监利市民之家空调冷热源方案的优化

张昊

湖北省工业建筑集团有限公司设计咨询分公司

1 前言

据统计，建筑物能耗约占公共机构能耗总量的70%。以办公建筑为例，中央空调系统约占建筑能耗的60%，照明、办公设备、电梯等约占40%［1］。在中央空调系统能耗中，冷热源约占50%～60%[2]。

高级民用建筑中央空调系统的投资约占建筑总投资的10%以上，其中冷热源约占中央空调系统总投资的50%～70%[3]。

由此可见，中央空调系统冷热源能耗高、投资大，选择合理的方案对于减少建筑能耗、降低工程造价起着至关重要的作用。

本文通过对监利市民之家空调冷热源方案的优化，以期为解决类似问题提供参考。

2 工程概况

监利市民之家位于监利县经济开发区监利大道与工业园路相交东北角处，规划总用地面积117 198.94m2，建设用地面积95 616.35m2，建 筑 占地面积9 910.89m2，容积率0.42，总建筑面积59 500.5m2，建筑高度31.6m，其中地下一层，主要为汽车库、设备用房和餐厅，建筑面积19 795.1m2；地上5层，主要为市民服务中心、电商中心、招商中心及配套设施，建筑面积39 705.4m2，鸟瞰图见图1。

监利是国家商品粮和农副产品基地，境内河网密布，因“监收鱼盐之利”而得名。该项目以“双鱼抱水”的建筑设计理念，寓意“滴水之恩，涌泉相报”，充分体现了政府和百姓“鱼水情深”的美好愿景，营造出一个具有地方特色、公共开放的城市空间。

图1 监利市民之家鸟瞰图

3 空调负荷

本工程空调建筑面积28 500m2，经鸿业暖通空调负荷计算软件计算，夏季最大冷负荷为4 304kW，空调建筑面积冷指标为151W/m2；冬季最大热负荷为2 708kW，空调建筑面积热指标为95W/m2。

3.1 空调冷热源方案的比选及优化

3.1.1 内外部条件

项目所在地电力、燃气、自来水供应充足，未执行分时电价政策，无市政冷热源和余热可利用，不具备污水或再生水热泵条件，地下水也不丰富。

该建筑外形不规则，大空间场所较多，空调系统无明显内外区和计量收费需求，使用时间相对集中。

3.1.2 冷热源方案比选

作为政府办公建筑，建设单位对空调冷热源要求技术成熟、稳定可靠，并在初投资和寿命期内的运维费用等经济性方面给予重点关注。

根据上述条件，适宜本工程的空调冷热源方案主要有电制冷加燃气锅炉、直燃机、风冷热泵、热源塔热泵和地源热泵几种，定性分析见表1。

参考类似气象条件的武汉地区，办公建筑空调冷热源采用电制冷加燃气锅炉类型的占比最高。通过对上述方案详细的技术经济比较，建设单位最终确定采用电制冷加燃气锅炉。

根据大楼空调使用规律及负荷特性，冷源选用2台离心式冷水机组，单台名义制冷量2 286kW，蒸发器进出口温度7/12℃，冷凝器进出口温度30℃/35℃；热源选用2台燃气真空热水锅炉，单台额定供热量1 400kW，进出口温度50/60℃。

3.2冷源方案优化

离心式冷水机组以大冷量、高能效的特点在大中型中央空调系统中备受青睐。特别是近年来，磁悬浮变频离心式冷水机组利用直流变频驱动、高效换热器、过冷器、基于工业微机的智能抗喘振，以及磁悬浮无油运转技术等，从根本上提高了运行效率和性能稳定性[4]。

表1 空调热冷方案定性分析表

图2 普通定频离心式冷水机组COP曲线

不同负荷率和冷却水温度下普通定频离心式冷水机组的COP曲线见图2，磁悬浮变频离心式冷水机组的COP曲线见图3［5］。

图3 磁悬浮变频离心式冷水机组COP曲线

由此可见，随着冷却水入口温度的降低，磁悬浮变频离心式冷水机组比普通定频离心式冷水机组的COP值上升得更快更多。随着负荷率的降低，磁悬浮变频离心式冷水机组的COP值上升至一定值后趋于水平，普通定频离心式冷水机组的COP值持续下降。实际运行中，机组的大部分时间都处于部分负荷工况，所以磁悬浮变频离心式冷水机组具有较好的节能效果。

本工程夏季空调按每年6～10月运行100天，每天8:00～18:00运行10小时，电价0.85元/kWh计算，方案1采用两台普通定频离心式冷水机组（见表2），方案2采用两台磁悬浮变频离心式冷水机组，年运行费用对比（见表3）。

相比而言，方案2的年运行费用可节省159 241元，节能率达26.5%。

在初投资方面，磁悬浮离心式冷水机组单台压缩机启动电流仅2A，不需软启动器，可节省部分配电费用。

在维保费用方面，磁悬浮离心式冷水机组采用磁悬浮轴承，使机组没有机械摩擦损失，没有润滑油循环和相应的油过滤器、油冷却器等油路设备，系统简单，可靠性高，维护方便，使用寿命长达30年之久。方案1和方案2的总费用对比见表4。

3.3 热源方案优化

真空热水锅炉负压运行，安全可靠，不需年检；经脱氧和除垢的高纯热媒水在封闭状态下进行换热，避免了氧腐蚀、结垢等问题；内置多组换热器，能同时满足空调、供暖和生活热水系统不同温度和承压要求，一机多用，热效率高。运行管理和维护保养费用低，使用寿命在20年以上，因此在民用建筑空调系统中得到了广泛应用。

表2 方案1年运行费用

表3 方案2年运行费用

表4 方案1和方案2的总费用比较

天然气含氢量高，燃烧后产生大量水蒸气。常规锅炉排烟温度一般在130℃以上，高温烟气带走大量显热，热损失较大，另一方面烟气中的水蒸气处于过热状态，不能释放出汽化潜热，随烟气排放而浪费。而锅炉热效率是以燃料低位发热量计算，天然气低位发热量为8 600kcal/Nm3，未包含烟气中水蒸气的冷凝热860kcal/Nm3。冷凝式真空热水锅炉通过烟气换热系统，利用低温水或空气冷却烟气，降低排烟温度和过量空气系数，实现烟气显热和水蒸气汽化潜热释放，加热低温水或空气，回收热能，热效率可达103%，较常规真空热水锅炉热效率94%提高约10%。同时由于冷凝水可吸收烟气中部分CO2和NOx，有利于改善空气质量和减轻温室效应。

本工程冬季空调按每年11月～次年2月运行90天，每天8:00～18:00运行10小时，电价0.85元/kWh，天然气价3.55元/Nm3计算，方案3采用两台常规真空热水锅炉，年运行费用见表5,。方案4采用两台冷凝式真空热水锅炉，年运行费用见表6,。方案3和方案4总费用对比见表7：

相比而言，方案4年运行费用可节省53 165元，节能率达9%。方案3和方案4的总费用对比见表7。

表5 方案3的年运行费用

表6 方案4的年运行费用

表7 方案3和方案4的总费用对比

综上所述，方案2和方案4虽然初投资较高，但运行费用和维护费用较低，在使用寿命期内经济效益可观，适宜作为本工程的冷热源。

4 结语

（1）磁悬浮变频离心式冷水机组在空调负荷波动较大、低负荷运行时间较长的场合更能发挥能效比高的优势，除台数控制外结合冷冻水泵和冷却塔风扇变频调速控制，可进一步提高中央空调系统的经济性。

（2）冷凝式真空热水锅炉在燃料为天然气时，烟气露点温度在55℃左右，在空调、供暖系统设计回水温度不高于50℃时使用更节能。

（3）电制冷加燃气锅炉作为传统的空调冷热源已应用多年，磁悬浮变频离心式冷水机组和冷凝式真空热水锅炉的大力推广无疑具有显著的社会效益和经济效益。