頻離心式冷水機(jī)組COP曲線

不同負(fù)荷率和冷卻水溫度下普通定頻離心式冷水機(jī)組的COP曲線見(jiàn)圖2，磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組的COP曲線見(jiàn)圖3［5］。

圖3 磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組COP曲線

由此可見(jiàn)，隨著冷卻水入口溫度的降低，磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組比普通定頻離心式冷水機(jī)組的COP值上升得更快更多。隨著負(fù)荷率的降低，磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組的COP值上升至一定值后趨于水平，普通定頻離心式冷水機(jī)組的COP值持續(xù)下降。實(shí)際運(yùn)行中，機(jī)組的大部分時(shí)間都處于部分負(fù)荷工況，所以磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組具有較好的節(jié)能效果。

本工程夏季空調(diào)按每年6～10月運(yùn)行100天，每天8:00～18:00運(yùn)行10小時(shí)，電價(jià)0.85元/kWh計(jì)算，方案1采用兩臺(tái)普通定頻離心式冷水機(jī)組（見(jiàn)表2），方案2采用兩臺(tái)磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組，年運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比（見(jiàn)表3）。

相比而言，方案2的年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省159 241元，節(jié)能率達(dá)26.5%。

在初投資方面，磁懸浮離心式冷水機(jī)組單臺(tái)壓縮機(jī)啟動(dòng)電流僅2A，不需軟啟動(dòng)器，可節(jié)省部分配電費(fèi)用。

在維保費(fèi)用方面，磁懸浮離心式冷水機(jī)組采用磁懸浮軸承，使機(jī)組沒(méi)有機(jī)械摩擦損失，沒(méi)有潤(rùn)滑油循環(huán)和相應(yīng)的油過(guò)濾器、油冷卻器等油路設(shè)備，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，可靠性高，維護(hù)方便，使用壽命長(zhǎng)達(dá)30年之久。方案1和方案2的總費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表4。

3.3 熱源方案優(yōu)化

真空熱水鍋爐負(fù)壓運(yùn)行，安全可靠，不需年檢；經(jīng)脫氧和除垢的高純熱媒水在封閉狀態(tài)下進(jìn)行換熱，避免了氧腐蝕、結(jié)垢等問(wèn)題；內(nèi)置多組換熱器，能同時(shí)滿足空調(diào)、供暖和生活熱水系統(tǒng)不同溫度和承壓要求，一機(jī)多用，熱效率高。運(yùn)行管理和維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用低，使用壽命在20年以上，因此在民用建筑空調(diào)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。

表2 方案1年運(yùn)行費(fèi)用

表3 方案2年運(yùn)行費(fèi)用

表4 方案1和方案2的總費(fèi)用比較

天然氣含氫量高，燃燒后產(chǎn)生大量水蒸氣。常規(guī)鍋爐排煙溫度一般在130℃以上，高溫?zé)煔鈳ё叽罅匡@熱，熱損失較大，另一方面煙氣中的水蒸氣處于過(guò)熱狀態(tài)，不能釋放出汽化潛熱，隨煙氣排放而浪費(fèi)。而鍋爐熱效率是以燃料低位發(fā)熱量計(jì)算，天然氣低位發(fā)熱量為8 600kcal/Nm3，未包含煙氣中水蒸氣的冷凝熱860kcal/Nm3。冷凝式真空熱水鍋爐通過(guò)煙氣換熱系統(tǒng)，利用低溫水或空氣冷卻煙氣，降低排煙溫度和過(guò)量空氣系數(shù)，實(shí)現(xiàn)煙氣顯熱和水蒸氣汽化潛熱釋放，加熱低溫水或空氣，回收熱能，熱效率可達(dá)103%，較常規(guī)真空熱水鍋爐熱效率94%提高約10%。同時(shí)由于冷凝水可吸收煙氣中部分CO2和NOx，有利于改善空氣質(zhì)量和減輕溫室效應(yīng)。

本工程冬季空調(diào)按每年11月～次年2月運(yùn)行90天，每天8:00～18:00運(yùn)行10小時(shí)，電價(jià)0.85元/kWh，天然氣價(jià)3.55元/Nm3計(jì)算，方案3采用兩臺(tái)常規(guī)真空熱水鍋爐，年運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表5,。方案4采用兩臺(tái)冷凝式真空熱水鍋爐，年運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)表6,。方案3和方案4總費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表7：

相比而言，方案4年運(yùn)行費(fèi)用可節(jié)省53 165元，節(jié)能率達(dá)9%。方案3和方案4的總費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表7。

表5 方案3的年運(yùn)行費(fèi)用

表6 方案4的年運(yùn)行費(fèi)用

表7 方案3和方案4的總費(fèi)用對(duì)比

綜上所述，方案2和方案4雖然初投資較高，但運(yùn)行費(fèi)用和維護(hù)費(fèi)用較低，在使用壽命期內(nèi)經(jīng)濟(jì)效益可觀，適宜作為本工程的冷熱源。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組在空調(diào)負(fù)荷波動(dòng)較大、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)的場(chǎng)合更能發(fā)揮能效比高的優(yōu)勢(shì)，除臺(tái)數(shù)控制外結(jié)合冷凍水泵和冷卻塔風(fēng)扇變頻調(diào)速控制，可進(jìn)一步提高中央空調(diào)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

（2）冷凝式真空熱水鍋爐在燃料為天然氣時(shí)，煙氣露點(diǎn)溫度在55℃左右，在空調(diào)、供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)回水溫度不高于50℃時(shí)使用更節(jié)能。

（3）電制冷加燃?xì)忮仩t作為傳統(tǒng)的空調(diào)冷熱源已應(yīng)用多年，磁懸浮變頻離心式冷水機(jī)組和冷凝式真空熱水鍋爐的大力推廣無(wú)疑具有顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。