馮華晟，黃超，劉正揚(yáng)，謝厚旻，姚國(guó)濤

（中國(guó)建筑第八工程局有限公司）

1 引言

國(guó)內(nèi)早期體育場(chǎng)館建設(shè)時(shí)主要關(guān)注賽時(shí)的使用，對(duì)賽后再利用缺乏全生命周期的設(shè)計(jì)考慮，容易造成資源閑置和浪費(fèi)[1]。由于賽時(shí)賽后運(yùn)營(yíng)內(nèi)容差別較大，體育場(chǎng)館的上座率和活動(dòng)頻次差別也較大，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工況和實(shí)際運(yùn)行工況差別較大[2-3]，因此，在建設(shè)階段預(yù)測(cè)今后的運(yùn)營(yíng)狀況，并根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求制定相應(yīng)的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略非常必要。

綜合性體育場(chǎng)館大多屬于高大空間的公共建筑，冷負(fù)荷指標(biāo)達(dá)到230W/㎡～580W/㎡[4-5]，能耗費(fèi)用占場(chǎng)館年運(yùn)營(yíng)收入的45.41%[6]，且同時(shí)具有瞬時(shí)人流大、峰值負(fù)荷高、部分負(fù)荷占比大的特點(diǎn)。冰蓄冷系統(tǒng)削峰填谷、運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)勢(shì)恰好契合此類項(xiàng)目[7]。但由于冰蓄冷系統(tǒng)比常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)自控的要求也更高，如果其運(yùn)行策略或控制方法選擇不當(dāng)，則無(wú)法發(fā)揮移峰填谷的優(yōu)勢(shì)[8-9]。

2 項(xiàng)目及空調(diào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

2.1 建筑功能信息

杭州奧體中心體育游泳館項(xiàng)目包含體育館、游泳館和配套商業(yè)三種業(yè)態(tài)，其中體育館總建筑面積74357㎡，地上五層，地下局部?jī)蓪樱ㄖ叨?5m，總座席數(shù)達(dá)到17348個(gè)。游泳館總建筑面積53959㎡，地上三層，地下局部?jī)蓪?，建筑高?5m，總座席數(shù)6484個(gè)。配套商業(yè)總建筑面積83734㎡，地上一層、地下一層。該項(xiàng)目建成后將作為2022年亞運(yùn)會(huì)的主場(chǎng)館，承擔(dān)亞運(yùn)會(huì)各項(xiàng)賽事。亞運(yùn)會(huì)結(jié)束后會(huì)引入社會(huì)資源，打造成為一個(gè)集賽事、演出、文藝活動(dòng)多種功能于一體的綜合性體育場(chǎng)館和商業(yè)中心。設(shè)計(jì)院在最初設(shè)計(jì)時(shí)，空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)按照體育場(chǎng)館及亞運(yùn)賽事標(biāo)準(zhǔn)選取，但在賽后運(yùn)營(yíng)期內(nèi)大型賽事活動(dòng)頻率較低，需根據(jù)日常運(yùn)營(yíng)活動(dòng)功能進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)和計(jì)算，本項(xiàng)目賽時(shí)和賽后的活動(dòng)詳見表1。

表1 各業(yè)態(tài)賽時(shí)及賽后活動(dòng)對(duì)比表

2.2 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)簡(jiǎn)介

體育館設(shè)計(jì)總冷負(fù)荷19389kW，總熱負(fù)荷10616kW，冷凍水供回水溫度：4.5/14.5℃，熱水供回水溫度：60/50℃?？照{(diào)冷源采用串聯(lián)式冰蓄冷雙工況制冷系統(tǒng)，集中冷站內(nèi)設(shè)蓄冰裝置1座，蓄冰量103750kW·h（29500Rth）。4臺(tái)離心式雙工況冷水機(jī)組，制冰工況制冷量10540kW，制冷工況制冷量16880kW；4臺(tái)變頻乙二醇冷凍水泵；6臺(tái)變頻冷凍水泵；6臺(tái)變頻冷卻水泵。鍋爐房?jī)?nèi)設(shè)5臺(tái)燃?xì)鉄崴仩t，總供熱能力17500kW。另外，由于項(xiàng)目緊鄰錢塘江和七甲河，單獨(dú)設(shè)置江水源熱泵系統(tǒng)，給運(yùn)營(yíng)期時(shí)商業(yè)內(nèi)部電影院提供獨(dú)立冷熱源，2臺(tái)螺桿式水源熱泵機(jī)組，總制冷量1400kW，總制熱量1340kW，另設(shè)3臺(tái)變頻江水源冷凍水泵。建筑平面圖及冷熱源分布詳見圖1。

圖1 建筑平面圖及冷熱源分布

3 全年空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷模擬計(jì)算

3.1 能耗模擬軟件

本項(xiàng)目利用Carrier E20-HAP以及Energyplus能耗模擬軟件，把系統(tǒng)中包含的體育館、游泳館及商業(yè)三塊區(qū)域分別進(jìn)行冷負(fù)荷模擬計(jì)算及綜合分析，主要借助其強(qiáng)大的氣象資料數(shù)據(jù)庫(kù)和氣象模擬計(jì)算功能，進(jìn)行8760h的負(fù)荷估算。Energyplus基于動(dòng)態(tài)負(fù)荷理論，對(duì)包括建筑物及相關(guān)的供熱、通風(fēng)和空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備能耗情況進(jìn)行模擬分析。主要利用其負(fù)荷模塊分析模擬建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)及其與室外環(huán)境和室內(nèi)負(fù)荷之間的影響。利用系統(tǒng)模塊和設(shè)備模塊，驗(yàn)證和分析各項(xiàng)運(yùn)行策略對(duì)空調(diào)系統(tǒng)能耗的影響。

3.2 建筑模型及邊界條件

建筑模型主要包括體育館、游泳館及商業(yè)空調(diào)區(qū)區(qū)域，通過輸入建筑物所在地理位置、圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能參數(shù)、建筑物內(nèi)部人員、照明、電氣等內(nèi)部負(fù)荷以及HVAC設(shè)備和系統(tǒng)等邊界條件，在軟件中創(chuàng)建數(shù)據(jù)模型。邊界條件的設(shè)定對(duì)于負(fù)荷模擬的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

①建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)的選取盡量和實(shí)際相匹配，詳見表2。

表2 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)

②室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)選取盡可能按照功能空間細(xì)分，并區(qū)分賽時(shí)和賽后不同活動(dòng)功能對(duì)于室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的需求。

③運(yùn)營(yíng)期活動(dòng)的頻率、活動(dòng)類型等需和運(yùn)營(yíng)人員提前溝通確認(rèn)，盡可能貼合實(shí)際。本項(xiàng)目經(jīng)過和運(yùn)營(yíng)方多次溝通，確定體育游泳館在前5年運(yùn)營(yíng)期每年安排活動(dòng)46場(chǎng)，活動(dòng)類型和場(chǎng)次分布詳見表3。

表3 體育游泳館全年活動(dòng)場(chǎng)次分布

④考慮不同場(chǎng)館、商業(yè)的營(yíng)業(yè)時(shí)間、空調(diào)開啟時(shí)間、人數(shù)以及人員密度、照明及設(shè)備熱擾對(duì)負(fù)荷的影響。

3.3 全年空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷模擬結(jié)果

對(duì)系統(tǒng)中包含的體育館、游泳館及商業(yè)區(qū)域分別進(jìn)行冷負(fù)荷模擬計(jì)算及綜合分析后，全年綜合空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷曲線如圖2所示。原設(shè)計(jì)方案按照亞運(yùn)會(huì)相關(guān)賽事要求設(shè)計(jì)，由于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、系統(tǒng)可靠性要求高，冷熱負(fù)荷指標(biāo)選取、主機(jī)設(shè)備選型相對(duì)冗余較大，而實(shí)際在后期運(yùn)營(yíng)中，空調(diào)系統(tǒng)峰值負(fù)荷21400kW（6091Rt）相比原設(shè)計(jì)賽事期下降30%。通過對(duì)負(fù)荷模擬結(jié)果分析可知，系統(tǒng)負(fù)荷率低于40%的時(shí)間占比接近90%，系統(tǒng)負(fù)荷率高于54%的僅有10天，系統(tǒng)在賽后運(yùn)營(yíng)期處于低負(fù)荷率下（見圖3）。

圖2 全年空調(diào)逐時(shí)冷負(fù)荷分布

圖3 供冷季負(fù)荷率分布圖

4 冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略研究

冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)控制要解決冷負(fù)荷在制冷機(jī)組和蓄冰裝置之間協(xié)調(diào)分配的問題，常見控制策略有制冷機(jī)組優(yōu)先控制、融冰優(yōu)先控制、定比例控制、優(yōu)化控制4種方式[10]。本項(xiàng)目在優(yōu)化控制策略的基礎(chǔ)上，制定了冷量分配策略的總體原則。

①可靠性原則。確保系統(tǒng)的制冷量大于控制日逐時(shí)冷負(fù)荷預(yù)測(cè)結(jié)果。

②經(jīng)濟(jì)性原則。結(jié)合杭州當(dāng)?shù)胤骞入妰r(jià)分布，控制制冷機(jī)組和蓄冰裝置在各個(gè)時(shí)段的冷負(fù)荷分配，充分利用蓄冰裝置的冷量，減少電力高峰時(shí)段的用能。

③節(jié)能性原則。確保制冷機(jī)組始終運(yùn)行在高效區(qū)，采用變頻水泵，盡量降低管路阻力。

④穩(wěn)定性原則。避免頻繁的開關(guān)機(jī)和模式切換，降低操作難度和頻率。

4.1 供冷模式類型

對(duì)于串聯(lián)式冰蓄冷雙工況制冷系統(tǒng)，共有兩種運(yùn)行模式：?jiǎn)稳诒├淠Ｊ胶吐?lián)合供冷模式。單融冰供冷模式下，雙工況主機(jī)不啟動(dòng)，環(huán)路被旁通，直接通過蓄冰槽融冰向空調(diào)系統(tǒng)末端進(jìn)行供冷。啟動(dòng)該模式的觸發(fā)條件為：①小時(shí)冷負(fù)荷≤最大融冰速率（按12%計(jì)，即3540Rt），此時(shí)靜態(tài)冰蓄冷系統(tǒng)按照最大融冰速率進(jìn)行融冰；②日負(fù)荷不超過最大有效蓄冰量103751kW·h（29500Rt·h），聯(lián)合供冷模式下，雙工況制冷機(jī)串聯(lián)接入系統(tǒng)中，冷凍水回水先經(jīng)過雙工況制冷機(jī)降至額定出水溫度后，再經(jīng)過蓄冰槽進(jìn)一步降至設(shè)計(jì)供水溫度后，向空調(diào)系統(tǒng)末端進(jìn)行供冷。啟動(dòng)該模式的觸發(fā)條件為：①小時(shí)冷負(fù)荷大于12540kW（3540Rt）；②日負(fù)荷高于最大有效蓄冰量103751kW·h（29500Rt·h）。同時(shí)，需注意串聯(lián)系統(tǒng)受雙工況冷機(jī)最大流量限制。

4.2 不同負(fù)荷率下，冷機(jī)與融冰供冷策略表

運(yùn)用前述方法，本次研究在全年空調(diào)逐時(shí)負(fù)荷10%～100%范圍內(nèi)，尋找出單融冰供冷和聯(lián)合供冷的分界線，對(duì)于處于聯(lián)合供冷的空調(diào)負(fù)荷區(qū)間，進(jìn)一步分段研究冷機(jī)和融冰聯(lián)合供冷的策略，即冷機(jī)開機(jī)比例和融冰量的組合策略，用以指導(dǎo)冷源群控程序編制達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目的。具體結(jié)果詳見表4所示。

表4 分段負(fù)荷率下冰蓄冷系統(tǒng)運(yùn)行策略總表

結(jié)合負(fù)荷結(jié)果與冷水機(jī)組性能分析得出，逐時(shí)負(fù)荷小于峰值負(fù)荷的42%時(shí)，采用單融冰供冷模式即可滿足使用要求；逐時(shí)負(fù)荷為峰值負(fù)荷的42%～60%時(shí)，應(yīng)開啟兩臺(tái)主機(jī)；逐時(shí)負(fù)荷為60%～86%時(shí)，應(yīng)開啟三臺(tái)主機(jī)；逐時(shí)負(fù)荷大于86%時(shí)，應(yīng)開啟四臺(tái)主機(jī)，可滿足各負(fù)荷區(qū)間段內(nèi)冷機(jī)負(fù)載率處于高COP值范圍。

5 結(jié)語(yǔ)

由于多功能綜合性體育場(chǎng)館賽時(shí)和賽后運(yùn)營(yíng)內(nèi)容差別較大，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)峰值負(fù)荷相比原設(shè)計(jì)賽事期下降30%。因此，運(yùn)營(yíng)單位需提前介入建設(shè)階段，根據(jù)運(yùn)營(yíng)需求制定空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行策略。其次，體育場(chǎng)館項(xiàng)目間歇性供能特點(diǎn)顯著，系統(tǒng)負(fù)荷率<40%的運(yùn)行時(shí)間接近90%，冰蓄冷系統(tǒng)可以很好發(fā)揮削峰填谷的優(yōu)勢(shì)，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。再次，當(dāng)逐時(shí)負(fù)荷小于峰值負(fù)荷的42%時(shí)，可采用單融冰供冷模式，其余時(shí)間采用聯(lián)合供冷模式。由冷機(jī)群控系統(tǒng)預(yù)測(cè)負(fù)荷大小自動(dòng)匹配開機(jī)臺(tái)數(shù)，可確保冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)高效節(jié)能。