游泳池地?zé)崂贸醪皆O(shè)計(jì)

田松娜

(南陽南油科貿(mào)有限公司,河南 南陽473132)

1 概述

為積極應(yīng)對全球氣候變化,國家“十二五”發(fā)展規(guī)劃明確指出加大環(huán)境保護(hù)力度,促進(jìn)生態(tài)保護(hù)和修復(fù),加強(qiáng)資源節(jié)約和管理,提倡綠色發(fā)展,建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。“十二五”進(jìn)一步確定了綠色低碳發(fā)展戰(zhàn)略,要求高耗能企業(yè)加大節(jié)能減排力度,減少對環(huán)境的污染。特別是20 世紀(jì)70 年代爆發(fā)能源危機(jī),人們更加認(rèn)識(shí)到熱泵節(jié)約能源,回收低溫廢熱的特點(diǎn),對熱泵的研究工作更加重視起來,熱泵技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。南陽地區(qū)為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,迫切需要發(fā)展綠色低碳循環(huán)經(jīng)濟(jì)。南陽地區(qū)地下余熱回收潛力較大,如能采用熱泵技術(shù)對地?zé)徇M(jìn)行有效地回收利用,可減少環(huán)境污染和熱量浪費(fèi),符合當(dāng)前國家低碳綠色能源發(fā)展的戰(zhàn)略要求。

2 現(xiàn)狀

南陽某游泳池由成人游泳池、兒童游泳池以及活動(dòng)廣場三部分組成。成人游泳池始建于1980 年,于1982 年建成并投入使用,看臺(tái)座位容納人數(shù)總數(shù)約500 人,兒童游泳池于1987 年建成并投入使用。兩個(gè)游泳池均已投入使用26-30 年,但因基礎(chǔ)設(shè)施老化,無水溫加熱換熱系統(tǒng),無法滿足四季健身及訓(xùn)練的要求。設(shè)備循環(huán)系統(tǒng)老化嚴(yán)重,效能差、能耗高,配套設(shè)施落后等?；A(chǔ)設(shè)施不完善限制了多樣性水上健身和游樂項(xiàng)目,對公眾和游客服務(wù)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。需對成人游泳池和兒童游泳池的淋浴和水溫進(jìn)行低溫?fù)Q熱改造,充分利用地?zé)岬膿Q熱功能對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),滿足四季對溫度的要求。

3 設(shè)計(jì)資料

3.1 氣象條件

南陽地區(qū)所處屬于溫帶和北亞熱帶地區(qū),在我國元月份日均0℃等溫線兩側(cè),氣候過渡性明顯,溫暖適中,兼有南北之長。四季氣候變化大致是冬季寒冷而少雪,春季干旱而多風(fēng),夏季炎熱而多雨,秋季晴朗日照時(shí)間長。

主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|北風(fēng),頻率占20%,次之為西南風(fēng)占7%,靜風(fēng)頻率為22%,全年春季風(fēng)最大,風(fēng)向東北,秋季風(fēng)較小,風(fēng)向西北,最大風(fēng)速18m/s,風(fēng)向東北,平均風(fēng)速2～3m/s,風(fēng)力多為3～4 級。

年平均日照時(shí)數(shù)為2000～2600 小時(shí),日照率達(dá)45%～55%。年平均太陽總輻射熱454～513 焦耳/厘米2,熱量資源自北向南、自西向東遞增。

年平均氣溫13～15℃,極端最高氣溫可達(dá)44℃,極端最低氣溫可達(dá)-21℃。年均≥10℃的活動(dòng)積溫為4200～4900℃。

年平均降水量600mm～1200mm,自東南向西北逐漸減少,降水變幅一般為16%～26%。從季節(jié)上看降水多集中在7～8 月份,約占全年降水量的50%～60%,高溫期與多雨期相一致。年平均水面蒸發(fā)量1100mm～1700mm,自南向北遞減；年平均陸面蒸發(fā)量500mm～800mm,自西向東漸少。

全年無霜期210～230 天,歷年最大積雪深度27cm,積雪平均密度0.2g/cm2,歷年最大凍土深度25cm,歷年平均結(jié)冰天數(shù)70 天。

南陽地區(qū)處于北緯33°,東經(jīng)112°58＇。其夏季和冬季的設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)如下表所示:

表1 夏季室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

表2 冬季室外設(shè)計(jì)計(jì)算參數(shù)

3.2 地質(zhì)條件

南陽處在華北陸塊南緣與秦嶺構(gòu)造帶的結(jié)合部位,大部分位于昆侖- 秦嶺構(gòu)造帶東段。從河南構(gòu)造體系圖上可以明顯看出,南陽凹陷和泌陽凹陷主要受新華夏系構(gòu)造控制,凹陷中心最大下降幅度5000～6000m,盆地內(nèi)接受了一套巨厚的中新生界以河、湖相為主的沉積層,對區(qū)內(nèi)地下水起到了主要的控制作用。沉積類型豐富,構(gòu)造變形復(fù)雜,巖漿活動(dòng)頻繁,成礦條件良好。根據(jù)地殼活動(dòng)性和沉積特征,油區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要是中新生代斷陷盆地?；准炊笌X- 桐柏山微陸塊,由下元古界陡嶺巖群和下元古界- 上太古界桐柏山雜巖構(gòu)成第一(剛性)基底,由中元古界姚營寨組(五當(dāng)山巖群)和上元古界耀嶺河組(耀嶺河群)構(gòu)成第二(柔性)基底。最重要的蓋層是古第三系,始新統(tǒng)核桃園組分布最廣,是盆地的含油巖系及石膏、天然堿礦含礦層位,主要巖性為棕紅灰綠色泥巖、鈣質(zhì)泥巖與泥灰?guī)r互層,下部夾炭質(zhì)泥巖,粉砂巖,上部夾薄層礫巖。此外,新第三系蓋層也有廣泛分布,其主要巖性下部為礫巖夾泥巖,中部為粘土巖、砂巖、粉砂巖夾砂礫巖,上部為泥灰?guī)r與鈣質(zhì)泥巖互層,局部夾含礫砂巖。

南陽地區(qū)中深部(600～1000m深度范圍),主要發(fā)育上第三系含水層段,巖性以棕黃色、淺灰色中粗砂巖、細(xì)砂巖為主,泥質(zhì)含量較低,孔隙度高,滲透性好,單層厚度大,地下水儲(chǔ)存較豐富,井口水溫為38～43℃,屬中低溫?zé)崴?為地?zé)岽蚓峁V闊空間。

河南所處的南陽凹陷和泌陽凹陷為富含油氣的沉積凹陷,由于深部第三系老地層中斷裂縱橫交錯(cuò),容易使深部熱源向淺部傳遞,而淺部松散的第四系地層又像棉被一樣覆蓋于斷裂之上,使熱量得以保存,再加上漫長地質(zhì)史中一部分油氣的氧化,使得凹陷內(nèi)平均地溫梯度達(dá)到3.5℃/100m 以上,高于全球地溫梯度平均值3.0℃/100m。

河南南陽中心區(qū)含水層廣泛分布于第四系和第三系的地層中。目前可能作為地?zé)豳Y源開發(fā)利用的地層水主要分布于第四系平原組、新近系鳳凰鎮(zhèn)組、古近系廖莊組以及核桃園組核一段,最大埋深約為1200m。其中600～1200m深度范圍存在多套含水層,溫度在40～57℃,巖性以棕黃色、淺灰色礫狀砂巖、中粗砂巖、細(xì)砂巖為主,泥質(zhì)含量較低,孔隙度在20～30%,滲透性好,單層厚度在4～10m,地下水儲(chǔ)存較豐富。

根據(jù)地?zé)豳Y源勘查規(guī)范(GB/T11615-2010)按照“熱儲(chǔ)法”對設(shè)計(jì)井2km半徑范圍內(nèi)熱資源量預(yù)測見下表。

表3 設(shè)計(jì)井熱資源量預(yù)測

3.3 三集一體熱泵工作原理

三集一體熱泵集游泳池池水加熱、游泳池室內(nèi)除濕和室內(nèi)空調(diào)集一體的熱泵,可保持泳池恒溫恒濕,通過四季運(yùn)行模式的轉(zhuǎn)變,綜合利用能量。其工作原理簡言之,設(shè)備的風(fēng)機(jī)從泳池室內(nèi)抽取溫暖潮濕的空氣,該空氣經(jīng)蒸發(fā)器盤管,在制冷除濕的同時(shí)將回收的因池水蒸發(fā)產(chǎn)生的熱能傳遞給冷的液態(tài)制冷劑。這種能量交換使空氣溫度降至露點(diǎn)以下,在蒸發(fā)器盤管上形成結(jié)露,形成的水分流入設(shè)備的承液盤中,通過排水管排出,潮濕空氣轉(zhuǎn)變?yōu)楦稍锏睦淇諝?。液態(tài)制冷劑流過蒸發(fā)器之后回收的空氣熱能就變?yōu)橐环N低溫低壓的氣態(tài)制冷劑。低溫氣態(tài)制冷劑然后進(jìn)入壓縮機(jī),經(jīng)壓縮變?yōu)楦邷貧鈶B(tài)。高溫氣態(tài)制冷劑流過主機(jī)風(fēng)冷冷凝器或池水熱泵輔助加熱冷凝器或室外機(jī)冷凝器,這是高溫氣態(tài)制冷劑由氣態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài),釋放回收的熱量,對室內(nèi)空氣溫度或池水溫度進(jìn)行加熱。需要對室內(nèi)空氣進(jìn)行加熱時(shí)主機(jī)風(fēng)冷冷凝器工作,送出干燥的熱空氣對室內(nèi)空氣進(jìn)行升溫。如果室內(nèi)空氣溫度達(dá)到要求時(shí),回收的冷凝熱給池水加熱,主機(jī)送出干燥冷空氣對室內(nèi)空氣進(jìn)行制冷。如室內(nèi)空氣溫度和池水溫度同時(shí)都達(dá)到要求時(shí),這是回收的冷凝熱通過室外冷凝器排到室外大氣中。高溫氣態(tài)制冷劑流經(jīng)冷凝器后冷凝成溫暖的液態(tài),釋放冷凝熱。當(dāng)室內(nèi)空氣溫度超過要求上限時(shí),主機(jī)風(fēng)冷冷凝器停止工作,通過除濕蒸發(fā)器送出冷空氣,對室內(nèi)空氣進(jìn)行冷卻降溫。所以說三集一體除濕熱泵具備了除濕功能、空調(diào)制冷功能、室內(nèi)空氣加熱功能、新風(fēng)處理功能、池水熱泵輔助加熱功能。

4 工程設(shè)計(jì)

4.1 室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計(jì)算

現(xiàn)把成人游泳池改建為室內(nèi)游泳館,且成人游泳池改建后的面積為3564m2,按照建筑面積冷負(fù)荷指標(biāo)200W/m2計(jì)算,夏季工況泳館內(nèi)的冷負(fù)荷為712.8kW,按照建筑面積熱負(fù)荷指標(biāo)190W/m2計(jì)算,冬季工況泳館內(nèi)的熱負(fù)荷為677.16 kW。相應(yīng)的冷負(fù)荷指標(biāo)參照建筑面積冷負(fù)荷估算表,如下表所示:

表4 冷負(fù)荷估算指標(biāo)

4.2 池水加熱負(fù)荷計(jì)算

成人游泳池改造后的池水容積為3700m3,池水溫度及游泳池的室內(nèi)氣溫分別為27℃和28℃。

4.2.1 一次性沖擊負(fù)荷

參照公式:

Q=1.15×V×(t2-t1)×1000/860kW

小時(shí)熱功率P= Q/T Kw

式中:V- 游泳池的總?cè)莘e,m3；

t2- 池水所需溫度,℃；

t1- 冷水溫度,℃；

T- 換水周期,h；

1.15- 考慮在換水周期內(nèi)的熱損失附加值。

應(yīng)以冬季工況為計(jì)算依據(jù),自來水溫度取最低值10℃,暫按72 小時(shí)計(jì)算,

則Q=cm△t 即744.63kW

4.2.2 日經(jīng)常負(fù)荷

彌補(bǔ)散熱損失負(fù)荷,當(dāng)池水水溫為27℃,室溫為28℃時(shí),參照泳池水面面積平均散失量估算表得每平方米的池水散熱量為372W/m2,小時(shí)散熱負(fù)荷為325.5kW,日散熱負(fù)荷為7812kW。

補(bǔ)水補(bǔ)熱負(fù)荷:以每日補(bǔ)水量B 為5%的池容積計(jì)算,冬季工況冷水溫度為12℃,小時(shí)補(bǔ)水補(bǔ)熱負(fù)荷為73.3kW,日補(bǔ)水負(fù)荷880kW。

淋浴等用水量及日用熱負(fù)荷:日用熱水量20 方/日,其中淋浴用水溫度為55℃,則日用熱負(fù)荷為588.3kW。

該游泳池使用熱負(fù)荷=7812+880+588.3=9875.3kW

4.3 除濕量計(jì)算

4.3.1 泳池水面的散濕量

W1=0.0075×(0.0152va+0.0178)×(Pw-Pt)×Fw

式中:W1- 游泳池池水表面散濕量,kg/h；

va- 游泳池水面風(fēng)速,0.25m/s；

Pw- 游泳池池水表面溫度下的飽和空氣的水蒸氣分壓力,Pa；

Pt- 館內(nèi)空氣的飽和水蒸氣分壓力,Pa；

Fw- 游泳池水面面積,m2；

根據(jù)以上述數(shù)據(jù),恒溫泳池表面散濕量為269.7kg/h。

4.3.2 池邊散濕量計(jì)算

W2=0.0171×(tn-ts)×F×n

式中:W2——池邊濕潤地面散濕量,kg/h；

tn——館內(nèi)空氣干球溫度,℃；

ts——館內(nèi)空氣濕球溫度,℃；

F——池邊濕潤地面面積,m2；

n——濕潤系數(shù),n 值對應(yīng)不同的使用條件,取0.2～0.4 為宜。

則池邊濕潤地面散濕量為3.59kg/h。

4.3.3 人體散濕量

W3=mq/1000

式中:Q——每人散濕量,134g/(h·人)；

M——人數(shù)；

W3=mq/1000=600×134÷1000=80.4kg/h；

所以室內(nèi)散濕量合計(jì)為:269.7+3.59+80.4=353.7kg/h。

4.4 通風(fēng)量計(jì)算

4.4.1 夏季(考慮經(jīng)濟(jì)實(shí)際,新風(fēng)濕量可以不計(jì)考慮)平時(shí)所需的通風(fēng)量=換氣次數(shù)×游泳館池廳面積×高度。

即L=54×66×12×2=85536m3/h(娛樂游泳池?fù)Q氣次數(shù)可取2～3 次)。

將循環(huán)風(fēng)量取整為85536m3/h。新風(fēng)量取循環(huán)風(fēng)量的20%左右,即18000m3/h。

根據(jù)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)28℃,相對濕度60%,查得室內(nèi)含濕量為16g/kg,室外干球溫度35.2,相對濕度80%,查得新風(fēng)含濕量30.7g/kg。

新風(fēng)量為18000m3/h,排風(fēng)量為21600m3/h,混合溫度T=29.2℃,混風(fēng)空氣含濕量d=18.45g/kg,混風(fēng)焓值67kJ/kg。

處理后空氣含濕量為14.69g/kg,查得處理后空氣的溫度為19℃,處理后空氣的焓值55kJ/kg。

機(jī)組的冷量為313.6kW,為了提高舒適度,空氣經(jīng)過除濕后需要把溫度提升到28℃,那么空氣再熱量為249.3kW。

4.4.2 冬季

根據(jù)室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)28℃,相對濕度50%,查得含濕量為13g/kg,室外干球溫度1℃,相對濕度69%,新風(fēng)含濕量3g/kg。冬季采用全新風(fēng)除濕。

那 么 新 風(fēng) 量L 為:L×1.3×(13-3)/1000 ＝353.7kg/h 即18139m3/h。

則冬季的新風(fēng)量取為18000m3/h,計(jì)算得出冬天新風(fēng)再熱負(fù)荷為243.1kW。

4.5 負(fù)荷計(jì)算統(tǒng)計(jì)

根據(jù)上述計(jì)算統(tǒng)計(jì)可得本泳池空調(diào)系統(tǒng)改造所需的負(fù)荷如下表所示:

表5

4.6 主機(jī)選型

根據(jù)本方案中要滿足空調(diào)系統(tǒng)調(diào)節(jié)、池水加熱、除濕等所需的負(fù)荷要求以及可利用地下余熱的實(shí)際情況,初選分體式泳池恒溫除濕機(jī)組(制熱量為760kW,制冷量為730kW,除濕量為360kg/h),分別用于池水加熱、室內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)以及滿足淋浴等用水需要。

空調(diào)采用全空氣系統(tǒng),回風(fēng)由百葉經(jīng)由回風(fēng)管回至空調(diào)機(jī)房,與新風(fēng)混合后,進(jìn)入空氣處理機(jī),經(jīng)過濾、殺菌、降焓除濕、再熱后,經(jīng)送風(fēng)管送至空調(diào)區(qū)域。氣流組織為上送下回。

該三集一體熱泵機(jī)組始終處于制冷狀態(tài),游泳池的室內(nèi)環(huán)境中的暖濕空氣流流經(jīng)低溫蒸發(fā)器后,達(dá)到室內(nèi)露點(diǎn)溫度,暖水汽凝結(jié)成水滴從空氣中分離出來,流入水池,減少了水池的補(bǔ)水量,達(dá)到空氣除濕功能,防止了圍護(hù)結(jié)構(gòu)的結(jié)露；同時(shí),空氣冷卻、水汽凝結(jié)及冷卻過程中釋放出的熱能被制冷循環(huán)的冷媒吸收。經(jīng)過冷凝預(yù)熱后的冷凝器經(jīng)過壓縮機(jī)和冷凝器成為高溫高壓制冷劑。

該系統(tǒng)采用了能源再生的設(shè)計(jì)理念,是免費(fèi)能源與環(huán)境保護(hù)的充分結(jié)合。通過把蒸發(fā)到空氣中的水蒸汽回收利用,一方面回收熱量對水池加熱,同時(shí)提供給空氣回?zé)?；另一方面通過降低溫度至露點(diǎn),使水蒸汽冷凝成水,既干燥了空氣,達(dá)到除濕效果,又可以回收蒸發(fā)掉的水分送入水池,減少水池的補(bǔ)水量,從而達(dá)到恒溫、恒濕、節(jié)能、節(jié)水、環(huán)保的效果,大大延長了建筑物的使用壽命。

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)勘察資料顯示提供的南陽地區(qū)在200～800m的淺層水源,儲(chǔ)量較大,溫度適當(dāng),水質(zhì)礦化度較低,可作為水源熱泵的低品位熱源?？稍谥苓叺目盏靥幋虻?zé)峋?地?zé)峋捎靡怀閮晒嗟臉?biāo)準(zhǔn),預(yù)計(jì)考慮三口水井。

圖1 機(jī)組工作原理簡圖

5 結(jié)論

采用三集一體熱泵并利用地?zé)豳Y源對游泳池進(jìn)行初步設(shè)計(jì),可大大簡化空調(diào)系統(tǒng)的配置,彌補(bǔ)了冬季以及春秋季游泳利用率較低,仍需開放的弊端,在一定程度上減少了資料浪費(fèi),雖然增加了初投資,但是充分利用當(dāng)?shù)刎S富的地?zé)豳Y源,利用高效的換熱設(shè)備,把能量散失降為最低。利用這項(xiàng)技術(shù)不僅節(jié)約了電能,更間接地減少了二氧化碳等氣體的排放量。在能源的節(jié)約和保護(hù)方面發(fā)揮了一定的作用,既降低后期運(yùn)行費(fèi)用,回收期較短,又能保證機(jī)組在高效狀態(tài)下運(yùn)行,具有很大的優(yōu)勢,應(yīng)用可行性較高。