西安中貿(mào)廣場(chǎng)中央空調(diào)方案設(shè)計(jì)探討及節(jié)能分析

連志強(qiáng),趙有民,安錦鋒

(1.陜西中貿(mào)房地產(chǎn)開發(fā)有限公司,西安710061;2.延安熱電廠,延安716000;3.陜西省制冷學(xué)會(huì),西安710045)

0 項(xiàng)目概況

該項(xiàng)目位于西安市長(zhǎng)安路與友誼西路交匯口西北處,長(zhǎng)安路沿線,地鐵二號(hào)線南稍門站附近。項(xiàng)目占地面積約6.4萬(wàn)m2,總建筑面積約60余萬(wàn)m2,其中商業(yè)建筑面積約13萬(wàn)m2。項(xiàng)目南區(qū)商業(yè)面積約為8萬(wàn)m2,分為商業(yè)主樓、商業(yè)副樓兩部分。商業(yè)主樓地下2層,地上5層裙房,商業(yè)副樓地上4層。商業(yè)主副樓之間部分為商業(yè)步行街,主副樓之間2層以上有連廊連通。

商業(yè)主樓地下1層為超市,地上1～4層為品牌百貨,5層為影院和餐飲等。商業(yè)副樓1～2層鄰步行街分隔為獨(dú)立店鋪,其它地方均為商業(yè)租賃區(qū)。

1 空調(diào)冷熱源

1.1 冷熱源選擇

冷熱源選擇應(yīng)根據(jù)項(xiàng)目相關(guān)情況合理選擇。項(xiàng)目住宅、公寓部分采暖采用市政集中供暖,商業(yè)冬季空調(diào)采用市政換熱站供暖即為最合理經(jīng)濟(jì)的方式。在此基礎(chǔ)上空調(diào)冷源一般有以下幾種方式:(1)電制冷離心、螺桿制冷機(jī)組;(2)冰蓄冷、水蓄冷制冷機(jī)組系統(tǒng);(3)高溫冷凍水機(jī)組,溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)。

1.2 冷熱源系統(tǒng)分析

冰蓄冷、水蓄冷系統(tǒng)首先要考慮的是峰谷電價(jià),西安地區(qū)電價(jià)峰谷比值不到3,高峰電價(jià)也只有約1元/kWh,且蓄冷設(shè)備又將占用緊張的車庫(kù)面積。以上因素的限制已使得蓄冷系統(tǒng)的投資回收期超過(guò)5年甚至更長(zhǎng)。

高溫冷水機(jī)組也已在市場(chǎng)上出現(xiàn),溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)是由電制冷機(jī)組制備18℃左右冷凍水來(lái)消除室內(nèi)顯熱,用溶液調(diào)濕空調(diào)機(jī)組來(lái)消除室內(nèi)的余濕量從而達(dá)到空調(diào)目的的空調(diào)系統(tǒng)。

現(xiàn)有的熱濕聯(lián)合處理的空調(diào)方式存在如下問(wèn)題:(1)熱濕聯(lián)合處理的能源浪費(fèi)。(2)難以適應(yīng)熱濕比的變化。(3)室內(nèi)空氣品質(zhì)不佳。(4)室內(nèi)末端裝置吹風(fēng)感。(5)輸配能耗的問(wèn)題。然而上述問(wèn)題是基于對(duì)濕度有一定要求的情況下,而在實(shí)際工程中,舒適性空調(diào)常常不對(duì)濕度有較高要求而且人員也對(duì)濕度的變化感覺(jué)較為遲鈍,并不因?yàn)闈穸鹊纳晕⒃龃蠖a(chǎn)生較強(qiáng)的悶熱感,此種情況下就應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際綜合分析來(lái)評(píng)估此種系統(tǒng)的適用性。比如,空調(diào)季的平均室外空氣含濕量、人員新風(fēng)量大小、濕負(fù)荷所占空調(diào)總負(fù)荷的比重、溶液調(diào)濕空調(diào)機(jī)組的選型與控制等因素均應(yīng)具體分析,實(shí)際工程的應(yīng)用也對(duì)新系統(tǒng)的應(yīng)用具有很大借鑒意義。

分析該系統(tǒng)應(yīng)用于本工程尚有以下幾點(diǎn)疑問(wèn):(1)溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)空調(diào)露點(diǎn)送風(fēng)是否有明顯的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。(2)室內(nèi)溫濕度變化,露點(diǎn)溫度也隨之變化,現(xiàn)有經(jīng)濟(jì)的自控水平如何保證所有末端始終維持干工況運(yùn)行。(3)在低負(fù)荷時(shí)段或室外空氣濕度較小時(shí),系統(tǒng)是否還具有同樣的節(jié)能優(yōu)勢(shì)。任何新型空調(diào)系統(tǒng)都并非能適用任何類型的工程,每個(gè)空調(diào)系統(tǒng)都有與其它空調(diào)系統(tǒng)不同的基因,只有全面把握深刻認(rèn)識(shí)每一個(gè)問(wèn)題才能作出正確的選擇。

1.3 系統(tǒng)集中及節(jié)能

中央空調(diào)制冷,是一個(gè)按照熱力學(xué)第二定律進(jìn)行的 “熱量逆向傳遞”過(guò)程。該過(guò)程涉及到空調(diào)末端裝置、冷水機(jī)蒸發(fā)器、冷水機(jī)組冷凝器以及冷卻塔裝置等四個(gè)熱交換設(shè)備中的傳熱過(guò)程,涉及到室內(nèi)空氣循環(huán)、冷凍水循環(huán)、冷水機(jī)組制冷劑循環(huán)、冷卻水循環(huán)和室外空氣循環(huán)等5個(gè)流體循環(huán),還涉及到系統(tǒng)的負(fù)荷及實(shí)際工況的變化,運(yùn)行情況復(fù)雜,制約因素很多,使得中央空調(diào)系統(tǒng)具有時(shí)滯、時(shí)變、非線性和大惰性等一系列復(fù)雜特征。

這種復(fù)雜性使得與供熱不同,并非越集中越好。雖然商業(yè)主、副樓相距很近并且地下室連通,然而其使用單位不同,商業(yè)功能不同。若硬要并入同一空調(diào)系統(tǒng),會(huì)在物業(yè)管理、系統(tǒng)控制及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行等方面帶來(lái)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)較大的區(qū)域集中冷源,有的冷價(jià)已和電價(jià)相同,系統(tǒng)能效之低可見(jiàn)一斑。由于商業(yè)主副樓營(yíng)業(yè)時(shí)間和負(fù)荷峰值時(shí)間基本相同,最后方案趨向于主副樓各設(shè)一個(gè)冷源,制冷機(jī)組采用離心和螺桿制冷機(jī)組。

2 空調(diào)水系統(tǒng)

2.1 冷凍水系統(tǒng)

空調(diào)水系統(tǒng)循環(huán)水泵變頻調(diào)速 (以下簡(jiǎn)稱VFD)運(yùn)行的節(jié)能性已在業(yè)界得到普遍認(rèn)可,然而只有選擇合適的控制方式才能達(dá)到節(jié)能最大化的理想效果。

水泵運(yùn)行的控制方式是指:用某種被控參數(shù)實(shí)現(xiàn)水泵的變頻調(diào)速運(yùn)行,通常被控參數(shù)取循環(huán)水系統(tǒng)中某處的壓差/壓力或溫度等。本文定義了四種控制方式 (其中控制方式4為特例,因?yàn)閷儆诜亲冾l調(diào)速運(yùn)行),它們分別是:

①運(yùn)行控制方式1:恒定系統(tǒng)供/回母管間壓差,系統(tǒng)工況點(diǎn)在圖1之曲線-1上。

②運(yùn)行控制方式2:恒定系統(tǒng)最不利環(huán)路壓差,系統(tǒng)工況點(diǎn)在圖1之曲線-2上。

③運(yùn)行控制方式3:在供水溫度滿足要求的前提下,恒定系統(tǒng)的供、回水溫差,系統(tǒng)工況點(diǎn)在圖1之曲線-3上。其特點(diǎn)是:末端不設(shè)隨負(fù)荷動(dòng)作的流量調(diào)節(jié)閥,管網(wǎng)S值等于常數(shù),為主動(dòng)變流量運(yùn)行。此運(yùn)行控制方式節(jié)能效果最顯著,但管網(wǎng)動(dòng)態(tài)流量分配的可靠性差,很少采用。

圖1 不同控制方式水系統(tǒng)運(yùn)行曲線

④運(yùn)行控制方式4:末端變流量,循環(huán)水泵工頻運(yùn)行,是一次泵空調(diào)水系統(tǒng)的典型運(yùn)行方式。此控制方式運(yùn)行能耗較高。

通過(guò)文獻(xiàn) [2]對(duì)循環(huán)水泵變頻調(diào)速運(yùn)行實(shí)例的研究說(shuō)明,控制方式2恒定系統(tǒng)最不利環(huán)路或最不利環(huán)路組壓差的變頻調(diào)速控制方式是較理想的控制方式。

2.2 冷卻水系統(tǒng)

相對(duì)而言,中央空調(diào)冷卻水泵變頻問(wèn)題業(yè)內(nèi)研究較少,爭(zhēng)議也比較多。表1是冷卻水泵占主機(jī)10%的變頻節(jié)能分析。

由表中數(shù)據(jù)可以看出,低負(fù)荷率成為冷卻水泵能否變頻的主要考慮因素,只有在主機(jī)低負(fù)荷率、冷卻水泵功率占主機(jī)功率比例較大時(shí),冷卻水泵變頻才有意義。而大型商業(yè)空調(diào)通常由2、3臺(tái)以上主機(jī)組成且具備主機(jī)群控系統(tǒng),單臺(tái)主機(jī)負(fù)荷率低于50%的幾率很小,所以通過(guò)機(jī)組群控的臺(tái)數(shù)控制已經(jīng)能對(duì)冷卻水泵的能耗進(jìn)行控制,再進(jìn)行變頻控制意義已經(jīng)不大。當(dāng)然具體節(jié)能量應(yīng)通過(guò)詳細(xì)計(jì)算來(lái)論證是否變頻,文獻(xiàn) [3]給出了一種計(jì)算冷卻水泵變頻節(jié)能的方法,具有一定指導(dǎo)意思。

表1 冷卻水泵占主機(jī)10%的節(jié)能分析

3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

由于大型商場(chǎng)基本采用全空氣空調(diào)系統(tǒng),而空調(diào)箱風(fēng)機(jī)全年運(yùn)行,因此商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)中空調(diào)箱風(fēng)機(jī)電耗所占比重最大,達(dá)到了該商場(chǎng)空調(diào)系統(tǒng)總用電的65.4%,浪費(fèi)最嚴(yán)重、節(jié)能潛力最大。因此,大型商場(chǎng)節(jié)能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)。

造成大型商場(chǎng)空調(diào)箱風(fēng)機(jī)電耗巨大的主要原因是,空調(diào)系統(tǒng)采用定風(fēng)量系統(tǒng),風(fēng)機(jī)并沒(méi)有根據(jù)商場(chǎng)中的負(fù)荷變化而調(diào)節(jié)。而商場(chǎng)中人流密度的變化較大,因此最有效的節(jié)能方案之一就是采用風(fēng)機(jī)變頻控制調(diào)節(jié)策略,將定風(fēng)量系統(tǒng)改變?yōu)樽冿L(fēng)量系統(tǒng)。采用風(fēng)機(jī)變頻控制調(diào)節(jié)時(shí),在保證送風(fēng)溫度和室內(nèi)溫度不變的前提下,當(dāng)室內(nèi)負(fù)荷為最大室內(nèi)負(fù)荷的一半時(shí),風(fēng)機(jī)的風(fēng)量可以降到額定風(fēng)量的50%,風(fēng)機(jī)電耗可以降到其額定功率的1/8,具有極大的節(jié)能潛力。若保證送風(fēng)溫度不變,通過(guò)變頻器調(diào)節(jié)風(fēng)量,可得到定速風(fēng)機(jī)和變頻風(fēng)機(jī)的逐時(shí)運(yùn)行功率變化如圖2所示。

由圖2可以看出,變頻風(fēng)機(jī)在部分負(fù)荷時(shí)運(yùn)行功率要遠(yuǎn)低于定速風(fēng)機(jī)的功率,所以從全年累計(jì)運(yùn)行能耗比較來(lái)看,兩者相差很大。

大型商場(chǎng)建筑由于照明和客流量的影響,內(nèi)部發(fā)熱量很大;而且這類建筑往往體形系數(shù)也很大,熱量不易散出。商場(chǎng)的新排風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)考慮過(guò)渡季和冬季從室外引入新風(fēng)作為免費(fèi)冷源。設(shè)計(jì)上新風(fēng)道面積不能過(guò)小,應(yīng)滿足過(guò)渡季和冬季的新風(fēng)用量,還應(yīng)有相應(yīng)排風(fēng)系統(tǒng)使得風(fēng)量平衡,使全新風(fēng)運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn),以減少空調(diào)的開啟時(shí)間。

圖2 兩種風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制調(diào)節(jié)策略下空調(diào)箱逐時(shí)運(yùn)行功率比較

4 空調(diào)自控系統(tǒng)

目前我國(guó)建筑設(shè)備智能化的建設(shè)與運(yùn)用情況不容樂(lè)觀,而在建筑設(shè)備智能化中,暖通空調(diào)系統(tǒng)智能化又比其他如照明、報(bào)警、電梯等智能化運(yùn)行現(xiàn)狀差。暖通空調(diào)自控系統(tǒng)在既有公共建筑中的應(yīng)用較少,即使安裝了暖通空調(diào)自控系統(tǒng),也往往未能發(fā)揮其應(yīng)有的優(yōu)勢(shì)。原因是多方面的,暖通專業(yè)和自控專業(yè)缺乏密切配合和自控專業(yè)對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)缺乏深度理解,是其中的一個(gè)重要原因。暖通專業(yè)需在設(shè)計(jì)中明確以下三方面內(nèi)容:①暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制邏輯關(guān)系要求;②感測(cè)元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)置位置和精度要求;③設(shè)備控制參數(shù)的要求,是指暖通空調(diào)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行控制參數(shù)設(shè)定值、參數(shù)調(diào)節(jié)范圍、以及感測(cè)元件與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的參數(shù)性能要求等。

暖通空調(diào)系統(tǒng)是一個(gè)多變量、強(qiáng)耦合的復(fù)雜系統(tǒng),自控設(shè)計(jì)中主要的難題是控制對(duì)象的難理解性和干擾的復(fù)雜性,暖通空調(diào)自控設(shè)計(jì)的成效關(guān)鍵在于暖通專業(yè)?？照{(diào)系統(tǒng)主要矛盾在于末端設(shè)備的主動(dòng)性調(diào)節(jié),只有以整個(gè)系統(tǒng)的自控觀抓住主要矛盾才能理清各控制機(jī)構(gòu)的控制邏輯,而并非僅在機(jī)房考慮就能解決系統(tǒng)的整個(gè)問(wèn)題。

5 方案綜述

經(jīng)過(guò)以上論述,本商場(chǎng)中央空調(diào)設(shè)計(jì)方案定為以下主要內(nèi)容:①冷源為常規(guī)離心式、螺桿式水冷冷水機(jī)組;熱源為城市集中供熱。②冷凍水系統(tǒng)采用末端具備主動(dòng)性調(diào)節(jié)的一次泵變流量系統(tǒng),依據(jù)恒定系統(tǒng)最不利環(huán)路的壓差來(lái)進(jìn)行水泵變頻調(diào)速,冷凍水泵均可變頻調(diào)速,相互并聯(lián)通過(guò)共用集管與冷水機(jī)組連接;冷卻水為定流量系統(tǒng),水泵工頻運(yùn)行。③商場(chǎng)空調(diào)采用全空氣系統(tǒng),空調(diào)箱風(fēng)機(jī)依據(jù)回風(fēng)溫度進(jìn)行變頻調(diào)節(jié)。過(guò)渡季節(jié)空調(diào)系統(tǒng)可全新風(fēng)運(yùn)行來(lái)最大限度降低能耗,空調(diào)區(qū)域內(nèi)氣流組織合理且必須設(shè)置排風(fēng)設(shè)備,排風(fēng)設(shè)備應(yīng)使系統(tǒng)風(fēng)量平衡,全新風(fēng)運(yùn)行得以實(shí)現(xiàn)?？照{(diào)箱變頻控制應(yīng)有保證滿足人員衛(wèi)生要求最小新風(fēng)量的控制措施。④自控系統(tǒng)應(yīng)主要分為主機(jī)系統(tǒng)群控、冷凍水變頻調(diào)速控制、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)變頻控制、末端設(shè)備的主動(dòng)性調(diào)節(jié)控制及各設(shè)備間的連鎖調(diào)節(jié)控制等。

6 結(jié)語(yǔ)

大型商業(yè)暖通空調(diào)能耗占建筑總能耗比重很大,通過(guò)本文的討論,期望在提高中央空調(diào)設(shè)計(jì)質(zhì)量和降低大型商業(yè)建筑空調(diào)能耗等方面有所幫助。

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