城市科技广场的暖通空调系统设计

宫克勤

（上海环境工程设计研究院有限公司,上海 200072）

1 工程概况

这个城市科技广场的位置,是在大厂回族自治县的潮白河工业区内,隶属于河北廊坊市管辖。本工程案例的总建筑面积约为10800m2; 其中设计地面以上的部分约7800m2,设计地面以下面积约3000m2。地上2 层,地下1 层,总高度为22m。地上功能为室内泳池、篮球场、羽毛球场馆、乒乓球馆、休息室等。地下功能主要为设备用房。

2 空调系统设计参数

2.1 室外计算参数

夏季：空气调节的室外计算干球温度为34.4℃,湿球温度为26.6℃,通风的室外计算温度为30.1℃[1]。冬季：空气调节的室外计算干球温度为-11℃,户外计算相对湿度为54%,通风的室外计算温度为-4.4℃,采暖的室外计算温度为-8.3℃[1]。

2.2 室内计算温度

表1

3 空调冷热源

3.1 冷源

冷源是利用两台风冷热泵机组提供,每台的制冷量为475 千瓦。两台冷冻水泵,外加一台同规格的作为备用。为了使冷冻水的水质维持在一定的范围内,在冷冻水泵进出口设置了一套全自动加药装置。

3.2 热源

热源由市政热力提供,热水温度是95/50℃,用户侧则是通过两台换热机组,制备75/50℃的热水,供采暖和空调系统使用,换热机组设于设备用房内。从换热站出口分两个环路,一路供散热器采暖,另一路再经板式换热器后,供地面辐射供暖以及新风空调箱预热新风使用,供回水温度为45/35℃。

a.换热站：采暖热负荷520kw,共设两台板式换热器,单台换热量为340kw（每台负担计算热负荷的65%）[1]。b.地暖新风系统：采暖热负荷250kw,共设两台板式换热器,单台换热量为165kw（每台负担计算热负荷的65%）。

以上三路水系统均在循环泵入口前设置一台工作压力为0.8MPa 的隔膜式气压罐,满足定压补水要求,并且共用一套软化水处理设备。

4 空调系统设计

空调系统设置原则：设计以竖向分层、横向按防火分区及满足各业态独立使用。

泳池、篮球场、羽毛球场馆和大厅等区域,采用全空气定风量系统,一次回风。其余小房间,采用风机盘管加新风空调系统,新风机设置于空间顶部。

4.1 空调风系统

空气调节的气流方式,全部采用上部送上部回的方式,泳池区域用孔口送风和射流喷口组合设计,延围护结构布置,有效防止冬季幕墙结露,回风口设于池面正上方,有利排出室内氯气；篮球场地同时设排风系统利用百叶顶部排风。

4.2 空调水系统

空调的冷冻水系统,运用的是一次泵系统,水泵装有变频器。空调水管系统,采用两管制,干管异程式布置。

4.3 供暖系统

4.3.1 散热器供暖系统。采暖散热器水系统的供水方式,采用的是双管系统,非同程式布置,下供下回。

4.3.2 地板辐射供暖系统。一层大厅和泳池的池岸区域设置地板辐射供暖系统,热源为经过二次换热45/35℃热水[2]。

5 项目特点

本案例的泳池,很好的结合空调、除湿和加热的需求,采用两台泳池恒温除湿热泵机组。

5.1 机组的工作原理

就是潮湿热空气在恒温除湿热泵机组中冷却除湿时,释放出大量的冷凝热,被机组回收利用,并将这部分热量传递给池水和空气。

图1

首先,泳池室内的大量潮湿热空气,在开启泳池恒温除湿热泵机组的回风机之后,由于风机抽吸的作用,而被源源不断的吸入回风管。一部分湿热空气用来与室外新风进行全热交换后排出室外,其余的湿热空气则流向蒸发器,在冷却除湿的同时,将该过程中产生的冷凝热回收,并传递给初始状态下的液态冷媒中。在能量传递交换的过程中,当空气温度降低到空气的露点以下时,空气中的水蒸气会在蒸发器盘管上凝结成水雾,随着能量交换过程的继续进行而变成冷凝水,在重力作用下,最终流入机组内部的滴水盘,并通过设置的排水管排出,这便将潮湿的热空气变成干燥凉爽的空气。液态制冷剂（冷媒）,在流经蒸发器的时候,由于热传导的作用,吸收机组回收的冷凝热,吸热气化,将液态的冷媒,转化为低温低压的气态状态。随后,在高品位电能的驱动下,压缩机将低温气态冷媒压缩之后,排出高温气态冷媒[3]。高温气态冷媒,之后再流经机组的冷凝器,或者是池水加热的辅助冷凝器,亦或者是室外机组的冷凝器,向外释放其回收的热量,冷媒状态接着由气态再变成液态,周而复始的进行这种物理相变过程,从而对室内的空气,或者是池水进行加热处理[4]。

图2

当室内空气需要加热的时候,开启机组内部的冷凝器,利用冷凝器释放的热量,对室内的空气进行加热。如果室内的空气温度,符合要求时,机组回收的冷凝热,就可以用于池水的加热,而室内需要冷却处理的空气,则可以通过机组送出的干燥凉爽冷空气来完成。如果池水的温度和室内空气的温度,同时满足我们的要求时,此时机组回收的冷凝热,将被室外的冷凝器排放到自然界中。如果室内空气的温度,比我们要求的上限还要高时,潮湿热空气在通过蒸发器冷却除湿后,被直接送回到室内,无需再流经机组冷凝器,而主机的风冷冷凝器,也将会停止工作。综上所述,该泳池恒温除湿热泵机组,将同时具有除湿、新风处理、空气冷却、空气加热、池水辅助加热等功能。

5.2 各系统流程

图3

气流循环流程: 室内回风→恒温除湿热泵机组→排风(污浊湿空气经全热交换器后排到室外) →新风、回风混合→制冷除湿→加热-→室内送风[4]

排风系统:室内潮湿热空气(回风支管)→全热交换器→恒温除湿热泵机组→排至室外。

新风系统: 室外新鲜空气→全热交换器→恒温除湿热泵机组→室内送风[4]。

5.3 池水恒温系统

游泳池池水的日常温度恒定要求,是利用泳池恒温除湿热泵机组回收潮湿热空气的冷凝热,再传递给池水来维持温度,当无法满足时,应当采用市政热源,或是锅炉辅助加热,也可以用空气源热泵进行相应的补充。

池水恒温控制采用全自动运行模式,池水初始加热由市政热力管网提供的热源完成,或者是锅炉提供的热源,亦可是空气源热泵加热完成。

5.4 冷热水盘管

在冬季,由于室内的初始温度通常比较低,这时就需要给室内空气进行加热,如果选择泳池恒温除湿热泵机组,势必会需要很长的时间,能耗肯定非常大,为了充分节约能源,很好的一个办法就是,利用已具备的热源,接入机组内的热水盘管,来加热室内的冷空气,升温迅速,连风管系统内的电加热器都可以不必安装了。在夏季,则可以将7/12℃的空调冷冻水,接入泳池恒温除湿热泵机组的冷水盘管,进而控制室内空气的温度和湿度。

5.5 恒温计算

池水加热所需的热量应包含以下四个部分[5]（①+②+③+④）

①池水表面蒸发损失的热量Q1

其中：ρ- 水的密度(kg/L),取1；Y- 与池水温度相同的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热(kJ/kg)[5]；U- 池水表面上的风速(m/s),室内泳池取0.2～0.5m/s[5]；Pb- 与池水温度相同时的饱和空气的水蒸气分压力(Pa)[5]；Pq- 与泳池的环境空气温度相同的水蒸气分压力(Pa)[5]；A- 泳池的水表面面积(m2)；B-

标准大气压力(Pa)；B′- 当地的大气压力(Pa)。

经查阅焓湿图,得以下两个水蒸气分压力；

27℃时饱和空气的水蒸气分压力为3567.3Pa；28℃时饱和空气的水蒸气分压力为3782.2Pa。即可得出28℃,相对湿度65%时的水蒸气分压力为2458.4Pa。

②池壁和池底传导损失的热量

③管道和净化水设备损失的热量

（②+③）应按泳池表面蒸发损失热量的20%计算确定[5]

④补充新鲜水加热所需要的热量Q2

其中：t- 加热时间,取24；c- 水的比热容[kJ/(kg*℃)]；V- 泳池新鲜水的补充量（L/d）；Td- 池水的设计温度(℃)；Tf- 泳池补充新鲜水的温度(℃)。

综上,本案例维持恒温的加热量Q=1.2Q1+Q2=320kW

5.6 除湿计算

室内空气的除湿量应包含以下四个部分（①+②+③+④）

①室内人体散湿量W1

W1=0.001*N*n*g

其中：g- 一名成年男子的小时散湿量[6],取120g/（h*人）；N- 室内人总数,按人均5m2统计；n- 群体系数,取0.92；W1=0.001*(1050/5)*0.92*120=23.2kg/h。

②池边散湿量W2

W2=0.0171*（Tg-Td）*F*n

其中：Td- 室内空调计算干球温度(℃),取28.0；Td- 室内空调计算湿球温度(℃),取22.9；F- 池边面积(m2)；n- 润湿系数,取0.2～0.4；W2=0.0171* (28.0-22.9)*(1950-1050)*0.2=15.7kg/h。

③敞开水面的散湿量W3

W3=F*g。

其中：F- 计算时刻的蒸发表面积,m2；g- 水面的单位蒸发量[5],取值参考表2。

表2

室内温度28℃,相对湿度65%；水温20℃,水面蒸发量是-0.08kg/(h*m2)；水温30℃,水面蒸发量是0.28kg/(h*m2)。

根据内插法,水温27℃的水面蒸发量取0.172kg/(h*m2)

再结合当地的大气压修正系数,最终取水面蒸发量为0.172*101325/100440=0.174kg/(h*m2)

W3=1050*0.174=182.7kg/h

④新风含湿量W4

W4=0.001*G*（d-d′）*ρ

其中：G- 新风量（m3/h）；d- 新风含湿量（g/kg）,取19.0；d′- 室内空气含湿量（g/kg）,取15.6；ρ- 空气密度（kg/m3）,取1.15。

室内人员所需新风量：20*1050/5=4200m3/h

再根据美国ASHRAE62.1-2007 标准,游泳馆新风量不低于8.64m3/h*m2（池水面积）

1050*8.64=9387m3/h,所以新风量取9400m3/h

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

综 上 , 本 案 例 室 内 空 气 的 除 湿 量W=W1+W2+W3+W4=258.4kg/h

如上所述,本工程案例采用两台除湿量135kg/h 的恒温除湿热泵机组,送风量是60000CMH,新风量占比10%～20%,机组可回收冷凝热约为129kW,与传统的通风除湿模式相比,综合能效比达到7.0 以上,平均节约运行费用可达40%左右,由于篇幅限制,不再赘述。

6 结论

对于室内泳池的项目,笔者提出以下建议,以供同行或其他有需要的朋友参考。首先,必须考虑气流的形式,保证室内空气的整体温度与湿度的均匀性,有效避免可能出现的结露现象,因此风管系统的设计是否合理就显得非常重要。送回风管道的设计和风口的点位布置需要均匀,不能出现气流死角,送风和回风之间,必须杜绝短路现象的产生。按照以往经验来看,送风口与回风口的位置,互成斜对角安装,不失为一个值得考虑的方法,不仅可以保证气流稳定,相应的设备也处在最有效的状态；其次,在风管道安装时,必须在主风管上安装风量调节阀（包含新风、回风和送风的主干管）,以便日后可根据室内人员数量和季节气候变化,合理选择新风比；第三,在主机设备出口的各风管主干管上应安装静压箱,以此降低噪音；第四,风管的质料建议选用酚醛复合材料或者玻璃材料,因为这些材料的防腐性能比较好,而尽量不要采用防腐性能比较差的镀锌钢板,尤其是泳池的水蒸气里含有氯离子成分,如已选用镀锌钢板作为风管主材的工程,后期一定要在风管内壁进行防腐处理,例如进行环氧树脂的喷涂,从而延长使用寿命；第五,泳池恒温除湿热泵机组内的蒸发器和冷能器,为有效避免腐蚀,整体需要阴极电泳处理；第六,为充分保证池水换热器的使用寿命,可以选择PVC 材料的外壳,能有效防止含氯离子池水的腐蚀,换热器本体也可选用体积小,效率高的双流程钛盘管；第七,泳池恒温除湿热泵机组的箱体,应采用双层钢板,采用热镀锌处理工艺,两层钢板间填充30mm厚的聚氨酯材料,需整体发泡,作用是防火保温且隔音,箱体的表面处理需考虑防腐要求,在工艺选择上可以采用环氧树脂喷涂；第八,过滤器应选用板式初效G4 过滤器和板式静电中效F7 过滤器,以保证室内空气质量。