北京某游泳館空調設計.doc

北京某游泳館空調設計摘要： 根據(jù)游泳館的建筑特殊性，指出了空調、通風方案的主要目的，并且分析了冬夏季負荷計算的具體方法，說明了空調能耗的特點，結合這個特點，采用熱回收方式，提出了的空調方案。同時，以一個具體設計為實例，進行了能耗分析，與不采用熱回收系統(tǒng)做了比較。 關鍵詞： 游泳館 負荷計算 熱回收 節(jié)能1. 概述游泳作為一種競技體育項目和人民大眾體育活動，日益得到廣泛的發(fā)展。作為開展這種體育活動的場所之一室內(nèi)游泳館，也在逐步發(fā)展，功能逐步完善。由于游泳館具有特殊的建筑功能，因此，在空調負荷計算，空氣處理方式，以及設備選擇上都有不同于常規(guī)建筑的地方。2. 設計方案2.1 建筑特點室內(nèi)游泳館常年使用，并且功能相對單一，因此，室內(nèi)的設計狀態(tài)常年一致。由于其建筑功能，室內(nèi)具有巨大的水面，水溫基本不變。由于人員衛(wèi)生要求，水體本身須循環(huán)處理，一般采用氯氣消毒方式，室內(nèi)空氣氯氣含量很高，室內(nèi)的空氣具有腐蝕性。2.2 空調、通風特點2.2.1 空調、通風要求由于氯氣的毒性和腐蝕性，因此室內(nèi)要保持一定的負壓，因此要設置排風機。在空氣處理過程中，不可采用常用的一次回風方式，因為含有氯氣的回風會腐蝕設備。2.2.2 負荷特點室內(nèi)由于濕負荷很大，且常年一致，因此，一年四季均須除濕。同時，由于室內(nèi)狀態(tài)基本不變，水面溫度也基本恒定，水面和空氣存在一定的溫差，加之水面面積巨大，在冬季形成較大的顯熱損失，不可忽略。室內(nèi)的負壓要求，會產(chǎn)生很大的空氣滲透，會帶來很大的熱、濕負荷，這點在計算負荷時也應根據(jù)實際情況，予以考慮。2.2.3 空調目的根據(jù)冬夏季室外狀態(tài)的不同以及室內(nèi)的空氣狀態(tài)，確定空調的方案，同時也用于判斷各負荷是否可以做為設計裕量而忽略。冬季，室外溫度低，空調的目的是保暖和除濕；夏季，室外溫度高，濕度大，空調的目的是降溫和除濕。2.2.4 能耗要求由于必須采用直流式系統(tǒng)，運行能耗是相當大的，因此要采用一定的節(jié)能措施，如采用熱回收裝置，可以節(jié)約能耗。根據(jù)熱回收的機理不同，可以分為顯熱回收和全熱回收兩種，本例中采用全熱回收方式，逆流換熱。2.3 負荷計算負荷計算應該將控制范圍內(nèi)一切對室內(nèi)溫度和濕度產(chǎn)生作用的因素統(tǒng)一考慮，但是在實際分析和設計過程中，根據(jù)室內(nèi)的具體情況和人員的接受程度，以及空調的目的不同，可以將某些負荷忽略，為實際運行提供更廣闊的空間。2.3.1 夏季室內(nèi)負荷夏季室內(nèi)負荷包括四個方面，其中圍護結構、人員、燈光等的常規(guī)冷負荷以及人員帶來的濕負荷按照不穩(wěn)定傳熱的方法計算，本文不再重復。由于室內(nèi)負壓產(chǎn)生的空氣滲透，而帶入的熱、濕負荷，由于溫差、濕差較小，可以忽略?？諝庀蛩娴膫鳠?，對于室內(nèi)空氣而言，本身是熱量的散失，因此在夏季以降溫為目的的空調計算中，這部分可以作為設計裕量，也不考慮。但是，水面向空氣的傳濕，大幅度的增加了室內(nèi)的濕附和，應予詳細計算。在計算水面向空氣傳濕量時，不宜按照一般手冊中提供的池水蒸發(fā)量計算公式，其中：w1敞開水面濕負荷 （kg/h）f水槽蒸發(fā)面積（m2）g單位水面蒸發(fā)量（kg/(m2 h)）b當?shù)卮髿鈮毫Γ╬a）因為該式是按照靜止水面和較小風速計算的，在游泳池的環(huán)境下，水面會濺起很多水珠，使得水和空氣的接觸表面大大增加，同時也會增加和空氣的相對速度，因此如果按照上述公式計算的傳濕量比較保守，同時，在游泳池旁邊，存在這較大面積的濕潤地帶，這也是該類建筑所特有的，這些地帶的散濕量是很難詳細計算的，筆者根據(jù)相關資料*，對于游泳池的傳濕量，采用了對上述公式進行修正的計算方法；對于周邊濕潤地帶也得到了較為實際的傳濕量。兩部分的計算公式如下：（1）池水蒸發(fā)量其中：c蒸發(fā)系數(shù)，取值0.037p1水面空氣的水蒸汽分壓力（pa）p2水表面溫度的飽和水蒸汽分壓力（pa）(2)周邊濕潤地區(qū)的傳濕量其中：w2周邊濕潤地區(qū)的傳濕量（kg/h）空氣對水的對流換熱系數(shù)（kj/m2 oc h）tg空氣干球溫度（oc）ts空氣濕球溫度（oc）濕球溫度的汽化潛熱（kj/kg）f濕潤地帶面積（m2）2.3.2 冬季室內(nèi)負荷也包括四方面，當時此季節(jié)的空調要求是保暖和除濕。其中維護結構熱負荷按照常規(guī)計算。冷風滲透部分，由于溫差較大，應予計算，同時冷風滲透帶入的干燥空氣，可以作為冬季除濕的裕量忽略。空氣向水面的顯熱傳熱則與空調目的一致，應予計算。第四項為水面向空氣的傳濕，以及帶來的潛熱熱量。由于冬季和夏季的室內(nèi)空氣狀態(tài)相同，水面狀態(tài)也相同，因此冬季和夏季，水面以及周邊濕潤地帶的傳濕量也相同。2.4 空氣處理過程2.4.1 處理原則首先，全年的送風量一致，并且送風和排風量相同，便于空氣處理過程的控制和分析，其次，要確保除濕效果，把維持室內(nèi)濕度放在重要位置。同時，為了設備簡單，易于管理，冬季和夏季要采用相同的熱回收設備。本例中采用轉輪全熱回收裝置，這種熱回收裝置的效率一般在70%左右。2.4.2 計算步驟（1）冬夏季分別計算送風量，取較大值作為確定送風量。冬季：為了防止換熱器結霜，應先將室外空氣預熱到一個較高的溫度，一般取5 oc，根據(jù)熱回收效率得到熱回收器出口的空氣狀態(tài)，由熱濕比線計算送風量。夏季：根據(jù)熱濕比線及送風溫差確定送風量。這里需要說明的是，當冬季風量較大的時候，夏季可采用再熱方式，當夏季風量較大的時候，可以選取效率較高的換熱設備，或者維持現(xiàn)狀，偏于安全。（2）根據(jù)送風量確定送風狀態(tài)點，分別確定處理過程。冬季：根據(jù)熱濕比線得到送風狀態(tài)點，確定二次加熱量。這里需要注意的是，送風溫度不可過高，一般控制在45 oc左右。夏季：根據(jù)換熱器效率確定新風在表冷器前的狀態(tài)點，確定冷機的裝機容量。2.5 能耗分析根據(jù)能耗計算，冬季熱回收效果比較明顯，可以達到30%左右，夏季熱回收效果低于冬季。但是冬季由于采用全熱回收裝置，會回收部分室內(nèi)的水分。2.6 計算實例室內(nèi)設計狀態(tài)：tg=26 oc，=70%室外設計狀態(tài)：夏季：tg=33.2 oc，ts=26.4 oc冬季：tg=-12 oc，=45%室內(nèi)負荷：冬季：圍護結構和冷風滲透：243.4kw 水面向空氣的潛熱傳熱：257.2 kw空氣向水面的傳熱：128.6 kw夏季：475 kw濕負荷：370kg/h這里需要說明的是，夏季空氣滲透帶來的冷負荷為28.6 kw，濕負荷為19.8kg/h,分別占夏季室內(nèi)冷負荷和濕負荷的6%，5%。計算得到風量為60000m3/h夏季空氣處理過程：狀態(tài)點室外熱回收出口送風點室內(nèi)溫度（oc）33.229.41826含濕量（g/kg）18.617.311.516.5焓（kj/kg）81.57448.570.5冬季空氣處理過程：狀態(tài)點室外預熱后熱回收出口送風點室內(nèi)溫度（oc）-1252146.526含濕量（g/kg）0.511.511.516.5焓（kj/kg）6517670.5相對濕度45%2.7 小結2.7.1 系統(tǒng)采用直流式，并且進行熱回收，加排風系統(tǒng)。2.7.2 整體處理方案為冬夏季風量一致，處理方式不同。2.7.3 冬季空調目的為升溫降濕。2.7.4 夏季負荷計算中，空氣向水面的顯熱傳熱量可以作為裕量。冬季負荷計算中，這部分應計入冷負荷，而由空氣滲透帶入的干燥空氣的除濕量則可作為濕負荷計算的裕量。2.7.5 計算采用同一設備，效率各項一致。2.7.6 冬季空氣進入全熱回收設備前必須預熱。2.7.7 冬季節(jié)能效果比夏季明顯。*文中提及相關資料來自于張鐵輝娛樂性游泳館采暖通風設計若干問題的探討（北京建筑設計研究院內(nèi)部論文集），在此特別表示感謝。參考文獻：幾種bchp技術及其能源利用效率的簡要分析摘要： bchp是能量梯級綜合利用的技術，對于解決我國面臨的環(huán)境、能源問題有重要作用。本文對bchp與傳統(tǒng)空調用能方式的優(yōu)缺點進行了分析，討論了現(xiàn)有技術條件下幾種bchp技術的性能和特點，對基于微型燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機的bchp技術進行了分析，結果表明，在目前的技術水平下，當”以熱定電”時，燃氣內(nèi)燃機方案較微燃機方案的一次能耗要低。 關鍵詞： bchp 微型燃氣輪機 燃氣內(nèi)燃機 以熱定電1 引言能源、環(huán)境問題是中國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略所面臨的重大挑戰(zhàn)之一，應對這一挑戰(zhàn)，需要各行各業(yè)密切協(xié)作，在各自的領域里作出巨大努力，空調制冷業(yè)也不能例外。事實上近年來空調制冷業(yè)的發(fā)展，正在造成我國乃至全球能源、環(huán)境危機：空調用電不僅已成為城市能源消費最多的領域之一，還在夏季造成電網(wǎng)尖峰負荷，致使電力供應出現(xiàn)緊張局勢；而空調在全球的使用也直接、間接地造成諸如大氣臭氧層破壞，溫室氣體排放，城市熱島1等環(huán)境問題。因此，解決能源、環(huán)境問題，空調制冷行業(yè)有著不可推卸的責任，理應有所作為和貢獻。提高設備性能雖然是解決問題的一個重要方面，但在空調使用飛速增長的中國，僅僅這樣還遠不夠，必須從提高整個能源系統(tǒng)效率的角度出發(fā)，研究提高空調系統(tǒng)用能的高效化、清潔化，有效降低空調制冷能耗，減少環(huán)境污染，這是一個不可忽視的領域1,2，而bchp作為一種能量梯級綜合利用的技術，可以在這方面發(fā)揮重要作用1,2,3，本文就幾種bchp技術的能效作一初步分析。2 bchp的概念及其優(yōu)越性bchp即樓宇冷熱電聯(lián)產(chǎn)，是building cooling, heating and power的縮寫，其原理是：燃料（油、氣等）先經(jīng)熱功或電化學過程轉換為電力供建筑物使用，燃料發(fā)電后的余熱則用于建筑物供熱、空調等，如圖1所示。而在傳統(tǒng)的以電力為能源的空調系統(tǒng)中，高品質的能源在中國目前最主要的部份是煤首先以較低的效率被轉換為“清潔的”二次能源電力，經(jīng)輸配電設施到建筑物，再經(jīng)制冷制熱設備轉換為低品位的空調冷熱源通常是冷水或熱水，在此過程中能量不僅在質上貶值了高品位的能量被轉換成了低品位的空調冷熱水，且數(shù)量上也“減少了”：大部份排熱因遠離用戶而作為廢熱與nox、so2、粉塵等污染物一起被排入大氣，造成環(huán)境污染，如圖2所示。比較上面兩種空調用能模式可見，bchp的用能方式具有諸多優(yōu)點：用能合理，實現(xiàn)了能量的梯級利用，減少了能量轉化和利用過程中的不可逆損失；高效，燃料作功后的余熱也得到充份利用；清潔，可使用天然氣等清潔燃料；環(huán)保，燃氣內(nèi)燃機、燃氣輪機、燃料電池均有低排放特點；分布式現(xiàn)場發(fā)電，提高供電可靠性。在當今中國，空調用電持續(xù)增加，而污染嚴重的礦物燃料煤又占能源消耗絕對多數(shù)比例，為緩解環(huán)境、能源問題，國家已啟動了一系列天然氣工程，預計未來天然氣在能源消費中所占比例將有較大幅度提高。但我國是一個人均能源、資源稀少的國家，已探明天然氣儲量并不能滿足國內(nèi)能源需求，因此，應當盡可能高效、經(jīng)濟地使用，如bchp，cchp，dhc等等，使之在解決人口密集的城市的能源、環(huán)境問題方面有效發(fā)揮作用。3 幾種bchp技術3.1 bchp的系統(tǒng)構成根據(jù)其功能，bchp系統(tǒng)可分為三個子系統(tǒng)：燃料電力轉換及接入設備、空調冷熱源熱備、包括空氣處理末端的空調系統(tǒng)。各子系統(tǒng)均有多種技術方案，各有特點。3.2 幾種 bchp技術方案的性能特點3.2.1 微型燃氣輪機余熱溴化鋰機組方案此方案中，微型燃氣輪機（出力300kw以下）發(fā)電后的余熱被直接用以驅動吸收式制冷機，制冷量不足時可補燃以增加冷機出力。目前小型燃機發(fā)電效率在30以下，國外有數(shù)家公司有商品化機組，國內(nèi)也已開始投入力量進行研發(fā)。吸收式機組國內(nèi)外均有生產(chǎn)廠家。此方案系統(tǒng)較簡單，且不用氟利昂制冷劑，與建筑用能匹配也較容易。3.2.2 燃氣內(nèi)燃機余熱投入型溴化鋰機組方案在此方案中內(nèi)燃機發(fā)電后的余熱先進行回收，然后被導入直燃機用以預熱溶液，減少燃料消耗量。燃氣內(nèi)燃機特別是帶增壓中冷的機組發(fā)電效率較高，目前在30-42間，依機組容量而異。冷（熱）負荷較低時，也可僅以排熱驅動制冷機。3.2.3 高溫燃料電池余熱溴化鋰機組方案燃料電池是將燃料化學能直接轉化為電能的裝置，不受卡諾定律的限制，有很高的發(fā)電效率（50-79）。sofc（固體氧化物燃料電池）和mcfc（熔融碳酸鹽燃料電池）可直接以天然氣作燃料發(fā)電4，不僅發(fā)電效率高，且排熱溫度高，可達750，用以驅動吸收式制冷機，可獲得較高的能效比。此方案因發(fā)電效率高，排熱相應較少，也需要補燃才可提供足夠冷量。3.2.4 燃氣內(nèi)燃發(fā)電機壓縮式制冷這是一個無吸收式制冷技術的方案。燃氣機除用以發(fā)電外，還可用以直接驅動蒸汽壓縮式制冷機或熱泵，也可以發(fā)電后驅動電動制冷機組，依建筑物需要而定。燃氣機的余熱可作各種用途，包括用于除濕干燥，這可以提高制冷機出水溫度，使制冷機組能效比大幅提高；在熱泵應用中則可以提高制熱量，使之在外界環(huán)境溫度下降時仍能維持一定的制熱量。因燃氣機熱效率較高，這個方案的一次能利用效率也是較高的。除以上方案外，還可能有其它方案的組合，而其它技術如pafc（磷酸型燃料電池）、pemfc（質子交換膜燃料電池）也是合適的bchp動力設備，在此不一一述及。下表列出了國內(nèi)外知名廠家如康明斯，卡特彼勒，寶曼等的發(fā)電機組所能達到的性能。由表可見，不同產(chǎn)品發(fā)電效率、余熱品位（溫度）相差較大，要分析與其相應的bchp的能效，只有火用效率才是合理的指標1，但這在計算上有些不便，為使分析可行，本文將在一定的熱（冷）、電負荷下進行不同方案的一次能消耗的分析比較。表1.幾種動力轉換設備的性能參數(shù) 項目參數(shù)內(nèi)燃機外燃機微燃機*sofc發(fā)電效率32-383015202550-60高溫余熱溫度（）520/550/700制冷系數(shù)*1.0/1.0/1.25低溫余熱溫度（）9050/9595/制冷系數(shù)*0.75/0.80.8/*理論估計值，根據(jù)直燃機高發(fā)溫度160度、cop較高值為1.35推算得到。*某公司熱水型溴冷機數(shù)據(jù)。*見bowman 公司產(chǎn)品介紹。4 兩種bchp技術的能效分析鑒于微型燃氣輪機和燃氣內(nèi)燃機在目前是較成熟的技術，因此本文著重討論基于這兩種技術的bchp技術：方案1 和方案4。設有一建筑物，其冷負荷為qc，自發(fā)電負荷為w。則依方案1的能量轉換方式可得：上式中，吸收式制冷機的性能系數(shù)；t燃氣輪機發(fā)電效率；吸收式制冷機補燃功率。設補燃功率制冷量為總冷負荷的x倍，即，則設燃氣內(nèi)燃機發(fā)電效率為e，壓縮式制冷機性能系數(shù)為，不考慮內(nèi)燃機余熱回收，則方案1的一次能消耗量及方案4的一次能