嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)水上樂園全新風(fēng)除濕設(shè)計與探索

徐 欽

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司,上海)

1 項目概況

某單體項目占地面積約25 000 m2,建筑面積40 614 m2,為某知名地產(chǎn)商在吉林長春建設(shè)的水世界主題樂園中的規(guī)模最大的單體項目。該項目地下1層主要為水處理機(jī)房、換熱站及其水泵房、空調(diào)機(jī)房、變電所等設(shè)備用房,地上單層大空間為室內(nèi)水上樂園(由48.3 m高的異形幕墻及透光穹頂圍合而成),大空間內(nèi)局部3層輔樓是由入口門廳、更衣室、辦公區(qū)及輔樓屋頂?shù)牟惋媴^(qū)組成的房中房。水上樂園由人工沙灘大型造浪池、多個高空滑道著陸池、大型水寨及環(huán)繞一圈的漂流河等組成,為典型的高濕度環(huán)境大空間,如圖1所示。

圖1 室內(nèi)水上樂園全景模型

2 暖通空調(diào)系統(tǒng)概述

2.1 冷熱源

1) 夏季工況。

該單體水上樂園大空間夏季室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為30 ℃/70%(僅作為設(shè)計計算依據(jù),夏季對水上樂園大空間的室內(nèi)溫度不作嚴(yán)格控制),門廳、更衣室及后勤辦公區(qū)域的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為26 ℃/65%。室內(nèi)水上樂園大空間夏季冷負(fù)荷為2 842 kW(全熱)/1 078 kW(顯熱),采用室外全新風(fēng)進(jìn)行除濕及供冷,僅在門廳、更衣室及后勤辦公區(qū)域設(shè)置直接蒸發(fā)式空調(diào)機(jī)組、直接蒸發(fā)式新風(fēng)機(jī)組及多聯(lián)式空調(diào)機(jī)組。

2) 冬季工況。

該單體水上樂園大空間冬季室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為30 ℃/70%,更衣室設(shè)計溫度為25 ℃,門廳及后勤辦公區(qū)域設(shè)計溫度為18 ℃。冬季總熱負(fù)荷為8 850 kW,在地下室設(shè)置獨(dú)立換熱站,由水世界園區(qū)自建鍋爐房供應(yīng)80 ℃/55 ℃的一次側(cè)熱水。換熱站內(nèi)設(shè)置2臺5 500 kW的板式換熱器,為空調(diào)系統(tǒng)提供60 ℃/50 ℃的二次側(cè)熱水;換熱站內(nèi)另設(shè)2臺700 kW的板式換熱器,為低溫地板供暖系統(tǒng)提供50 ℃/40 ℃的二次熱水。

2.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)

1) 末端系統(tǒng)概述。

該單體室內(nèi)水上樂園大空間內(nèi)設(shè)置的末端系統(tǒng)見表1。

表1 室內(nèi)水上樂園大空間內(nèi)空調(diào)末端系統(tǒng)

該單體入口門廳設(shè)置1臺20 000 m3/h的直接蒸發(fā)式空調(diào)機(jī)組(帶熱水盤管),在更衣室及后勤辦公區(qū)域設(shè)置1臺8 000 m3/h的直接蒸發(fā)式新風(fēng)機(jī)組(帶熱水盤管),配合多聯(lián)機(jī)及散熱器、地暖運(yùn)行。

2) 夏季工況運(yùn)行方案。

該項目地處嚴(yán)寒地區(qū),夏季室外空氣涼爽、干燥,故采用全新風(fēng)對水上樂園大空間進(jìn)行除濕。

10臺40 000 m3/h的組合式空調(diào)機(jī)組開啟“過渡季節(jié)”全新風(fēng)運(yùn)行模式,為室內(nèi)低區(qū)人員主要活動區(qū)域及3層屋頂餐飲街提供400 000 m3/h的室外新風(fēng);5臺20 000 m3/h的組合式新風(fēng)機(jī)組開啟“過渡季節(jié)”運(yùn)行模式,為高空穹頂提供100 000 m3/h的室外新風(fēng)。

入口門廳、更衣室、后勤辦公等區(qū)域運(yùn)行對應(yīng)的直膨式空調(diào)機(jī)組、直膨式新風(fēng)機(jī)組及多聯(lián)機(jī)。

夏季室內(nèi)水上樂園總共引入500 000 m3/h的室外新風(fēng)對水上樂園進(jìn)行除濕、降溫。

3) 冬季工況運(yùn)行方案。

冬季室內(nèi)外含濕量差值較大,室內(nèi)水上樂園除濕所需室外新風(fēng)量遠(yuǎn)小于夏季。

10臺40 000 m3/h的組合式空調(diào)機(jī)組開啟“空調(diào)季節(jié)”運(yùn)行模式,新風(fēng)比為20%,每臺空調(diào)機(jī)組引入8 000 m3/h的室外新風(fēng),為室內(nèi)低區(qū)人員主要活動區(qū)域及3層屋頂餐飲街提供400 000 m3/h經(jīng)過處理的空調(diào)送風(fēng)進(jìn)行空調(diào)供熱,同時提供80 000 m3/h的室外新風(fēng),以保障人員新風(fēng)量需求;5臺20 000 m3/h的組合式新風(fēng)機(jī)組開啟“空調(diào)季節(jié)”運(yùn)行模式,為高空穹頂提供50 000～100 000 m3/h經(jīng)過處理的室外新風(fēng)進(jìn)行空調(diào)供熱(新風(fēng)機(jī)組風(fēng)機(jī)變頻)。

開啟沿玻璃幕墻一圈設(shè)置的落地風(fēng)機(jī)盤管,以減少冷風(fēng)滲透及室外冷輻射對室內(nèi)靠近外圍護(hù)結(jié)構(gòu)處的舒適度的影響,并減少外幕墻的結(jié)露現(xiàn)象。開啟高空穹頂馬道空調(diào)平臺的35臺10 000 m3/h的吊掛式室內(nèi)循環(huán)空調(diào)機(jī)組,為室內(nèi)高空提供熱量并減少穹頂及馬道的結(jié)露現(xiàn)象。

開啟地面低溫水輻射系統(tǒng),以保證游客活動區(qū)域的熱舒適度。

入口門廳、更衣室、后勤辦公等區(qū)域運(yùn)行對應(yīng)的直膨式空調(diào)機(jī)組(帶熱水盤管)、直膨式新風(fēng)機(jī)組(帶熱水盤管)及散熱器、地暖。

冬季室內(nèi)水上樂園總共引入130 000 m3/h的室外新風(fēng)對水上樂園進(jìn)行除濕;隨著室外氣象參數(shù)變化(室外空氣溫度升高、含濕量上升)逐步提高為高空服務(wù)的組合式新風(fēng)機(jī)組的新風(fēng)量,直至機(jī)組全開,此時共引入180 000 m3/h的室外新風(fēng)對水上樂園進(jìn)行除濕;當(dāng)除濕所需的新風(fēng)量進(jìn)一步提升時,提高為低區(qū)服務(wù)的組合式空調(diào)機(jī)組的新風(fēng)比,以滿足除濕需求。

3 除濕方案對比

3.1 散濕量計算

散濕量為確定除濕方案及系統(tǒng)規(guī)模的重要依據(jù),分為池面蒸發(fā)量、池岸蒸發(fā)量及人員散濕量三部分,其中池面蒸發(fā)量計算公式參考不同文獻(xiàn)。

1) 池面蒸發(fā)量計算公式[1]為

(1)

式中W1為池面蒸發(fā)量,kg/s;Cz為蒸發(fā)系數(shù),kg/(Pa·m2·s);p2為水表面的飽和水蒸氣分壓力,Pa;p1為水表面的空氣和水蒸氣分壓力,Pa;F1為水表面積,m2;101 300為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力,Pa;B為當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫?Pa。

該單體池面面積約為5 550 m2,Cz是一個通過模型實(shí)驗得出的數(shù)據(jù),與水面平靜程度、風(fēng)速、水溫和水蒸氣分壓力差有關(guān),這里取6.6×10-8kg/(Pa·m2·s)[1],計算得到池面蒸發(fā)量W1=1 760 kg/h。

池面蒸發(fā)量的另一個計算公式[2]為

W1=F1g

(2)

式中g(shù)為水面的單位蒸發(fā)量,kg/(m2·h),可查詢文獻(xiàn)[2]中的表20.12-1。

表2 除濕熱泵方案初投資概算

該單體池面面積約為5 550 m2,查表后g取0.24 kg/(m2·h),計算得到池面蒸發(fā)量W1=1 332 kg/h。

除濕設(shè)計中池面蒸發(fā)量取上述2種計算方式得到的結(jié)果中的較大值,即W1=1 760 kg/h。

2) 池岸蒸發(fā)量計算公式[1]為

W2=4.75×10-6(tg-ts)F2Cr

(3)

式中W2為池岸蒸發(fā)量,kg/s;tg為室內(nèi)計算干球溫度,℃;ts為室內(nèi)計算濕球溫度,℃;F2為池岸面積,m2;Cr為濕潤系數(shù),一般取0.2～0.4。

該單體池岸面積約為14 800 m2,Cr取0.3,計算得到池岸蒸發(fā)量W2=350 kg/h。

3) 人員數(shù)量為4 000人;群集系數(shù)取0.8;室內(nèi)游玩、休閑、用餐等活動介于輕度活動與中等活動之間,單人散濕量取220 g/h[2];計算得到人員總散濕量W3=700 kg/h。

4) 室內(nèi)水上樂園總散濕量為W1+W2+W3=2 810 kg/h。

3.2 全新風(fēng)除濕方案

該項目所在地為長春,以下室外氣象參數(shù)參考GB 50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范》。

1) 夏季工況。

夏季通風(fēng)室外計算溫度為26.6 ℃,相對濕度為65%,含濕量為14.9 g/kg;夏季水上樂園大空間的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為干球溫度30 ℃、相對濕度70%,該參數(shù)下的含濕量為19.7 g/kg。室內(nèi)外含濕量差為4.8 g/kg,空氣的密度取1.2 kg/m3,則除濕需要的室外新風(fēng)量為487 848 m3/h,考慮工程余量,夏季引入500 000 m3/h室外新風(fēng)進(jìn)行室內(nèi)除濕。

2) 冬季工況。

冬季空調(diào)室外計算溫度為-24.3 ℃,相對濕度為66%,含濕量為0.3 g/kg。冬季水上樂園大空間的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為干球溫度30 ℃、相對濕度70%,該參數(shù)下的含濕量為19.7 g/kg。室內(nèi)外含濕量差為19.4 g/kg,空氣的密度取1.2 kg/m3,則除濕需要的室外新風(fēng)量為120 580 m3/h,考慮工程余量,冬季引入至少130 000 m3/h室外新風(fēng)進(jìn)行室內(nèi)除濕。

因冬季設(shè)定的空調(diào)機(jī)組及新風(fēng)機(jī)組的出風(fēng)溫度為45 ℃,故參與除濕的10臺空調(diào)機(jī)組及5臺新風(fēng)機(jī)組的總熱負(fù)荷為4 660 kW。

3.3 傳統(tǒng)除濕熱泵方案

該單體需設(shè)置15臺除濕熱泵,單臺設(shè)備風(fēng)量40 000 m3/h,除濕量200 kg/h,其中12臺服務(wù)于低區(qū)人員活動區(qū)域,3臺服務(wù)于高區(qū)穹頂區(qū)域。

1) 夏季工況。

夏季空調(diào)室外計算干球溫度為30.5 ℃,濕球溫度為24.1 ℃,含濕量為17.3 g/kg;夏季水上樂園大空間的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為干球溫度30 ℃、相對濕度70%,該參數(shù)下的含濕量為19.7 g/kg。室內(nèi)人員需要的最小新風(fēng)量為80 000 m3/h,每臺除濕熱泵的新風(fēng)量為5 400 m3/h,新風(fēng)比為13.5%,根據(jù)線性插值法得出除濕熱泵入口空氣參數(shù)為干球溫度30 ℃、含濕量19.4 g/kg、比焓79.9 kJ/kg;計算得出除濕盤管出口干球溫度為20.6 ℃,含濕量為15.5 g/kg,比焓為60.3 kJ/kg。根據(jù)比焓差計算得出單臺除濕熱泵在夏季工況的除濕制冷量為261 kW,這些熱量與壓縮機(jī)散熱量之和部分由除濕熱泵送風(fēng)再熱回收,部分由泳池冷凝器回收,多余熱量由設(shè)置于室外綠化帶的冷卻塔的冷卻水帶走。

筆者查閱了多個廠商的樣本資料,在該風(fēng)量及除濕量規(guī)格下除濕熱泵的制冷量略有區(qū)別,但與筆者計算值差距均不大,除濕熱泵在該工況下的額定功率(包含壓縮機(jī)、送風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī))均在95 kW上下。

2) 冬季工況。

冬季空調(diào)室外計算干球溫度為-24.3 ℃,相對濕度為66%,含濕量為0.3 g/kg,為防止室外低溫新風(fēng)與室內(nèi)濕度較大的空氣直接混合出現(xiàn)凍結(jié)風(fēng)險,設(shè)置預(yù)熱盤管(熱負(fù)荷為55 kW)將室外新風(fēng)預(yù)熱至干球溫度5 ℃、含濕量0.3 g/kg;冬季水上樂園大空間的室內(nèi)設(shè)計參數(shù)為干球溫度30 ℃、相對濕度70%,該參數(shù)下的含濕量為19.7 g/kg。室內(nèi)人員最小新風(fēng)量為80 000 m3/h,每臺除濕熱泵的新風(fēng)量為5 400 m3/h,新風(fēng)比為13.5%,根據(jù)線性插值法得出除濕熱泵混合后入口空氣參數(shù)為干球溫度26.6 ℃、含濕量17.1 g/kg、比焓70.5 kJ/kg;計算得出除濕盤管出口干球溫度為20.6 ℃,含濕量為15.5 g/kg,比焓為60.3 kJ/kg。根據(jù)比焓差計算得出單臺除濕熱泵在冬季工況的除濕制冷量為136 kW,這些熱量與壓縮機(jī)散熱量之和的一部分由除濕熱泵送風(fēng)再熱回收,再熱后的空氣參數(shù)為干球溫度32.6 ℃、含濕量15.5 g/kg,因冬季設(shè)定的送風(fēng)溫度為42.5 ℃,故這些空氣仍需經(jīng)過除濕熱泵的熱水補(bǔ)熱盤管(熱負(fù)荷為135 kW)加熱。

除濕熱泵在冬季工況下的額定功率(包含壓縮機(jī)、送風(fēng)機(jī)、回風(fēng)機(jī))為75 kW,因多臺壓縮機(jī)出力不滿時通過控制開啟臺數(shù)來節(jié)約能源,故略有下降。冬季除濕熱泵的預(yù)熱盤管及補(bǔ)熱盤管的總熱負(fù)荷為2 850 kW,較全新風(fēng)除濕方案更低,該單體換熱站內(nèi)板式換熱器的換熱量調(diào)整為4 500 kW。

3.4 除濕經(jīng)濟(jì)性對比

1) 初投資分析。

除濕熱泵方案初投資見表2,全新風(fēng)除濕方案初投資見表3。表中僅統(tǒng)計了與除濕系統(tǒng)相關(guān)的空調(diào)箱、新風(fēng)機(jī)、排風(fēng)機(jī),除濕熱泵及與其配套的冷卻塔、冷卻水泵、鍋爐、板式換熱機(jī)組等主要相關(guān)設(shè)備。

表3 全新風(fēng)除濕方案初投資概算

由表2、3可知:除濕熱泵方案初投資為1 415萬元;全新風(fēng)除濕方案初投資為354萬元,考慮到該方案冬季供熱量更高,園區(qū)鍋爐房裝機(jī)容量的造價差異經(jīng)估算約為70萬元,故該方案初投資為424萬元。全新風(fēng)除濕方案的初投資僅為除濕熱泵方案的30%。

2) 運(yùn)行費(fèi)用分析。

根據(jù)項目所在城市用電電價(1～10 kV,0.870 2 元/(kW·h))及天然氣價格(3.7元/m3),全新風(fēng)除濕與除濕熱泵除濕的運(yùn)行能耗及費(fèi)用見表4。表中僅對比了除濕系統(tǒng)相關(guān)的設(shè)備運(yùn)行費(fèi)用,其中除濕系統(tǒng)冬季運(yùn)行時的熱源費(fèi)用(熱源由園區(qū)自建鍋爐房提供)以其消耗的天然氣計算(按每700 kW消耗75 m3/h天然氣計算)。

表4 全新風(fēng)除濕與除濕熱泵除濕運(yùn)行能耗及費(fèi)用對比分析

由表4可知:夏季工況下全新風(fēng)除濕的運(yùn)行費(fèi)用僅為除濕熱泵除濕的25%,相差約28.85萬元;冬季工況下全新風(fēng)除濕與除濕熱泵除濕的運(yùn)行費(fèi)用差距較小,僅為0.03萬元,全新風(fēng)除濕的運(yùn)行費(fèi)用仍然更低。

3) 除濕方案對比結(jié)論。

通過以上對比可以看出:在夏季工況下,全新風(fēng)除濕的初投資和運(yùn)行費(fèi)用均優(yōu)于除濕熱泵除濕;而在冬季工況下,因除濕熱泵通過除濕后的再熱過程幾乎完全回收了壓縮機(jī)制冷時所搬運(yùn)的熱量及其自身散熱量,從而降低了冬季供熱時所需要的熱量,但因除濕熱泵工作時仍需要消耗較多的電能,故冬季運(yùn)行成本仍然高于全新風(fēng)除濕。

筆者在烏魯木齊、呼和浩特等地設(shè)計的類似項目也得到了相近的計算結(jié)果?？梢?在嚴(yán)寒地區(qū),全新風(fēng)除濕是一個較好的選擇。

4 模擬分析結(jié)果

為了加強(qiáng)對理論設(shè)計的支撐,借助計算機(jī)進(jìn)行模擬分析。建模軟件:Gambit,計算軟件:Fluent,模擬結(jié)果如下:

1) 如圖2所示,人行區(qū)域1.5 m高的位置平均溫度為30.7 ℃;最低局部溫度為24.4 ℃,主要出現(xiàn)在外圍玻璃幕墻處;局部溫度達(dá)到36 ℃,不舒適,主要出現(xiàn)在風(fēng)亭設(shè)置較為密集的區(qū)域,運(yùn)行時可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)低這些風(fēng)亭的出風(fēng)溫度。

圖2 冬季水平溫度分布

2) 如圖3所示,大空間內(nèi)形成了豎向溫度分層,頂部與底部豎向溫差為3.3 ℃,溫度梯度為0.07 ℃/m?？紤]到一些較高的滑道頂部出發(fā)位置(游客不會長時間停留)溫度約為33～34 ℃,不是非常舒適的溫度,可在運(yùn)行時根據(jù)實(shí)際情況調(diào)低高位側(cè)送風(fēng)的溫度。

圖3 冬季豎向溫度分布

3) 如圖4所示,采光頂表面平均溫度為25.4 ℃,溫度范圍為18.0～30.0 ℃,最低溫度區(qū)域有結(jié)露風(fēng)險。這些低溫區(qū)域主要出現(xiàn)在四周的環(huán)形采光頂上,可在其斜向下的金屬外墻處設(shè)置導(dǎo)流槽,其位置遠(yuǎn)離核心游樂區(qū)域,對游客影響較小。

圖4 采光穹頂區(qū)域表面溫度分布

4) 如圖5所示,玻璃幕墻平均溫度為21.4 ℃,溫度范圍為15.0～29.0 ℃,最低溫度區(qū)域有結(jié)露風(fēng)險。這些低溫區(qū)域主要出現(xiàn)在四周貼幕墻布置的立式風(fēng)機(jī)盤管送風(fēng)口以下的區(qū)域,可在其下方設(shè)置導(dǎo)流槽,其位置遠(yuǎn)離核心游樂區(qū)域,對游客影響較小。

圖5 玻璃幕墻區(qū)域表面溫度分布

5) 圖2～5為對溫度較為敏感的冬季室內(nèi)模擬結(jié)果,對于室內(nèi)溫度不作嚴(yán)格控制的夏季,模擬結(jié)果如圖6所示,人行區(qū)域1.5 m高的位置平均溫度為32.3 ℃,在夏季水上樂園游玩中是可以接受的室內(nèi)溫度;局部溫度達(dá)到34.0 ℃,主要出現(xiàn)在一些集中了較大發(fā)熱功率設(shè)備的區(qū)域,這些區(qū)域?qū)τ慰陀绊戄^小。室內(nèi)水上樂園大空間內(nèi)夏季設(shè)計室內(nèi)外溫差為3.4 ℃,全新風(fēng)帶來的顯熱供冷能力為573 kW,室內(nèi)冷負(fù)荷為1 078 kW(顯熱),在室內(nèi)溫度達(dá)到模擬溫度32.3 ℃后,全新風(fēng)約能提供960 kW顯熱供冷能力,與筆者計算的當(dāng)室內(nèi)溫度為32.0 ℃時,室內(nèi)冷負(fù)荷為980 kW(顯熱)較為接近。該項目在設(shè)計中增加了排煙天窗及低位自然補(bǔ)風(fēng)窗的非火災(zāi)報警期間電動開啟功能,可在夏季必要時增大室內(nèi)通風(fēng)效果,進(jìn)一步降低室內(nèi)溫濕度。

圖6 夏季水平溫度分布

5 結(jié)束語

通過該項目分析,嚴(yán)寒地區(qū)室內(nèi)水上樂園采用全新風(fēng)除濕的方案在工程上是一個較好的選擇。從初投資看,其僅為除濕熱泵方案的30%;在運(yùn)行費(fèi)用上,其在夏季工況具有明顯的優(yōu)勢,而在冬季工況其在除濕熱泵將自己的節(jié)能特性發(fā)揮到極致時,仍然具有微弱優(yōu)勢。通過對空調(diào)系統(tǒng)末端氣流組織進(jìn)行針對性調(diào)整,能夠有效地控制結(jié)露風(fēng)險。