某體育館風冷熱泵機組多種運行工況設計(建筑)

                            姜紅 李京沙 姜海元

                           中國建筑設計院有限公司

摘要：本工程采用全熱回收型風冷熱泵及普通型風冷熱泵作為夏季集中冷源，全年泳池池水加熱熱源，過渡季游泳館通風、供暖系統熱源；采用市政熱網作為冬季空調、供暖系統熱源，同時兼極端天氣及泳池一次加熱補充熱源。該系統全年共涉及7種運行工況，文章介紹了各種工況轉換過程。另外本文分析了熱泵機組用于泳池加熱和補熱的經濟性與合理性：以熱泵技術為基礎的一般熱泵機組可以考慮用于游泳池池水加熱和補熱使用。對于寒冷地區，選擇性能良好的機組再配出水溫度低，冬季大部分時間制熱率較高，對于本工程極端天氣，考慮由市政熱力作為輔助熱源，不增設電輔熱。

關鍵詞：全熱回收型風冷熱泵泳池池水加熱工況轉換極端天氣

1  工程概況

    工程位于河北省廊坊市燕郊經濟技術開發區，總建筑面積18000 m²，主要功能為籃球比賽大廳（帶觀眾廳）、游泳館、網球館、乒乓球室、健身房等。地上二層，局部地下一層，建筑高度20.3 m，建筑效果圖見圖1。

2  設計原則

    1)本工程僅籃球比賽大廳設置集中空調系統，且賽時開啟，不連續使用。冬季集中空調系統根據運營情況，可能不投入使用，此時室溫需滿足人員活動需求。

    2)冬季城市熱網開口容量僅滿足體育館供暖及空調使用，不負擔生活熱水用熱及泳池池水加熱。泳池加熱量較大，由暖通專業提供。

    3)游泳館全年連續運行，無設計鍋爐房條件。

3  集中空調冷熱源

3.1集中冷熱源負荷分布

集中冷熱源負荷分布見表1。

3.2集中冷熱源設計

    1)螺桿式風冷熱泵機組作為集中冷源，泳池池水加熱熱源，過渡季節游泳館通風、供暖熱源。根據空調集中冷負荷，設置兩臺螺桿式風冷熱泵冷熱水機組，單臺制冷量為590 kW，其中一臺設置全熱回收裝置。夏季運行工況：熱泵機組供冷，同時全熱回收冷機利用空調的冷凝熱供給泳池加熱?？照{系統不運行時，熱泵機組轉換至制熱工況，為游泳池加熱服務。

    過渡季節運行工況：兩臺風冷熱泵機組全部轉換為制熱工況，為游泳館提供通風、采暖熱負荷及泳池池水加熱所需的熱量。

    冬季運行工況：在室外-10℃時，要求熱泵機組提供的制熱量>720 kW。若出現冬季室外氣溫超低或泳池池水一次加熱極限工況時，這種工況游泳館通風系統停止工作，采暖熱交換機組切換部分熱負荷為池水加熱服務。

    運行參數：風冷熱泵機組夏季提供7/12℃的空調一次冷水（乙二醇），通過設在空調熱交換間里的板式熱交換器，為籃球館提供8/13℃的二次空調冷水，全熱回收機組夏季提供45/40℃的熱水作為泳池池水加熱熱源。風冷熱泵機組轉換至制熱工況時，提供45℃/40℃的一次熱水（乙二醇），通過板式熱交換器，為游泳館提供44/39℃ 的二次熱水。

  2)市政熱網作為冬季空調、供暖系統熱源。市政熱網提供85/60℃的一次熱水，通過空調板式熱交換器交換出60/45℃的二次熱水供空調系統服務。通過供暖板式熱交換器交換出75/50℃的二次供暖熱水供供暖系統服務。鑒于冬季空調系統可能不開啟，將泳池通風系統與供暖系統共用熱交換器。

    3)集中冷熱源系統原理圖見圖2。根據用戶需求，共分為7種設計工況。具體工況如下，不同工況轉換開關狀態詳見表2。

  夏季工況：

  ①夏季工況1：L-1～2機組為體育館空調供冷，同時L-1熱回收熱泵機組為泳池池水連續加熱(350 kW)提供一次熱水；

  ②夏季工況2：泳池池水一次加熱( 900 kW)時，L-1～2機組全部切換至制熱工況，滿足池水一次加熱需求；此時運行管理人員應盡量避開體育館空調運行時間。以免影響籃球館賽事使用。

    ③夏季工況3：體育館空調不運行時，僅游泳館泳池池水有連續加熱(350 kW)需求，這種工況L．1～2機組運行其中的1臺，切換至制熱工況工作。

  過渡季工況：

①過渡季工況1：L-1～2機組切換至供熱工況，為游泳館空調供熱(400 kW)，為泳池池水連續加熱提供一次熱水(350 kW)。

②過渡季工況2：泳池池水一次加熱(900 kW)時，1-1～2機組全部切換到制熱工況，滿足池水一次加熱需求，泳池空調供熱暫停。

冬季工況：

①冬季工況1：運行RJH-2機組，為功能房間提供供暖熱水( 75/50℃)，同時負擔游泳館冬季通風系統加熱。根據運營情況運行RJH-1機組，為體育館提供空調熱水( 65/50℃)。鑒于市政熱力開口容量限制，同時運行L-1～2機組其中一臺，為游泳池提供350 kW連續加熱熱量。

②冬季工況2：若出現冬季室外氣溫超低或泳池池水一次加熱(900 kW)極限工況時，游泳館通風系統停止工作，RJH-2機組切換部分熱負荷為池水加熱服務。

4  風冷熱泵機組選型

本工程按照夏季工況1選型，校核冬季工況1，非經常工況（冬季工況2）考慮由市政熱力作為輔助熱源，不增設電輔熱。

4.1機組運行性能分析

對于制冷壓縮機性，制冷量隨冷凝溫度的升高而減少，隨蒸發溫度的降低而減少；冷凝器排熱量隨冷凝溫度的升高而減少，隨蒸發溫度的降低而減少；輸入功率隨冷凝溫度的升高而增加，隨蒸發溫度的降低而減少。

 本工程采用風冷熱泵機組，室外參數與夏季冷凝溫度，冬季蒸發溫度變化基本一致。即：制冷量隨室外參數（冷凝溫度）的升高而減少，耗電量隨室外參數（冷凝溫度）的升高而增加，COP隨室外參數的升高而降低；制熱量隨室外參數（蒸發溫度）的降低而減少，耗電量隨室外參數（蒸發溫度）的降低而減少，且耗電量變化大，故COP隨室外參數的降低而減少。

4.2機組選型分析

 1)機組名義工況參數。夏季名義制冷工況：冷凍水進出水溫度12/7℃，環境干球溫度35℃；冬季名義制熱工況：熱水進出水溫度40/45℃，環境干球溫度7℃，濕球溫度6℃。

 2)本工程根據夏季工況選擇熱泵機組。單臺名義制冷量為590 kW。本地夏季空調室外計算干球溫度為34.4℃，小于名義工況室外參數，溫差較小不考慮修正。

 3)冷機對應名義制熱量為620 kW。校核設計工況-10℃機組出力。由于隨著室外參數的降低，機組耗功率也在降低，所以不可按額定功率乘以COP值進行估算。經廠家核算，-10℃機組出力為360 kW，僅為名義供冷量的40%，名義供熱量的58%。若簡單估算為220x2.1=462 kW，誤差率可達22%。

5  熱泵機組合理性分析

5.1熱泵機組作為泳池加熱熱源的經濟性

以5℃冷水，加熱至40℃的熱水為例，計算每噸熱水加熱成本，詳見表3。

5.2熱泵機組用于寒冷地區的合理性

 1)本工程僅要求熱泵機組在-10 ℃以上運行，為了滿足《公共建筑節能設計標準》( CB 50189-2005)條款5.4.10中冬季運行性能系數不低于1.8的要求，低于-10℃時利用城市熱網輔助加熱。

 2)因熱泵機組僅用于泳池加熱，出水溫度要求低，一次熱源取45/40℃，相比空調系統(55/50℃)，同機型耗功率低20%，制熱量低10%。

 3)關于沖霜對供熱量的影響。水的三相圖詳見圖3，其中A點( t _A=0.01℃，p _A=611.2 Pa)為水的三相點，C點(p_c=2.19 M Pa ;t _a =-4.2℃)為水的臨界點。分別取夏熱冬冷地區(a)和寒冷地區(b)為例，對比結霜情況。圖中a點（t _a=-4.2℃，p _a=314 Pa）以合肥為例。b點( t _b=-11℃，p _b=124 Pa)以廊坊為例?？梢?/font>t₁<t₂，即a點距離結霜點更近，表明a點比b點更容易結霜?？梢姾�冷地區雖然冬季氣候低，但空氣干燥，沖霜不嚴重。且室外溫度越低，空氣中的絕對含濕量愈小，沖霜時間間隔越長。