城市科技廣場的暖通空調系統設計

宮克勤

（上海環境工程設計研究院有限公司,上海 200072）

1 工程概況

這個城市科技廣場的位置,是在大廠回族自治縣的潮白河工業區內,隸屬于河北廊坊市管轄。本工程案例的總建筑面積約為10800m2; 其中設計地面以上的部分約7800m2,設計地面以下面積約3000m2。地上2 層,地下1 層,總高度為22m。地上功能為室內泳池、籃球場、羽毛球場館、乒乓球館、休息室等。地下功能主要為設備用房。

2 空調系統設計參數

2.1 室外計算參數

夏季：空氣調節的室外計算干球溫度為34.4℃,濕球溫度為26.6℃,通風的室外計算溫度為30.1℃[1]。冬季：空氣調節的室外計算干球溫度為-11℃,戶外計算相對濕度為54%,通風的室外計算溫度為-4.4℃,采暖的室外計算溫度為-8.3℃[1]。

2.2 室內計算溫度

表1

3 空調冷熱源

3.1 冷源

冷源是利用兩臺風冷熱泵機組提供,每臺的制冷量為475 千瓦。兩臺冷凍水泵,外加一臺同規格的作為備用。為了使冷凍水的水質維持在一定的范圍內,在冷凍水泵進出口設置了一套全自動加藥裝置。

3.2 熱源

熱源由市政熱力提供,熱水溫度是95/50℃,用戶側則是通過兩臺換熱機組,制備75/50℃的熱水,供采暖和空調系統使用,換熱機組設于設備用房內。從換熱站出口分兩個環路,一路供散熱器采暖,另一路再經板式換熱器后,供地面輻射供暖以及新風空調箱預熱新風使用,供回水溫度為45/35℃。

a.換熱站：采暖熱負荷520kw,共設兩臺板式換熱器,單臺換熱量為340kw（每臺負擔計算熱負荷的65%）[1]。b.地暖新風系統：采暖熱負荷250kw,共設兩臺板式換熱器,單臺換熱量為165kw（每臺負擔計算熱負荷的65%）。

以上三路水系統均在循環泵入口前設置一臺工作壓力為0.8MPa 的隔膜式氣壓罐,滿足定壓補水要求,并且共用一套軟化水處理設備。

4 空調系統設計

空調系統設置原則：設計以豎向分層、橫向按防火分區及滿足各業態獨立使用。

泳池、籃球場、羽毛球場館和大廳等區域,采用全空氣定風量系統,一次回風。其余小房間,采用風機盤管加新風空調系統,新風機設置于空間頂部。

4.1 空調風系統

空氣調節的氣流方式,全部采用上部送上部回的方式,泳池區域用孔口送風和射流噴口組合設計,延圍護結構布置,有效防止冬季幕墻結露,回風口設于池面正上方,有利排出室內氯氣；籃球場地同時設排風系統利用百葉頂部排風。

4.2 空調水系統

空調的冷凍水系統,運用的是一次泵系統,水泵裝有變頻器。空調水管系統,采用兩管制,干管異程式布置。

4.3 供暖系統

4.3.1 散熱器供暖系統。采暖散熱器水系統的供水方式,采用的是雙管系統,非同程式布置,下供下回。

4.3.2 地板輻射供暖系統。一層大廳和泳池的池岸區域設置地板輻射供暖系統,熱源為經過二次換熱45/35℃熱水[2]。

5 項目特點

本案例的泳池,很好的結合空調、除濕和加熱的需求,采用兩臺泳池恒溫除濕熱泵機組。

5.1 機組的工作原理

就是潮濕熱空氣在恒溫除濕熱泵機組中冷卻除濕時,釋放出大量的冷凝熱,被機組回收利用,并將這部分熱量傳遞給池水和空氣。

圖1

首先,泳池室內的大量潮濕熱空氣,在開啟泳池恒溫除濕熱泵機組的回風機之后,由于風機抽吸的作用,而被源源不斷的吸入回風管。一部分濕熱空氣用來與室外新風進行全熱交換后排出室外,其余的濕熱空氣則流向蒸發器,在冷卻除濕的同時,將該過程中產生的冷凝熱回收,并傳遞給初始狀態下的液態冷媒中。在能量傳遞交換的過程中,當空氣溫度降低到空氣的露點以下時,空氣中的水蒸氣會在蒸發器盤管上凝結成水霧,隨著能量交換過程的繼續進行而變成冷凝水,在重力作用下,最終流入機組內部的滴水盤,并通過設置的排水管排出,這便將潮濕的熱空氣變成干燥涼爽的空氣。液態制冷劑（冷媒）,在流經蒸發器的時候,由于熱傳導的作用,吸收機組回收的冷凝熱,吸熱氣化,將液態的冷媒,轉化為低溫低壓的氣態狀態。隨后,在高品位電能的驅動下,壓縮機將低溫氣態冷媒壓縮之后,排出高溫氣態冷媒[3]。高溫氣態冷媒,之后再流經機組的冷凝器,或者是池水加熱的輔助冷凝器,亦或者是室外機組的冷凝器,向外釋放其回收的熱量,冷媒狀態接著由氣態再變成液態,周而復始的進行這種物理相變過程,從而對室內的空氣,或者是池水進行加熱處理[4]。

圖2

當室內空氣需要加熱的時候,開啟機組內部的冷凝器,利用冷凝器釋放的熱量,對室內的空氣進行加熱。如果室內的空氣溫度,符合要求時,機組回收的冷凝熱,就可以用于池水的加熱,而室內需要冷卻處理的空氣,則可以通過機組送出的干燥涼爽冷空氣來完成。如果池水的溫度和室內空氣的溫度,同時滿足我們的要求時,此時機組回收的冷凝熱,將被室外的冷凝器排放到自然界中。如果室內空氣的溫度,比我們要求的上限還要高時,潮濕熱空氣在通過蒸發器冷卻除濕后,被直接送回到室內,無需再流經機組冷凝器,而主機的風冷冷凝器,也將會停止工作。綜上所述,該泳池恒溫除濕熱泵機組,將同時具有除濕、新風處理、空氣冷卻、空氣加熱、池水輔助加熱等功能。

5.2 各系統流程

圖3

氣流循環流程: 室內回風→恒溫除濕熱泵機組→排風(污濁濕空氣經全熱交換器后排到室外) →新風、回風混合→制冷除濕→加熱-→室內送風[4]

排風系統:室內潮濕熱空氣(回風支管)→全熱交換器→恒溫除濕熱泵機組→排至室外。

新風系統: 室外新鮮空氣→全熱交換器→恒溫除濕熱泵機組→室內送風[4]。

5.3 池水恒溫系統

游泳池池水的日常溫度恒定要求,是利用泳池恒溫除濕熱泵機組回收潮濕熱空氣的冷凝熱,再傳遞給池水來維持溫度,當無法滿足時,應當采用市政熱源,或是鍋爐輔助加熱,也可以用空氣源熱泵進行相應的補充。

池水恒溫控制采用全自動運行模式,池水初始加熱由市政熱力管網提供的熱源完成,或者是鍋爐提供的熱源,亦可是空氣源熱泵加熱完成。

5.4 冷熱水盤管

在冬季,由于室內的初始溫度通常比較低,這時就需要給室內空氣進行加熱,如果選擇泳池恒溫除濕熱泵機組,勢必會需要很長的時間,能耗肯定非常大,為了充分節約能源,很好的一個辦法就是,利用已具備的熱源,接入機組內的熱水盤管,來加熱室內的冷空氣,升溫迅速,連風管系統內的電加熱器都可以不必安裝了。在夏季,則可以將7/12℃的空調冷凍水,接入泳池恒溫除濕熱泵機組的冷水盤管,進而控制室內空氣的溫度和濕度。

5.5 恒溫計算

池水加熱所需的熱量應包含以下四個部分[5]（①+②+③+④）

①池水表面蒸發損失的熱量Q1

其中：ρ- 水的密度(kg/L),取1；Y- 與池水溫度相同的飽和蒸汽的蒸發汽化潛熱(kJ/kg)[5]；U- 池水表面上的風速(m/s),室內泳池取0.2～0.5m/s[5]；Pb- 與池水溫度相同時的飽和空氣的水蒸氣分壓力(Pa)[5]；Pq- 與泳池的環境空氣溫度相同的水蒸氣分壓力(Pa)[5]；A- 泳池的水表面面積(m2)；B-

標準大氣壓力(Pa)；B′- 當地的大氣壓力(Pa)。

經查閱焓濕圖,得以下兩個水蒸氣分壓力；

27℃時飽和空氣的水蒸氣分壓力為3567.3Pa；28℃時飽和空氣的水蒸氣分壓力為3782.2Pa。即可得出28℃,相對濕度65%時的水蒸氣分壓力為2458.4Pa。

②池壁和池底傳導損失的熱量

③管道和凈化水設備損失的熱量

（②+③）應按泳池表面蒸發損失熱量的20%計算確定[5]

④補充新鮮水加熱所需要的熱量Q2

其中：t- 加熱時間,取24；c- 水的比熱容[kJ/(kg*℃)]；V- 泳池新鮮水的補充量（L/d）；Td- 池水的設計溫度(℃)；Tf- 泳池補充新鮮水的溫度(℃)。

綜上,本案例維持恒溫的加熱量Q=1.2Q1+Q2=320kW

5.6 除濕計算

室內空氣的除濕量應包含以下四個部分（①+②+③+④）

①室內人體散濕量W1

W1=0.001*N*n*g

其中：g- 一名成年男子的小時散濕量[6],取120g/（h*人）；N- 室內人總數,按人均5m2統計；n- 群體系數,取0.92；W1=0.001*(1050/5)*0.92*120=23.2kg/h。

②池邊散濕量W2

W2=0.0171*（Tg-Td）*F*n

其中：Td- 室內空調計算干球溫度(℃),取28.0；Td- 室內空調計算濕球溫度(℃),取22.9；F- 池邊面積(m2)；n- 潤濕系數,取0.2～0.4；W2=0.0171* (28.0-22.9)*(1950-1050)*0.2=15.7kg/h。

③敞開水面的散濕量W3

W3=F*g。

其中：F- 計算時刻的蒸發表面積,m2；g- 水面的單位蒸發量[5],取值參考表2。

表2

室內溫度28℃,相對濕度65%；水溫20℃,水面蒸發量是-0.08kg/(h*m2)；水溫30℃,水面蒸發量是0.28kg/(h*m2)。

根據內插法,水溫27℃的水面蒸發量取0.172kg/(h*m2)

再結合當地的大氣壓修正系數,最終取水面蒸發量為0.172*101325/100440=0.174kg/(h*m2)

W3=1050*0.174=182.7kg/h

④新風含濕量W4

W4=0.001*G*（d-d′）*ρ

其中：G- 新風量（m3/h）；d- 新風含濕量（g/kg）,取19.0；d′- 室內空氣含濕量（g/kg）,取15.6；ρ- 空氣密度（kg/m3）,取1.15。

室內人員所需新風量：20*1050/5=4200m3/h

再根據美國ASHRAE62.1-2007 標準,游泳館新風量不低于8.64m3/h*m2（池水面積）

1050*8.64=9387m3/h,所以新風量取9400m3/h

W4=0.001*9400*(19.0-15.6)*1.15=36.8kg/h

綜 上 , 本 案 例 室 內 空 氣 的 除 濕 量W=W1+W2+W3+W4=258.4kg/h

如上所述,本工程案例采用兩臺除濕量135kg/h 的恒溫除濕熱泵機組,送風量是60000CMH,新風量占比10%～20%,機組可回收冷凝熱約為129kW,與傳統的通風除濕模式相比,綜合能效比達到7.0 以上,平均節約運行費用可達40%左右,由于篇幅限制,不再贅述。

6 結論

對于室內泳池的項目,筆者提出以下建議,以供同行或其他有需要的朋友參考。首先,必須考慮氣流的形式,保證室內空氣的整體溫度與濕度的均勻性,有效避免可能出現的結露現象,因此風管系統的設計是否合理就顯得非常重要。送回風管道的設計和風口的點位布置需要均勻,不能出現氣流死角,送風和回風之間,必須杜絕短路現象的產生。按照以往經驗來看,送風口與回風口的位置,互成斜對角安裝,不失為一個值得考慮的方法,不僅可以保證氣流穩定,相應的設備也處在最有效的狀態；其次,在風管道安裝時,必須在主風管上安裝風量調節閥（包含新風、回風和送風的主干管）,以便日后可根據室內人員數量和季節氣候變化,合理選擇新風比；第三,在主機設備出口的各風管主干管上應安裝靜壓箱,以此降低噪音；第四,風管的質料建議選用酚醛復合材料或者玻璃材料,因為這些材料的防腐性能比較好,而盡量不要采用防腐性能比較差的鍍鋅鋼板,尤其是泳池的水蒸氣里含有氯離子成分,如已選用鍍鋅鋼板作為風管主材的工程,后期一定要在風管內壁進行防腐處理,例如進行環氧樹脂的噴涂,從而延長使用壽命；第五,泳池恒溫除濕熱泵機組內的蒸發器和冷能器,為有效避免腐蝕,整體需要陰極電泳處理；第六,為充分保證池水換熱器的使用壽命,可以選擇PVC 材料的外殼,能有效防止含氯離子池水的腐蝕,換熱器本體也可選用體積小,效率高的雙流程鈦盤管；第七,泳池恒溫除濕熱泵機組的箱體,應采用雙層鋼板,采用熱鍍鋅處理工藝,兩層鋼板間填充30mm厚的聚氨酯材料,需整體發泡,作用是防火保溫且隔音,箱體的表面處理需考慮防腐要求,在工藝選擇上可以采用環氧樹脂噴涂；第八,過濾器應選用板式初效G4 過濾器和板式靜電中效F7 過濾器,以保證室內空氣質量。