天津某会展中心展馆区空调冷热源系统设计

柯尊友 郑毅然 董 静

中国建筑科学研究院

天津某会展中心展馆区空调冷热源系统设计

柯尊友 郑毅然 董 静

中国建筑科学研究院

本文针对会展建筑的特点，介绍了空调冷热源系统形式的确定，着重介绍了地埋管地源热泵、二级泵、大温差及低温热水地板辐射采暖等内容。最后，简单介绍了空调冷热源系统的运行工况。

会展中心 地源热泵 大温差 二级泵

1 工程概况

本项目为特大型展览建筑（图1），一期展馆区总建筑面积44.434万m2，其中地上37.875万m2，地下6.559万m2。建筑东西方向总长960m，南北方向总长381m。设置16个甲等展厅，总布展面积20万m2。16个展厅以中央大厅为轴东西对称布置，以交通连廊为轴南北对称布置。交通连廊将南北两侧展厅及中央大厅连成一体。中央大厅高34m，绝大部分空间一层通高，东西两侧有少量两层的配套房间；展厅一层，层高24m；交通连廊两层，首层高7.7m，二层高5.5m，局部设备夹层，屋顶高24m。

图1 建筑效果图

2 冷热源形式的确定

2.1 冷热源形式

会展建筑与普通公共（办公、商业）建筑在运行时间上有相似之处，即白天空调负荷大，夜间停展后空调负荷小。同时会展建筑与普通公共建筑也有很大的不同之处，即其常年间歇运行而且使用频率偏低。研究表明[1]，我国会展场馆的利用率除北京、上海、广州几个城市能达到40%上下，其他大多数城市的会展场馆利用率都在20%左右，全国会展场馆的平均利用率不足25%。确定展览类建筑冷热源时不仅要考虑其瞬时负荷大的特点，还要考虑其全年的使用率情况。节省运行费用的冰蓄冷系统在此项目中应用投资回收期将大大增加，其它非常规冷源的应用也会存在类似问题。结合本项目有9万m2左右的室外展场以及绿色建筑二星级设计标识的要求，综合考虑技术、经济、安全、可靠、环保等因素，本项目采用地源热泵机组及10kV离心式冷机组联合供冷，采用园区一次热水及热泵机组联合供热，冷热源系统示意图见图2。

图2 冷热源系统示意图

2.2 冷热源设置

由于地质条件及经济因素，本项目只在中央大厅投影区域设一层地下室，功能为主要设备用房（包括制冷机房、换热站）及汽车库等。考虑该项目建筑面积大且东西方向总长达960m，只设计一个冷热源系统不仅管线集中，系统服务半径也偏大，因此在中央大厅东西两侧各设一个制冷机房和换热站，见图3。东侧机房负担东侧展厅及交通连廊；西侧机房负担中央大厅、西侧展厅及交通连廊。冷热负荷及冷热源配置详见表1、表2。

图3 冷热源分布图

表1 冷热负荷

表2 冷热源配置

3 地埋管地源热泵系统设计

与冷热源机房对应，室外地埋管系统分东、西区两个系统分别设计。地埋管侧夏季设计进出水温度30/35℃，冬季5/8.5℃。结合热敏感试验报告中地源热泵换热孔测试数据（夏季44.0W/m，冬季32.1W/m），地源热泵系统按表3冷热量要求设计，地埋管敷设于项目南侧室外展场及室外停车位地面下。室外换热孔数量既能满足冬季取热量需求，也能满足系统夏季排热需求。换热孔有效孔深120m，钻孔直径180mm，钻孔间距为4.5m（部分间距6m）。综合考虑场地及造价等因素[2，3]，钻孔内设置双U型地埋管换热器，U型管管径为DN32。换热孔连接时采用同程连接。

表3 地源热泵系统主要参数

4 系统整体设计

本项目空调水系统为两管制，空调冷、热水季节切换设置在制冷机房内。由于东、西两侧系统设计原则一致，仅设备容量和数量存在差别，因此本部分仅介绍西侧系统的设计情况。

4.1 空调冷热水系统

据统计，水泵输配能耗约占空调能耗15%~20%[4]，因此合理设计空调水力输配系统对空调系统节能有重要意义。本项目由于系统作用半径较大（580m）、管路水流阻力较高，为减少系统输配能耗，节省运行费用，考虑采用大温差供冷，减少冷冻水流量，从而减少冷冻水泵耗功率，但降低冷冻水供水温度会影响制冷机组的制冷性能。

根据文献[5～7]介绍的方法，对是否采用大温差供冷进行了分析计算。计算的两个主要假定条件是：1）冷水机组蒸发器在进水温度不变的情况下，出水温度每降低1℃，冷水机组的COP值降低3%，在出水温度一定的情况下，进水温度上升COP值不变[7]；2）不同供回水温差下，通过管道管径的设计，系统总阻力一致。计算结果见表4~表6，可见在上述假定条件下，仅靠降低冷水机组供水温度的方式来加大供回水温差不仅不节省运行能耗，反而增加能耗。因此考虑既降低冷水机组出水温度，又提高进水温度的方式来加大供回水温差。虽然计算结果表明采用6/13℃的大温差供冷方式较7/12℃仅节能0.86%，但考虑到加大温差后空调管道管径、系统阀门部件、冷冻水泵容量及对应的配电设备等可以减小，节省管道、设备占用的建筑空间及项目的初投资，因此本项目冷冻水设计供、回水温度为6/13℃。

表4 不同供回水温差下冷水机组能耗

表5 不同供回水温差下冷冻水泵的能耗

表6 不同供回水温差下冷水机组及冷冻水泵总能耗

通过计算分析，空调冷冻水系统采用变流量二级泵系统，按服务半径分远、近两个区分设置二级泵，计算结果见表5。由表7可知，设计工况下，二级泵系统空调冷冻水循环泵总轴功率比一级泵系统少93.7kW，节能率达11.7%。同时二级泵系统中的二级循环泵总轴功率472.8kW，占总轴功率的67%，二级循环泵为变频水泵，部分负荷时二级循环泵低频运行，节能效果更显著。

表7 空调冷冻水一、二级泵系统水泵轴功率统计

空调热水供、回水设计温度采用60/45℃的大温差系统。由于空调水系统为两管制，管道直径按冷冻水流量选取，冬季供热时热水流量减少，约为夏季流量的[(19050/15)/(36340/7)]=25%，冬季远区与近区系统阻力差小于10kPa，因此空调热水循环泵采用一级泵系统。

4.2 地板辐射采暖热水系统

人员活动频繁的高大空间中央大厅、交通连廊设置地板辐射采暖系统，综合考虑地源热泵机组的性能、热舒适性及供热量等因素，地板采暖热水由热泵机组单独供给，设计供回水温度45/35℃。据分析[8]，制冷剂为R134a的热泵机组在其他工况相同的情况下，冷凝温度55℃时的制热性能系数约为50℃时的94%。以热水供回水温度 45/35℃热泵机组制热 COP为4.8，50/45℃热泵机组COP为4.8×94%计算，地板采暖热水独立设置热泵机组与热泵机组均采用50/45℃的工况相比，机组节省能耗[1759/(4.8×0.94)-1759/4.8]× 3=336kW，节能效果明显。

由于地板辐射采暖负荷总量不大，适当放大干管管径可以将系统的总阻力及各分支间阻力差控制在合理的范围内，因此地板采暖热水循环泵采用一级泵系统。

5 系统运行工况简介

1）夏季设计工况下，10kV高压离心式冷水机组及热泵机组均开启，同时将13℃的空调冷冻水回水降温至6℃。部分负荷时，自控系统根据各台机组的容量及末端负荷需求调整机组的启停。

2）冬季设计工况下，空调热水回水45℃，部分经热泵机组提升至50℃，温度提升后的热水和其余的45℃回水混合后由水-水换热器加热至60℃供给空调末端。部分负荷时，自控系统根据空调热水回水温度调整一次热水侧电动调节阀，根据各台机组的容量及末端负荷需求调整机组的启停。

3）地板辐射采暖系统独立运行，冬季展览期，空调系统与地板辐射采暖系统同时运行；冬季非展览期，空调系统停止运行，地板采暖系统开启，保证建筑室内温度不低于5℃。

6 结语

本项目上为大型展览类建筑，在冷热源形式、系统形式的确定，充分结合建筑的地理位置、建筑形态、使用特点等进行可行性及经济性分析比较。是否采用大温差供冷，需经过计算分析后确定，普通电制冷机组仅通过降低制冷机组出水温度的方式来增大冷冻水供回水温差有可能不节省运行费用，可能更耗能。通过试算系统阻力，冷冻水系统采用二级泵系统节能效果明显，空调热水及地板采暖热水系统采用一级泵系统比较合理。

[1] 张敏.中外会展业动态评估年度报告(2012版)[M].北京:社会科学文献出版社,2013

[2] 陆耀庆.实用供热空调设计手册(第2版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2008

[3] 胡世强.新武汉火车站地源热泵系统设计[J].暖通空调,2011, 41(7):80-82

[4] 柴慧娟.高层建筑空调设计[M].北京:中国建筑工业出版社, 1995

[5] 民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB50736-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012

[6] 公共建筑节能设计标准(GB50189-2005)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[7] 汪连昌.大温差空调水系统的节能评价方法[J].暖通空调,2011, 41(7):70-72

[8] 许彩艳,陈启.不同冷凝温度下水源热泵工质性能分析[J].燃气与动力,2008,28(5):3-5

Heating and Cooling Source of HVAC System Designed for Exhibition Area of a Conference& Exhibition Center in Tianjin

KE Zun-you,ZHENG Yi-ran,DONG Jing
China Academy of Building Research

Aiming at the characteristics of conference&exhibition building,the process of the determining of heating and cooling source of HVAC system were introduced,including ground-source heat pump,secondary pump,large temperature difference and low temperature hot water floor radiant heating.Finally,the operating conditions of cold and heat source system were briefly present.

exhibition center,ground-source heat pump,large temperature difference,secondary pump

1003-0344（2015）04-087-4

2014-5-29

柯尊友（1980～），男，硕士，工程师；北京市北三环东路30号中国建筑科学研究院新主楼13A（100013）；010-64694335；E-mail:kezunyouskd@163.com