監利市民之家空調冷熱源方案的優化

張昊

湖北省工業建筑集團有限公司設計咨詢分公司

1 前言

據統計，建筑物能耗約占公共機構能耗總量的70%。以辦公建筑為例，中央空調系統約占建筑能耗的60%，照明、辦公設備、電梯等約占40%［1］。在中央空調系統能耗中，冷熱源約占50%～60%[2]。

高級民用建筑中央空調系統的投資約占建筑總投資的10%以上，其中冷熱源約占中央空調系統總投資的50%～70%[3]。

由此可見，中央空調系統冷熱源能耗高、投資大，選擇合理的方案對于減少建筑能耗、降低工程造價起著至關重要的作用。

本文通過對監利市民之家空調冷熱源方案的優化，以期為解決類似問題提供參考。

2 工程概況

監利市民之家位于監利縣經濟開發區監利大道與工業園路相交東北角處，規劃總用地面積117 198.94m2，建設用地面積95 616.35m2，建 筑 占地面積9 910.89m2，容積率0.42，總建筑面積59 500.5m2，建筑高度31.6m，其中地下一層，主要為汽車庫、設備用房和餐廳，建筑面積19 795.1m2；地上5層，主要為市民服務中心、電商中心、招商中心及配套設施，建筑面積39 705.4m2，鳥瞰圖見圖1。

監利是國家商品糧和農副產品基地，境內河網密布，因“監收魚鹽之利”而得名。該項目以“雙魚抱水”的建筑設計理念，寓意“滴水之恩，涌泉相報”，充分體現了政府和百姓“魚水情深”的美好愿景，營造出一個具有地方特色、公共開放的城市空間。

圖1 監利市民之家鳥瞰圖

3 空調負荷

本工程空調建筑面積28 500m2，經鴻業暖通空調負荷計算軟件計算，夏季最大冷負荷為4 304kW，空調建筑面積冷指標為151W/m2；冬季最大熱負荷為2 708kW，空調建筑面積熱指標為95W/m2。

3.1 空調冷熱源方案的比選及優化

3.1.1 內外部條件

項目所在地電力、燃氣、自來水供應充足，未執行分時電價政策，無市政冷熱源和余熱可利用，不具備污水或再生水熱泵條件，地下水也不豐富。

該建筑外形不規則，大空間場所較多，空調系統無明顯內外區和計量收費需求，使用時間相對集中。

3.1.2 冷熱源方案比選

作為政府辦公建筑，建設單位對空調冷熱源要求技術成熟、穩定可靠，并在初投資和壽命期內的運維費用等經濟性方面給予重點關注。

根據上述條件，適宜本工程的空調冷熱源方案主要有電制冷加燃氣鍋爐、直燃機、風冷熱泵、熱源塔熱泵和地源熱泵幾種，定性分析見表1。

參考類似氣象條件的武漢地區，辦公建筑空調冷熱源采用電制冷加燃氣鍋爐類型的占比最高。通過對上述方案詳細的技術經濟比較，建設單位最終確定采用電制冷加燃氣鍋爐。

根據大樓空調使用規律及負荷特性，冷源選用2臺離心式冷水機組，單臺名義制冷量2 286kW，蒸發器進出口溫度7/12℃，冷凝器進出口溫度30℃/35℃；熱源選用2臺燃氣真空熱水鍋爐，單臺額定供熱量1 400kW，進出口溫度50/60℃。

3.2冷源方案優化

離心式冷水機組以大冷量、高能效的特點在大中型中央空調系統中備受青睞。特別是近年來，磁懸浮變頻離心式冷水機組利用直流變頻驅動、高效換熱器、過冷器、基于工業微機的智能抗喘振，以及磁懸浮無油運轉技術等，從根本上提高了運行效率和性能穩定性[4]。

表1 空調熱冷方案定性分析表

圖2 普通定頻離心式冷水機組COP曲線

不同負荷率和冷卻水溫度下普通定頻離心式冷水機組的COP曲線見圖2，磁懸浮變頻離心式冷水機組的COP曲線見圖3［5］。

圖3 磁懸浮變頻離心式冷水機組COP曲線

由此可見，隨著冷卻水入口溫度的降低，磁懸浮變頻離心式冷水機組比普通定頻離心式冷水機組的COP值上升得更快更多。隨著負荷率的降低，磁懸浮變頻離心式冷水機組的COP值上升至一定值后趨于水平，普通定頻離心式冷水機組的COP值持續下降。實際運行中，機組的大部分時間都處于部分負荷工況，所以磁懸浮變頻離心式冷水機組具有較好的節能效果。

本工程夏季空調按每年6～10月運行100天，每天8:00～18:00運行10小時，電價0.85元/kWh計算，方案1采用兩臺普通定頻離心式冷水機組（見表2），方案2采用兩臺磁懸浮變頻離心式冷水機組，年運行費用對比（見表3）。

相比而言，方案2的年運行費用可節省159 241元，節能率達26.5%。

在初投資方面，磁懸浮離心式冷水機組單臺壓縮機啟動電流僅2A，不需軟啟動器，可節省部分配電費用。

在維保費用方面，磁懸浮離心式冷水機組采用磁懸浮軸承，使機組沒有機械摩擦損失，沒有潤滑油循環和相應的油過濾器、油冷卻器等油路設備，系統簡單，可靠性高，維護方便，使用壽命長達30年之久。方案1和方案2的總費用對比見表4。

3.3 熱源方案優化

真空熱水鍋爐負壓運行，安全可靠，不需年檢；經脫氧和除垢的高純熱媒水在封閉狀態下進行換熱，避免了氧腐蝕、結垢等問題；內置多組換熱器，能同時滿足空調、供暖和生活熱水系統不同溫度和承壓要求，一機多用，熱效率高。運行管理和維護保養費用低，使用壽命在20年以上，因此在民用建筑空調系統中得到了廣泛應用。

表2 方案1年運行費用

表3 方案2年運行費用

表4 方案1和方案2的總費用比較

天然氣含氫量高，燃燒后產生大量水蒸氣。常規鍋爐排煙溫度一般在130℃以上，高溫煙氣帶走大量顯熱，熱損失較大，另一方面煙氣中的水蒸氣處于過熱狀態，不能釋放出汽化潛熱，隨煙氣排放而浪費。而鍋爐熱效率是以燃料低位發熱量計算，天然氣低位發熱量為8 600kcal/Nm3，未包含煙氣中水蒸氣的冷凝熱860kcal/Nm3。冷凝式真空熱水鍋爐通過煙氣換熱系統，利用低溫水或空氣冷卻煙氣，降低排煙溫度和過量空氣系數，實現煙氣顯熱和水蒸氣汽化潛熱釋放，加熱低溫水或空氣，回收熱能，熱效率可達103%，較常規真空熱水鍋爐熱效率94%提高約10%。同時由于冷凝水可吸收煙氣中部分CO2和NOx，有利于改善空氣質量和減輕溫室效應。

本工程冬季空調按每年11月～次年2月運行90天，每天8:00～18:00運行10小時，電價0.85元/kWh，天然氣價3.55元/Nm3計算，方案3采用兩臺常規真空熱水鍋爐，年運行費用見表5,。方案4采用兩臺冷凝式真空熱水鍋爐，年運行費用見表6,。方案3和方案4總費用對比見表7：

相比而言，方案4年運行費用可節省53 165元，節能率達9%。方案3和方案4的總費用對比見表7。

表5 方案3的年運行費用

表6 方案4的年運行費用

表7 方案3和方案4的總費用對比

綜上所述，方案2和方案4雖然初投資較高，但運行費用和維護費用較低，在使用壽命期內經濟效益可觀，適宜作為本工程的冷熱源。

4 結語

（1）磁懸浮變頻離心式冷水機組在空調負荷波動較大、低負荷運行時間較長的場合更能發揮能效比高的優勢，除臺數控制外結合冷凍水泵和冷卻塔風扇變頻調速控制，可進一步提高中央空調系統的經濟性。

（2）冷凝式真空熱水鍋爐在燃料為天然氣時，煙氣露點溫度在55℃左右，在空調、供暖系統設計回水溫度不高于50℃時使用更節能。

（3）電制冷加燃氣鍋爐作為傳統的空調冷熱源已應用多年，磁懸浮變頻離心式冷水機組和冷凝式真空熱水鍋爐的大力推廣無疑具有顯著的社會效益和經濟效益。