2010-09-07 14:18:09 作者： 來源：建筑環(huán)境與設(shè)備 第43期
【 文章轉(zhuǎn)載請注明出處 】
上海世博文化中心是世博園區(qū)永久性建筑之一，秉承了上海世博會“城市，讓生活更美好”的綠色主題。設(shè)計按照3R(Reduce，Reuse & Recycle)原則，以“建筑、環(huán)境與人的和諧互動”作為核心理念，嚴(yán)格參照《綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)》，采用了江水源熱泵系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)、可再生環(huán)?？照{(diào)冷熱源、高效低泄漏制冷劑、氣動垃圾回收系統(tǒng)、空調(diào)凝結(jié)水與屋面雨水收集系統(tǒng)、程控型綠地節(jié)水灌溉系統(tǒng)等節(jié)能環(huán)保技術(shù)，實現(xiàn)了新能源利用、節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、資源回收和再利用的統(tǒng)籌安排，使得文化中心成為名副其實的綠色建筑，并于2009年11月獲得國家“三星級綠色建筑設(shè)計標(biāo)識”[1]。
工程概況(一級)
冷熱源系統(tǒng)(二級)
世博文化中心在世博會期間為24小時運行，占地面積6.7萬平方米，總建筑面積14萬平方米，其中地上為單層的18,000座多功能劇場及環(huán)繞主場館的周邊六層建筑，地下為兩層建筑。夏季空調(diào)最大設(shè)計冷負(fù)荷為14950kW(4250Rt)，冷負(fù)荷指標(biāo)為119W/m2;冬季空調(diào)最大設(shè)計熱負(fù)荷為9200kW，熱負(fù)荷指標(biāo)為74W/m2。
文化中心毗鄰黃埔江邊，根據(jù)水文資料，黃埔江水表層溫度夏季為26~32℃，中下層水溫只有15~22℃;冬季表層最低溫度為3~8℃，中下層水溫為10~15℃[2]。江水的溫度特性使得黃浦江水成為水源熱泵的理想熱源，不過由于江水水質(zhì)屬于V類，水中雜質(zhì)比較多，需要使用防腐措施，但是結(jié)合世博園區(qū)的水過濾系統(tǒng)恰好可以滿足需求。
考慮到本項目夏季冷負(fù)荷比冬季熱負(fù)荷大很多，而夜間冷負(fù)荷需求又較小的特性，世博文化中心采用了江水源熱泵和冰蓄冷空調(diào)相結(jié)合的方案。夏季夜間在滿足冷負(fù)荷需求同時可以利用夜間低谷電力蓄冰，日間電力高峰時使用蓄冰的冷量和江水源熱泵機(jī)組聯(lián)合運行，實現(xiàn)日間的冷量供應(yīng)。冬季江水源熱泵制熱可滿足約55%總熱負(fù)荷量，其余使用鍋爐輔助制熱。
該系統(tǒng)配置共采用了5臺三級壓縮離心式冷水機(jī)組，其中3臺為650Rt的江水源雙工況蓄冰離心式冷水機(jī)組，另2臺為650Rt的江水源熱泵離心式冷水機(jī)組。夏季供空調(diào)冷水6℃/13℃，采用了大溫差小流量方案，進(jìn)一步節(jié)省運行費用;冬季則提供40℃/45℃的空調(diào)熱水。
三級壓縮離心式冷水機(jī)組(二級)
本項目采用的三級離心式冷水機(jī)組，能提供超常壓頭和超常的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，不僅冬季可以提供高溫?zé)崴?，而且夏季也可以實現(xiàn)制冰工況與制冷工況的安全切換，這是常規(guī)的單級離心式冷水機(jī)很難完成的。另外與螺桿機(jī)組蓄冰相比，離心機(jī)具有單機(jī)制冷量大、效率高的優(yōu)點，不僅能節(jié)省工程的初投資，而且還可以節(jié)約系統(tǒng)的運行費用，其投資回收年限遠(yuǎn)短于螺桿機(jī)。
世博文化中心采用的三級壓縮式離心機(jī)組為電機(jī)與壓縮機(jī)直接傳動，無齒輪傳動的損耗，機(jī)組運行可靠，且具有變流量補償功能，其變流量范圍更寬廣，極其適合應(yīng)用于大溫差小流量系統(tǒng)，這樣進(jìn)一步節(jié)省了冷水系統(tǒng)整體運行能耗。
世博文化中心采用的三級壓縮式離心機(jī)組使用了環(huán)境友好型制冷劑 R123。根據(jù)國標(biāo)《制冷劑編號方法和安全性分類》新版GB/T 7778-2008的定義， R123和R134a都是環(huán)境友好型的制冷劑，都可以在美國綠色建筑協(xié)會的LEED評價標(biāo)準(zhǔn)中獲得評分。但是R123采用負(fù)壓運行，冷媒泄漏量小,從臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、高效節(jié)能、短的大氣壽命等幾個方面綜合評價，R123機(jī)組對環(huán)境的綜合影響要比R134a機(jī)組小。
江水源冰蓄冷系統(tǒng)(二級)
本項目中的冰蓄冷系統(tǒng)采用了3臺三級壓縮離心式冷水機(jī)組，單臺空調(diào)工況(6℃/13℃)制冷量為2286kW(650Rt)COP=5.1，制冰工況(-2.3℃/-5.6℃)制冷量為1498kW(426Rt)COP=4.4;蓄冰裝置總蓄冰量為32000kWh(9098Rth)，占設(shè)計日空調(diào)總冷量的20%。載冷劑采用體積比為25%的乙二醇溶液。
冰蓄冷系統(tǒng)在控制上采用了成熟的分量蓄冰，設(shè)計采用主機(jī)優(yōu)先的運行策略，部分負(fù)荷時可融冰優(yōu)先運行。
空調(diào)冷卻水直接使用分級過濾處理后的江水，減少了污垢，提高了換熱效率。同時，機(jī)組換熱器中采用銅鎳合金管，加強了防腐功能，并配備自動清洗裝置，提高了機(jī)組長期運行的可靠性和性能穩(wěn)定性。
江水源熱泵系統(tǒng)(二級)
本項目的江水源熱泵系統(tǒng)采用了2臺2286kW(650t)三級壓縮離心式熱泵冷水機(jī)組，夏季江水設(shè)計溫度為30℃/35℃，提供6℃/13℃的空調(diào)冷水，COP=5.1;冬季江水設(shè)計溫度為6.77℃/3℃，提供40℃/45℃的空調(diào)熱水，COP=4.1。從以上參數(shù)可以看出機(jī)組制冷能效并不突出，其節(jié)能優(yōu)勢在于供熱工況。由于冬季大部分運行時間均優(yōu)于設(shè)計工況，全年綜合考慮其節(jié)能效果明顯。
為了減少換熱損失和避免水系統(tǒng)污染，考慮到熱泵機(jī)組換熱器的特點，熱泵機(jī)組采用閥門切換方式而雙工況機(jī)組則不切換(見表3)。
表 3 江水源機(jī)組水源切換方式
江水源熱泵機(jī)組在夏季和冰蓄冷機(jī)組聯(lián)合供冷，約占設(shè)計冷負(fù)荷的40%;冬季由于江水溫度較低，為保證供熱品質(zhì)，采用熱泵機(jī)組和鍋爐聯(lián)合供熱，熱泵機(jī)組供熱量約為設(shè)計負(fù)荷的55%。
設(shè)計日負(fù)荷平衡表見圖1 和 圖2。
圖 1 夏季設(shè)計日100%負(fù)荷平衡表
圖 2 冬季設(shè)計日100%負(fù)荷平衡表
能效評價(一級)
為分析聯(lián)合運行的經(jīng)濟(jì)性，將本項目與常規(guī)方案(離心式冷水機(jī)組與鍋爐供熱)進(jìn)行對比。
表 4 冷熱源方案基本配置
常規(guī)方案中，夏季采用離心式冷水機(jī)組供冷，冷凍水7/12℃，冷卻水32/37℃,COP5.1;冬季使用燃?xì)忮仩t供熱，熱水40/45℃。
兩方案均采用同品牌水冷離心機(jī)組，初投資比較見下表。
表 5 初投資比較 (萬元)
圖 3 全年運行費用比較 (萬元)
系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)[冷水機(jī)組(冷卻塔)+ 燃?xì)忮仩t]相比，夏季運行節(jié)電約202500kWh，相當(dāng)于節(jié)煤82噸;冬季節(jié)煤約139噸，節(jié)能效果明顯。
總結(jié)初投資和運行費用，方案總體比較結(jié)果如下：
表 6 方案總體比較 (萬元)
綜上所述，江水源熱泵和冰蓄冷離心式冷水機(jī)組聯(lián)合運用方案與常規(guī)系統(tǒng)相比，盡管蓄冰槽和江水處理設(shè)備的初投資較大，但由于運行費用節(jié)省，在5年內(nèi)的時間就可以回收投資差額。而在機(jī)組的15年設(shè)計運行年限內(nèi)，方案二比方案一節(jié)省運行費用3380多萬元，節(jié)能效果顯著。
結(jié)論(一級)
空調(diào)冷熱源系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)備與技術(shù)對建筑能耗水平和綠色建筑等級有重要影響。上海世博文化中心針對負(fù)荷特點和周邊環(huán)境合理利用了江水源熱泵和冰蓄冷技術(shù)，采用了單機(jī)制冷量大，效率高的三級壓縮離心式冷水機(jī)組，使得空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能和節(jié)約運行費用方面表現(xiàn)優(yōu)異，減少了中心空氣調(diào)節(jié)器冷熱源系統(tǒng)的綜合能量電功率損耗比，緩解了城市局部區(qū)域的“熱島”效應(yīng)。采用三級離心式機(jī)組的江水源熱泵和冰蓄冷技術(shù)的聯(lián)合系統(tǒng)可以在5年內(nèi)回收投資差額。如何進(jìn)一步節(jié)省初投資和運行費用，提高系統(tǒng)全年應(yīng)用效率需要繼續(xù)研究實踐。
