衢州體育公園“三館”空調冷熱源系統設計分析

沈錫騫 姜海平 張紅楠 張士花 馬 爽 武衛紅 李靜軒 田鐵源

衢州體育公園“三館”空調冷熱源系統設計分析

沈錫騫 姜海平 張紅楠 張士花 馬 爽 武衛紅 李靜軒 田鐵源

（悉地國際建筑設計顧問有限公司匯力設計中心 北京 100013）

分析并介紹了衢州體育公園“三館”的空調冷熱源系統設計。在滿足體育建筑賽時正常運行和賽后經濟運行的同時，力求與建筑方案的完美配合。

冷卻塔地坑設置；全熱回收風冷熱泵；一級泵；二級泵

0 工程概況

衢州體育公園一期項目“一場三館”中的“三館”是指體育館、游泳館及綜合訓練館，是衢州市的大型城市公共設施，她將為衢州市舉辦國內外大型體育活動提供一個具有國際知名度的現代化體育設施。如圖1所示。

圖1 衢州體育館項目效果圖

該項目建筑方案的設計理念是人與自然和諧共處，主體建筑與地形融為一體，為大地景觀式覆土建筑。體育館為甲級大型體育建筑，總坐席數為1萬座，總建筑面積7.0萬平方米（其中地上3.9萬平方米），地下二層、地上四層，建筑高度41.6米；游泳館為乙級中型體育建筑，總坐席數為2034座，總建筑面積3.25萬平方米，地下一層、地上局部二層，建筑高度38.6米；綜合館由籃羽訓練館、網球訓練館、乒乓球訓練館及中間連接三個訓練館的中庭所組成。總建筑面積1.3萬平方米，地上局部二層，建筑高度23.9米。

1 空調負荷分析

“三館”的空調負荷如表1所示。

表1 三館空調負荷表

體育館賽后空調負荷按比賽大廳、觀眾看臺區及觀眾休息區等房間關閉使用的情況下的空調負荷；游泳館賽后空調負荷考慮到戲水池及訓練池對外經營的可能性較大，按比賽大廳停止使用情況下的空調負荷；體育館的賽時夏季空調再熱負荷包括觀眾區固定座椅空調及臨時座椅空調；游泳館的賽時夏季空調再熱負荷包含觀眾座椅區空調再熱負荷及比賽廳、訓練廳及戲水廳的池岸空調再熱負荷，游泳館的賽后夏季空調再熱負荷僅包括訓練廳、戲水廳的池岸空調再熱負荷。

2 空調冷熱源組成分析

衢州體育公園“三館”共用空調冷熱源系統。其系統組成為：2臺冷卻塔冷水機組+3臺風冷熱泵機組+2臺全熱回收風冷熱泵機組。“三館”的冬季空調總熱負荷全部由風冷熱泵機組承擔；游泳館冬季的池水加熱負荷全部由全熱回收風冷熱泵機組承擔，同時，全熱回收風冷熱泵機組在夏季全部回收空調冷凝熱，負擔體育館、游泳館的空調再熱負荷及夏季游泳館池水加熱負荷；“三館”的夏季空調冷負荷分別由冷卻塔冷水機組、風冷熱泵機組及全熱回收風冷熱泵機組承擔。三館空調冷熱源系統原理如圖2所示。

圖2 三館空調冷熱源系統原理圖

“三館”冷熱源機房設置在體育館東南側的地下B2層，基本處于“三館”的中心區域。為了配合大地景觀的整體效果和諧一致，風冷熱泵機組、全熱回收風冷熱泵機組及冷卻塔設置在體育館的北側綠化帶內，采用地坑設置，三館冷熱源機房及室外設備布置如圖3所示。空調水管道通過“三館”的地下車庫連接到各館及室外設備。

圖3 三館冷熱源機房及室外設備布置圖

考慮到“三館”空調水系統作用半徑相對較大、各系統管路阻力不一致，空調水系統采用二級泵系統。一級泵負擔分、集水器之間的供回水管道及機組的水阻力，定流量運行；二級泵負擔各系統外線及用戶內部的水阻力，變流量運行。

3 冷卻塔地坑設置的CFD模擬分析

冷卻塔采用地坑敷設，為減少占地面積，冷卻塔選用底進風的模塊式逆流冷卻塔，其冷卻塔模塊布置原則為：縱向為無縫對接、橫向冷卻塔兩側間距為塔寬的一半（在主導風向的進風側略大效果更好），冷卻塔布置如圖4所示，其CFD模擬結果如圖5所示（環境溫度按30℃計算）。

圖4 冷卻塔地坑設置斷面示意圖

圖5 冷卻塔地坑設置CFD模擬溫度等高圖及速度矢量圖

根據圖5的CFD模擬分析，可以得到結果見表2。

表2 冷卻塔地坑設置CFD模擬結果

根據表2的CFD模擬分析結果，冷卻塔地坑敷設考慮10%以上的安全系數可以滿足使用要求。

4 全熱回收風冷熱泵機組運行分析

全熱回收風冷熱泵機組相比風冷熱泵機組增加了一個全年提供生活熱水的熱回收換熱器，該換熱器在夏季運行方式時與風側換熱器并聯，共同作為機組的冷凝器，提供空調冷水的水側換熱器作為機組的蒸發器；而在冬季運行方式時則通過四通換向閥與提供空調熱水的水側換熱器并聯，共同作為機組的冷凝器，風側換熱器則作為機組的蒸發器。如圖6所示（左側為夏季運行模式、右側為冬季運行模式）。

圖6 全熱回收風冷熱泵機組運行方式原理圖

全熱回收風冷熱泵機組在夏季運行方式時，有3種運行模式。1是全熱回收模式：當生活熱水滿負荷時，冷媒通過三通閥自動控制全部流經回收換熱器及水側換熱器，風側換熱器及風扇不參與工作，這時的熱回收量約為空調制冷量的1.2倍。2是全制冷運行模式：當生活熱水零負荷時，冷媒通過三通閥自動控制全部流經風側換熱器及水側換熱器，此運行模式與普通風冷熱泵機組一樣。3是部分熱回收模式：當生活熱水僅為部分負荷時，智能三通閥自動控制分配進入回收換熱器及風側換熱器的冷媒流量，自動控制風側換熱器的散熱量，滿足生活熱水的部分負荷需求及空調冷水的負荷需求。由于全熱回收風冷熱泵機組在夏季3種運行模式均能全額提供空調制冷，因此，夏季空調制冷機組設備的選型計算也將全熱回收風冷熱泵機組的制冷量全部計算在內。

全熱回收風冷熱泵機組在冬季運行方式時，也同樣有3種運行模式。1是全部提供生活熱水模式：冷媒通過三通閥自動控制全部流經回收換熱器及風側換熱器，此運行模式與普通熱泵熱水機組一樣，機組全部提供生活熱水，提供的空調熱水負荷為零。2是全部提供空調熱水模式：冷媒通過三通閥自動控制全部流經水側換熱器及風側換熱器，此運行模式與普通風冷熱泵機組一樣，機組全部空調熱水，提供的生活熱水負荷為零。3是部分提供生活熱水的同時，部分提供空調熱水。本項目由于冬季的全部空調熱負荷均由風冷熱泵機組承擔，因此，冬季空調制熱設備的選型計算將不考慮全熱回收風冷熱泵機組的冬季空調制熱量，全熱回收風冷熱泵機組的冬季運行方式，僅按全部提供生活熱水的模式運行。

5 制冷（熱）機組綜合效率分析

名義工況下，制冷（熱）機組綜合效率見表3。

表3 制冷（熱）機組綜合效率表

冷卻塔冷水機組的綜合制冷性能系數是指冷卻水溫度在32℃/37℃、冷凍水溫度在7℃/12℃時，其冷機制冷量與冷機耗電量+冷卻水泵耗電量+冷卻塔耗電量的比值；風冷熱泵機組的綜合制冷性能系數是指在環境溫度35℃時，其機組的制冷量與冷機壓縮機耗電量+風冷冷凝器風機耗電量的比值；全熱回收風冷熱泵機組的綜合制冷性能系數是指在夏季熱回收模式運行時，其機組的制冷量與冷機壓縮機耗電量+風冷冷凝器風機耗電量的比值；全熱回收風冷熱泵機組的綜合熱回收性性能系數是指在夏季熱回收模式運行時，其機組的制冷量+熱回收量與冷機壓縮機耗電量的比值。

從表3可以看出，在單獨制冷工況下，冷卻塔冷水機組的制冷效率最高，風冷熱泵機組及全熱回收風冷熱泵機組的制冷效率基本一致，但全熱回收風冷熱泵機組由于在提供空調制冷的同時，又提供生活熱水，其綜合效率最高。

6 空調系統運營策略分析

（1）夏季賽時：此時空調冷負荷及池水加熱負荷（含空調再熱負荷）為最大，2臺全熱回收風冷熱泵機組全部以夏季熱回收模式運行，提供100%的額定制冷冷量，熱水供應量根據需求自動調節。2臺冷卻塔冷水機組全額運行，提供100%的額定制冷量。制冷量不足部分，由風冷熱泵機組以制冷模式根據空調供水溫度自動調節投入運行的臺數。

（2）夏季賽后：此時有空調冷負荷需求的房間為體育館、游泳館部分房間及綜合館的全部房間，空調負荷相對較少。同時，由于沒有賽事，體育館、游泳館的觀眾區空調再熱負荷為0，游泳館的池水加熱負荷及池區空調再熱負荷也會減少，熱水負荷下降到低于最大負荷的50%以下，故2臺全熱回收風冷熱泵機組僅需1臺以夏季熱回收模式運行，提供單臺機組100%的額定制冷冷量，熱水供應量根據需求自動調節。2臺冷卻塔冷水機組調節運行。

（3）過渡季賽時：此時大部分區域空調為全新風空調，空調負荷相對較少，池水加熱負荷（含泳池空調再熱負荷）相對較大，2臺全熱回收風冷熱泵機組其中1臺以夏季熱回收模式運行，提供單臺機組100%的額定制冷冷量，另1臺以冬季運行方式運行，不提供冷量，熱水供應量由2臺機組根據需求自動調節。制冷量不足部分，由冷卻塔冷水機組調節運行補充。

（4）過渡季賽后：此時空調冷負荷需求最少，池水加熱負荷（含泳池空調再熱負荷）相對較大，2臺全熱回收風冷熱泵機組其中1臺以夏季熱回收模式運行，提供單臺機組100%的額定制冷冷量，另1臺以冬季運行方式運行，不提供冷量，熱水供應量由2臺機組根據需求自動調節。制冷量不足部分，由風冷熱泵機組以制冷模式根據空調供水溫度自動調節投入運行的臺數。

（5）冬季賽時：此時空調冷負荷需求為0，空調熱負荷及池水加熱負荷最大，2臺全熱回收風冷熱泵機組全部以冬季模式運行提供熱水供應。空調熱負荷全部由風冷熱泵機組以制熱模式運行提供。

（6）冬季賽后：此時空調冷負荷需求為0，空調熱負荷及池水加熱負荷相對較小，2臺全熱回收風冷熱泵機組僅1臺以冬季模式運行提供熱水供應。空調熱負荷全部由風冷熱泵機組以制熱模式空調供水溫度自動調節投入運行的臺數。

7 自動控制分析

根據前面的負荷分析、制冷機綜合效率分析及運行策略分析，制定下面的自動控制策略，以保證在賽時滿足空調系統的正常運行，在賽后最大限度的節省空調系統的運行費用。

一級泵控制：在夏季工況下，空調冷源是分別由冷卻塔冷水機組、熱泵熱回收機組、風冷熱泵機組提供，而風冷熱泵機組冬季又承擔全部空調熱負荷，為減少三個系統在冷機臺數調節及模式轉換時而導致的壓力波動，三個系統的一級泵采用變頻控制。在分水器三個系統的供水管上分別設置壓力傳感器，每個系統的一級泵根據各自系統上的壓力傳感器信號進行變頻控制。

二級泵控制：在體育館、游泳館及綜合館的每個用戶入口供回水總管上，設置壓差傳感器。二級泵采用變頻控制，根據其壓差傳感器信號進行變頻控制。

8 結語

（1）體育建筑空調空調負荷在賽時與賽后區別很大，其空調冷熱源系統設計原則是：力求滿足賽時正常運行，賽后經濟運行。

（2）暖通空調設計，應根據項目環境條件，充分結合建筑方案特點，力求暖通與建筑的完美配合。

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Quzhou Sports Park Design and Analysis of Cold and Heat Source System of "Three Pavilions" Air Conditioner

Shen Xiqian Jiang Haiping Zhang Hongnan Zhang Shihua Ma Shuang Wu Weihong Li Jingxuan Tian Tieyuan

( XIDI international architectural design co. LTD Huili design center, Beijing, 100013 )

The design of cooling and heating source system of Quzhou sports park is analyzed and introduced. In order to meet the normal operation of the sports construction competition and the economic operation after the competition, the perfect coordination with the construction scheme is made.

Cooling tower pit setting; Full heat recovery air-cooled heat pump; Primary pump; Secondary pump

TU83

B

1671-6612（2021）01-106-05

沈錫騫（1962-），男，教授級高工，E-mail：shen.xiqian@ccdi.com.cn

2020-05-13