某海洋公园维生系统冷热源设计与分析

李伯军 谷灵通 高峰

大连理工大学土木建筑设计研究院

1 工程概况

项目位于海南三亚，建设主要内容包括：海洋主题游乐设施、海洋动物舞台剧、文化演艺等项目，总建筑面积68300 m2。其中有些项目内设有动物表演、动物展示等内容，动物维生系统需要的总水体为22153 m3。

2 主要设计参数

室外设计参数采用文献[1]中三亚市的空调室外计算参数。本设计水体补水温度夏季取30℃，冬季取19.4℃。

表1 水体设计要求

根据动物饲养部门提供的资料，动物水体设计参数如表1所示。

3 主要技术特点

3.1 冷热负荷构成及解析

不同种类的动物对水温要求不同，维生系统必须提供满足要求的水质及水温。要让水温达到饲养要求，需要向水体中补充冷（热）量，即维生水体的冷（热）负荷[2-3]。

3.1.1 冷（热）负荷构成

本项目的冷热负荷主要包括以下几个方面[4]：

1）围护结构冷（热）负荷

此部分负荷同普通空调负荷计算模型。

2）太阳辐射形成的冷负荷

此部分负荷同普通空调负荷计算模型。

3）水表面和空气传热传质形成的冷（热）负荷

式中：Qs为水表面和空气传热传质形成的冷（热）负荷，kW；As为水表面和空气的接触面积，m2；ρ为空气密度，取 1.2 kg/m3；hmd为传质系数，m/h；h1为空气的焓值，kJ/kg；h2为与水体温度相同的饱和时空气的焓值，kJ/kg。

计算热负荷时取h2-h1。

4）补水形成的冷（热）负荷

式中：Qb为补水形成的冷（热）负荷，kW；C为水的比热容，取 4.2×103J/(℃·kg)；M 为一天的补水质量，kg；Δt为补水与水体的温差，℃。

5）设备散热形成的冷负荷

设备散热产生的热量会传递到水体中从而水体产生冷负荷。

6）动物散热形成的冷负荷

本模型根据动物的体重，运动强度以及进食量对动物散热进行合理估计，从而得出动物散热形成的冷负荷。

7）管道及设备温升（降）形成的冷（热）负荷

维生设备主要包括：沙罐、脱气塔等。处理后的水在管道及设备中流动时吸收环境中的热量形成的冷负荷按照下式计算。

式中：Qg为管道和设备温升（降）形成的负荷，kW；K为保温后的管道传热系数，W/(m2·℃)；F为设备、管道与环境的接触面积，m2；Δt为水体与环境的温差，℃。

3.1.2 冷热负荷计算结果

根据水体设计要求按照负荷构成各项计算公式对每个水体进行负荷计算。计算结果如表2所示。

表2 各水体负荷计算结果

3.1.3 负荷模型解析

与常规建筑负荷计算模型不同的是维生水体具有较大的水面面积，水体表面与空气的传质传热过程会产生负荷。

热量和质量同时进行的热质传递中，一方面，由于对流和辐射，热量从热空气传到湿表面，另一方面，湿表面上被蒸发的蒸汽连同它本身所具有的焓一起传递到流动的热空气中去，在不同的蒸发速率下，热空气和湿表面之间的热交换及动量交换就有所不同。通过热质交换过程的类比关系，可以将此传质传热问题进行简化。

对于水-空气系统，存在刘易斯关系式，

根据这个关系式，可以得出：在空气-水系统的热质交换过程中，当空气温度和含湿量在实用范围内变化很小时，换热系数和传质系数之间保持了一定的量值关系。通过三传方程将传质传热以焓差作为驱动力计算传递热量，得到出水表面和空气传热传质的热量方程[5]：

此方程利用焓差作为传递动力，不同环境取相应的传质系数，即可计算得出水表面和空气传热传质形成的冷（热）负荷。

3.2 技术特点

动物池中的水质由维生水系统保证（通过循环过滤、蛋白分离、添加臭氧等工序处理），水温由空调系统保证[6]。本项目在设计维生系统时，将水体温度的昼夜允许波动幅度限制在2℃以内。这样有利于保持水体温度稳定，不会对水中动物造成太大负担。小范围的温度波动有利于增强动物的适应能力。

由于水体具有热惯性，根据工程实际情况，冷热源机组在白天峰电时段正常供应舒适性空调负荷，减小或者停止向维生水体供冷（热），使水体自然缓慢升（降）温，夜间谷电时段对水体进行升（降）温，使水体温度达到动物适宜的温度，周而复始，以达到减小整体运行费用的目的。

由表2可以看出，动物要求的水体温度较高，加之维生冷源不需要考虑除湿要求，因此，可以选用冷冻水温度13/18℃或更高的高温机组，以提高机组的EER值。

4 冷（热）源方案及分析

本项目舒适型空调与维生系统共用一套冷热源，舒适性空调的冷负荷为4399 kW，维生冷负荷为1734.9 kW，冷负荷合计为6134 kW。维生热负荷为1536.7 kW。

由于舒适性空调夜间不需要供冷，可将制冷机组的这部分能力用于维生水体在谷电时段的蓄冷，实现在不增加机组容量的情况下，利用机组给维生水体夜间蓄冷、白天为舒适性空调供冷，满足两者的需求。

经过方案比选，本工程选用制冷采用集中水冷冷水机组，制热采用分散风冷热泵方案。

4.1 方案介绍

制冷集中设一个制冷站，制冷机组选用1台300USRT（制冷量1095 kW）的高温螺杆水冷冷水机组作为维生冷源，2台700USRT（制冷量制冷量2461.2kW）的离心式水冷冷水机组作为舒适性空调冷源，谷电时段为维生水体蓄冷。

表3 冷源设备配置

制热采用风冷热泵，根据维生系统需求分散设置。风冷热泵也可做为维生系统的备用冷源。园区共设3个风冷热泵站。

设备配置如表3、4所示。

表4 热源设备配置

4.2 方案分析

由于需要考虑水体的初始降（升）温，初始降（升）温时间根据水体大小控制在36～72 h。初始降（升）温负荷为冷（热）负荷的约1.5倍。可以通过分别对水体进行降温以减小总制冷能力，也可以利用舒适性空调机组进行初始降温。制热为风冷热泵。

在冷热源设备选取时，针对维生系统，可以采取高温冷水机组，本项目选取了一台制冷量1095 kW高温冷水机组。高温冷水机组EER为6.9，相同制冷量的常规冷水机组EER为4.7。高温冷水机组制冷效率为常规机组的1.47倍。

5 运行费用分析

当地电网工商业电价如表5所示。

表5 电价表

经计算维生系统在无蓄冷条件下年运行费用为153万元，有蓄冷条件下年运行费用为92万元。

水体具有天然的蓄冷特性，海洋公园维生系统在运行时，应将蓄冷因素考虑在内，通过峰谷电价差降低运行费用。本工程通过采用夜间蓄冷的运行方式，在满足水生动物需求的前提下，每年维生系统节省运行电费61万元，与无蓄冷方式相比，维生系统运行电费节省40%。

在实际工程中，具体蓄冷方式需要考虑水生动物的需求水温和机组的容量。

6 结论

海洋公园维生系统是一项集海洋水生知识，给排水和暖通设计的综合工程技术。其冷热源设计需要在常规冷热源设计的基础上融合水体特性及动物需求。

维生水体冷热负荷计算是以公民建空调负荷计算模型为基础，加入水体特有的负荷项而得出。

在计算负荷时，需要考虑水体的初始降（升）温时间控制。

在运行时，可以利用水体的热惯性，利用舒适性空调负荷夜间的空白区，在谷电时段对水体进行蓄冷，达到降低机组容量、提高机组利用率、节省运行电费的目的。在此过程中，要充分考虑水生动物昼夜允许温差的限度和系统的稳定性。