摘要

介紹了青島華潤萬象城城市綜合體項目空調(diào)冷熱源系統(tǒng)、冷水輸配系統(tǒng)、空調(diào)水系統(tǒng)及冰場空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計。比較了冰蓄冷方案與常規(guī)冷水機組方案。分析了分布式二級泵冷水輸配系統(tǒng)的節(jié)能性，以及一級泵二級泵均變頻系統(tǒng)的控制策略與實際運行效果。

關(guān)鍵詞

城市綜合體 冷熱源 冷水輸配系統(tǒng) 空調(diào)系統(tǒng) 水系統(tǒng) 冰蓄冷 變頻控制

作者

青島騰遠設(shè)計事務(wù)所有限公司 曲秋波 曲志光 梁斌 王勁松

1 工程概況

青島華潤中心萬象城、公寓及寫字樓項目是集高端商業(yè)、餐飲娛樂、辦公、會所及高檔酒店式公寓于一體的城市綜合開發(fā)項目。項目位于青島市市南區(qū)山東路6號，緊鄰青島市政府，東靠山東路，南鄰香港路，是目前全國規(guī)模最大、業(yè)態(tài)組合最豐富的城市綜合體之一。項目總建筑面積52.7萬m2，其中商業(yè)建筑面積約44.2萬m2，辦公樓建筑面積約6.0萬m2，公寓樓建筑面積約2.5萬m2。商業(yè)主體地下3層，地下深度17.8 m，地上共7層，建筑高度為46.3 m。辦公塔樓40層，建筑高度為177.7 m。公寓塔樓34層，建筑高度為124.9 m。

2 商業(yè)冷熱源系統(tǒng)方案與技術(shù)經(jīng)濟分析

2.1 設(shè)計參數(shù)

2.1.1 青島室外主要計算參數(shù)

夏季室外計算干球溫度：空調(diào)29.4 ℃，通風(fēng)27.3 ℃；夏季室外計算濕球溫度：26.0 ℃；冬季室外計算干球溫度：空調(diào)-7.2 ℃，通風(fēng)-0.5 ℃，供暖-5.0 ℃；冬季空調(diào)室外計算相對濕度：63%；冬季供暖期：11月15日至4月4日，共141 d。

2.1.2 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)（見表1）

2.1.3 商業(yè)空調(diào)冷熱負荷

萬象城商業(yè)空調(diào)面積約17.28萬m2，空調(diào)冷負荷共計32 673 kW，空調(diào)熱負荷共計21 880 kW?？照{(diào)面積冷指標(biāo)為189.1 W/m2，空調(diào)面積熱指標(biāo)為126.6 W/m2。

2.2 項目周邊能源情況

項目市政配套管線主要從周邊道路引入，燃氣管線引自山東路現(xiàn)狀中壓燃氣管道，熱力管線一路引自江西路華電熱力，沿規(guī)劃海門路引至區(qū)內(nèi)各換熱站，另一路引自山東路新設(shè)熱力管線，沿規(guī)劃閩江路引至區(qū)內(nèi)各換熱站。

可選擇的可再生能源利用形式有地源熱泵與海水源熱泵，但紅線范圍內(nèi)無足夠的地埋井布置面積，且項目與大海之間相隔2條主要市政道路，無法敷設(shè)海水取水管路，因此地源熱泵和海水源熱泵均不適合本項目。

考慮到本項目的性質(zhì)和特點，可采用的冷源有水冷冷水機組及冰蓄冷系統(tǒng)，下文對這2種冷源形式進行比較分析，其中冰蓄冷系統(tǒng)考慮3種方案（15%、25%、35%蓄冰量）。

2.3 冰蓄冷系統(tǒng)方案與水冷冷水機組方案的比較

由于辦公樓與公寓采用了分體空調(diào)方案，因此只對商業(yè)部分進行方案比較分析。商場營業(yè)時間為10：00—22：00，影院營業(yè)時間為10：00至次日02：00，制冷機組開機時間為09：00，商業(yè)部分的尖峰冷負荷為36 289 kW，商業(yè)供冷期從5月中旬至10月中旬，共154 d。設(shè)計日逐時冷負荷見圖1。

2.3.1 常規(guī)制冷系統(tǒng)與冰蓄冷系統(tǒng)設(shè)備配置

常規(guī)制冷系統(tǒng)配置5 274 kW冷水機組6臺，2 285 kW冷水機組2臺。

冰蓄冷系統(tǒng)基載主機容量按照滿足制冰時段商場冷負荷選取，同時還要滿足與雙工況主機與及冰蓄冷共同承擔(dān)尖峰冷負荷的需求；雙工況機組容量按照蓄冰量配置。各種冰蓄冷方案設(shè)備配置如表2所示。

2.3.2 運行費用比較

1）青島市供電系統(tǒng)對商業(yè)項目的電價政策如表3所示。

2）常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)制冷機房運行費用。

在計算年運行費用時，85%~100%設(shè)計負荷日用電量按照100%設(shè)計負荷日用電量計算，60%~85%設(shè)計負荷日用電量按照75%設(shè)計負荷日用電量計算，30%~60%設(shè)計負荷日用電量按照50%設(shè)計負荷日用電量計算，小于等于30%設(shè)計負荷日用電量按照25%設(shè)計負荷日用電量計算。供冷季負荷曲線圖見圖2。常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)年運行費用見表4。

3）冰蓄冷方案運行費用。

每日冷負荷高峰段（13：00—18：00）與電價平價時段重合，此時段基載主機與雙工況主機優(yōu)先運行，冰蓄冷系統(tǒng)釋冷補充，在電價尖峰時段（6—8月實施）與電價高峰時段，冰蓄冷系統(tǒng)釋冷與主機聯(lián)合供冷，在電價低谷時段（23：00至次日07：00），雙工況主機蓄冰模式運行。3種冰蓄冷方案100%負荷日運行策略見圖3，年運行費用見表5。

2.3.3 2種系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較（見表6）

根據(jù)上述分析，因萬象城白天與夜間冷負荷相差較大，采用冰蓄冷系統(tǒng)對于節(jié)約系統(tǒng)運行費用及在拉閘限電的條件下保證系統(tǒng)的供冷能力十分有利。但是，尖峰時段電價僅為低谷時段電價的3.77倍，且按照青島的自然氣候條件，供冷時長短，主要集中在7—9月，年運行費用節(jié)約有限，3種冰蓄冷方案的投資回收期均在14 a以上，蓄冷量越大，投資回收期越長。故從經(jīng)濟性角度出發(fā)，不建議采用冰蓄冷系統(tǒng)。

2.4 萬象城商業(yè)冷熱源方案

1）商業(yè)空調(diào)系統(tǒng)冷源。萬象城購物中心制冷機房位于地下2層，共設(shè)置5臺6 984 kW（10 kV高壓配電）變頻離心主機（其中1臺為商業(yè)二期預(yù)留，僅預(yù)留位置與電量）與2臺1 758 kW定頻離心主機。冷水供/回水溫度為6 ℃/12 ℃，冷卻水供/回水溫度為36 ℃/31 ℃，冷卻塔配置雙速電動機及高效換熱填料擋水板。商業(yè)冷源系統(tǒng)原理圖見圖4。

2）冷卻塔免費供冷系統(tǒng)。在冬季和過渡季工況下，可利用冷卻塔的自然冷卻能力為系統(tǒng)提供冷水，冬季和過渡季為需要常年供冷的商業(yè)內(nèi)區(qū)提供免費冷源。萬象城購物中心共配置7臺冷卻塔；冷卻塔設(shè)置在6層商場屋面上，冷卻塔供/回水溫度為7 ℃/10 ℃。當(dāng)室外濕球溫度降到4 ℃時，進入免費供冷模式，4臺6 984 kW主機對應(yīng)的冷卻塔運行，全年室外濕球溫度低于4 ℃的天數(shù)為68 d。另外，這4臺免費供冷的冷卻塔水盤各配輔助電加熱器（6 kW，6組），以維持水盤溫度不低于4 ℃。2臺冷卻水泵在免費供冷時為變流量運行，維持單臺冷卻塔水量為夏季水量的40%~50%。

3）電影院冷源?？紤]到電影院營業(yè)時間的特殊性，采用獨立冷源，單獨設(shè)置風(fēng)冷冷水機組。

4）商業(yè)空調(diào)系統(tǒng)熱源。熱源為市政熱網(wǎng)提供的110 ℃/70 ℃熱水，采用3組水-水板式換熱器（每組含3臺換熱器）、3組熱水循環(huán)水泵（每組設(shè)有3臺水泵，兩用一備），分別為3個商業(yè)區(qū)域（A、B、C區(qū)，見圖5）空調(diào)系統(tǒng)提供60 ℃/45 ℃熱水；商業(yè)入口地板供暖系統(tǒng)單獨設(shè)1臺換熱器和2臺循環(huán)水泵（一用一備），為地面輻射供暖系統(tǒng)提供55 ℃/45 ℃熱水，換熱器及水泵等設(shè)備均設(shè)置在地下3層商業(yè)換熱站內(nèi)。熱源系統(tǒng)原理圖見圖6。

3 空調(diào)冷水輸配系統(tǒng)

本項目商業(yè)單層面積較大，內(nèi)區(qū)店鋪需要常年供冷，空調(diào)水系統(tǒng)采用四管制。冷水輸配系統(tǒng)采用一級泵、二級泵均變頻的分布式二級泵系統(tǒng)，二級泵分布于各負荷中心附近。萬象城商業(yè)部分共布置5組二級泵，其中A區(qū)布置1組，B區(qū)與C區(qū)各布置2組，每組設(shè)3臺水泵（兩用一備）。一級泵與二級泵之間采用設(shè)在地下3層管廊內(nèi)（見圖7）的環(huán)網(wǎng)連接，環(huán)網(wǎng)管徑DN700，在水管環(huán)網(wǎng)的重要節(jié)點配設(shè)分區(qū)水閥，當(dāng)其中一段管段故障時，可通過關(guān)斷相應(yīng)的閥組檢修而不影響其他環(huán)路的運行，以提高系統(tǒng)可靠性。

分布式二級泵系統(tǒng)與集中式二級泵系統(tǒng)相比，有以下優(yōu)勢：

1）分布式二級泵系統(tǒng)更節(jié)能。首先，分布式二級泵采用環(huán)管連接，環(huán)管設(shè)置在管溝內(nèi)，不做變徑，從圖8與圖9可以看出，距離制冷機房越遠，干管的比摩阻越小，相比集中式二級泵系統(tǒng)，降低了各環(huán)路的沿程阻力，降低了二級泵揚程。其次，分布式二級泵安裝于各負荷區(qū)域的中心，降低了平衡閥消耗的壓頭，避免了壓力浪費。以C區(qū)為例，當(dāng)二級泵集中布置時，水壓圖見圖10，離制冷機房最近的環(huán)路需要平衡閥消耗掉的壓頭為c段壓降，分布式二級泵系統(tǒng)C區(qū)水壓圖（如圖11所示）中離二級泵最近的環(huán)路平衡閥消耗掉的壓頭為a段壓降，小于圖10中的c段壓降。與集中式二級泵系統(tǒng)相比，分布式二級泵系統(tǒng)的二級泵配電容量降低約25%，節(jié)省了二級泵初投資與運行費用，進一步實現(xiàn)了節(jié)能。

2）分布式二級泵系統(tǒng)更節(jié)省安裝空間。傳統(tǒng)集中式二級泵系統(tǒng)的二級泵均布置在制冷機房，水管數(shù)量多，占用安裝空間大，影響層高；分布式二級泵系統(tǒng)可利用地下3層沿著建筑外墻側(cè)預(yù)留的可環(huán)通的機電安裝空間布置管線（見圖12），節(jié)省了整個地下3層的管線安裝空間。

3）分布式二級泵系統(tǒng)因設(shè)置了環(huán)管而提高了系統(tǒng)的可靠性。主輸配系統(tǒng)沿著地下3層外墻環(huán)廊呈環(huán)形布置，在重要位置設(shè)關(guān)斷閥門，降低了系統(tǒng)壓降，提高了系統(tǒng)的可靠性。

4 一級泵二級泵雙變頻系統(tǒng)控制策略

當(dāng)制冷機供水溫度高于設(shè)定值1 ℃且持續(xù)一定時間時，加開1臺制冷機。根據(jù)流量和供回水溫差，計算實際制冷機輸出的冷量，當(dāng)輸出冷量與制冷機滿負荷冷量的差額大于等于1臺制冷機的制冷量時，可以關(guān)閉1臺制冷機。通過檢測一級泵環(huán)路總水流量與二級泵環(huán)路總水流量，控制一級泵流量不低于二級泵回路總流量，避免旁通管出現(xiàn)盈虧，降低一級泵與制冷機能耗。

5 冰場空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

商場設(shè)有室內(nèi)娛樂冰場，冰場位于4層，豎向跨越4~6層，室內(nèi)吊頂下凈高約18 m，冰場冰面面積約1 600 m2。冰場空調(diào)系統(tǒng)采用一次回風(fēng)空調(diào)機組2臺，夏季送風(fēng)量按照室內(nèi)濕負荷與冷負荷計算，送風(fēng)溫度高于室內(nèi)露點溫度，由于冰場處于開敞環(huán)境，送風(fēng)量需滿足3 h-1換氣次數(shù)。冷熱源采用購物中心集中冷熱源提供的6 ℃/12 ℃冷水及60 ℃/50 ℃熱水，夏季再熱熱源采用冰場制冰機組冷卻水。夏天冰場制冰機組是指維持冰場冰面低溫的制冷機組。空調(diào)機組由多個功能段組成，依次為新風(fēng)段、新風(fēng)過濾段、新風(fēng)預(yù)熱盤管段、新風(fēng)預(yù)冷盤管段、混風(fēng)段、冷水盤管段、熱水盤管段、再熱盤管段、送風(fēng)段。冰場夏季空氣處理過程見圖13，新風(fēng)經(jīng)預(yù)冷盤管段由W點預(yù)冷除濕至B點，在混風(fēng)段與室內(nèi)狀態(tài)點A回風(fēng)混合至C點，經(jīng)過冷水盤管段降溫除濕至D點，經(jīng)再熱盤管段加熱至送風(fēng)狀態(tài)點E。送風(fēng)口設(shè)置在冰場頂部，為避免氣流直接吹向冰面，風(fēng)口布置在送風(fēng)管的側(cè)面，采用側(cè)送形式，風(fēng)口距離冰面約18 m，回風(fēng)口設(shè)置在4層頂部（見圖14），側(cè)回風(fēng)。冰場冬季利用室外新風(fēng)對室內(nèi)空氣進行除濕，空氣處理過程如圖15所示，室外新風(fēng)經(jīng)預(yù)熱盤管段由W點處理到B點，在混風(fēng)段與室內(nèi)狀態(tài)點A回風(fēng)混合至C點，經(jīng)熱水盤管段加熱至O點，送入室內(nèi)。

6 設(shè)計總結(jié)與思考

1）本項目對電制冷冷水機組方案與冰蓄冷3種配置方案進行了比較，冰蓄冷方案的投資回收期均在14 a以上，從技術(shù)經(jīng)濟角度出發(fā)，選擇電制冷冷水機組作為冷源。項目2015年竣工并投入使用，運行至今效果良好。在實際運行中，冷水機組全部開啟的概率非常低，表明夏季冷負荷計算各區(qū)域同時使用系數(shù)可進一步降低。

2）本項目冷水輸配系統(tǒng)采用一級泵二級泵均變頻的分布式二級泵系統(tǒng)，二級泵安裝于各負荷中心附近，一級泵與二級泵之間采用環(huán)網(wǎng)連接。一級泵二級泵均變頻的系統(tǒng)在實際項目中應(yīng)用較少，本項目在運行初期存在較嚴(yán)重的旁通逆向混水現(xiàn)象，混水導(dǎo)致二級泵冷水供水溫度升高，末端制冷能力下降，水泵與冷水機組能耗升高。解決方法：通過進行水力平衡調(diào)試，控制一級泵及二級泵運行頻率，使得二次側(cè)流量與一次側(cè)流量持平或略小，消除逆向混水，保證二級泵供水溫度。研究表明，制冷量不足是逆向混水的根本原因，商場早上運營時增加冷水機組開啟臺數(shù)、降低供水溫度，解決了早上開機過程易出現(xiàn)的逆向混水問題。經(jīng)過精心調(diào)試后，制冷機房全年綜合能效比EER達到4.65，被評為“中國好建筑”示范項目，山東省首批公共建筑“節(jié)約之星”，國家“十三五”公共建筑節(jié)能課題示范工程，山東省、住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計劃項目。

3）由于項目餐飲業(yè)態(tài)較多，冬季排油煙補風(fēng)機不開啟或者補風(fēng)量達不到原設(shè)計的90%，加劇了公共區(qū)域中庭的“煙囪”效應(yīng)，出現(xiàn)了冬季底層步行街負壓的狀態(tài)，造成1層步行街冬季室外冷空氣侵入，室內(nèi)溫度偏低。經(jīng)過加大對餐飲租戶補風(fēng)機的檢測與控制力度，并檢查圍護結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性，加強豎向排煙風(fēng)道出口的封閉等措施，有效改善了冬季底層的負壓狀態(tài)，降低了冷風(fēng)侵入，提高了底層步行街的室內(nèi)溫度。

4）冰場空調(diào)利用集中冷源進行除濕，實際運行中空調(diào)冷水溫度大多數(shù)時間高于設(shè)計值6℃，直接影響到冰場空調(diào)機組的除濕效果，如果降低冷水溫度，會降低冷水機組的COP，增加運行成本。冰場除濕空調(diào)應(yīng)盡量選用獨立冷源，可在不影響大系統(tǒng)運行成本的前提下，降低冷媒溫度，提高空調(diào)除濕量，降低冰場室內(nèi)濕度。

本文引用格式：曲秋波，曲志光，梁斌，等．青島華潤萬象城項目暖通空調(diào)設(shè)計分析［Ｊ］．暖通空調(diào)，2022，52（1）：30-35，93．