北京某游泳馆空调设计.doc

北京某游泳馆空调设计摘要： 根据游泳馆的建筑特殊性，指出了空调、通风方案的主要目的，并且分析了冬夏季负荷计算的具体方法，说明了空调能耗的特点，结合这个特点，采用热回收方式，提出了的空调方案。同时，以一个具体设计为实例，进行了能耗分析，与不采用热回收系统做了比较。 关键词： 游泳馆 负荷计算 热回收 节能1. 概述游泳作为一种竞技体育项目和人民大众体育活动，日益得到广泛的发展。作为开展这种体育活动的场所之一室内游泳馆，也在逐步发展，功能逐步完善。由于游泳馆具有特殊的建筑功能，因此，在空调负荷计算，空气处理方式，以及设备选择上都有不同于常规建筑的地方。2. 设计方案2.1 建筑特点室内游泳馆常年使用，并且功能相对单一，因此，室内的设计状态常年一致。由于其建筑功能，室内具有巨大的水面，水温基本不变。由于人员卫生要求，水体本身须循环处理，一般采用氯气消毒方式，室内空气氯气含量很高，室内的空气具有腐蚀性。2.2 空调、通风特点2.2.1 空调、通风要求由于氯气的毒性和腐蚀性，因此室内要保持一定的负压，因此要设置排风机。在空气处理过程中，不可采用常用的一次回风方式，因为含有氯气的回风会腐蚀设备。2.2.2 负荷特点室内由于湿负荷很大，且常年一致，因此，一年四季均须除湿。同时，由于室内状态基本不变，水面温度也基本恒定，水面和空气存在一定的温差，加之水面面积巨大，在冬季形成较大的显热损失，不可忽略。室内的负压要求，会产生很大的空气渗透，会带来很大的热、湿负荷，这点在计算负荷时也应根据实际情况，予以考虑。2.2.3 空调目的根据冬夏季室外状态的不同以及室内的空气状态，确定空调的方案，同时也用于判断各负荷是否可以做为设计裕量而忽略。冬季，室外温度低，空调的目的是保暖和除湿；夏季，室外温度高，湿度大，空调的目的是降温和除湿。2.2.4 能耗要求由于必须采用直流式系统，运行能耗是相当大的，因此要采用一定的节能措施，如采用热回收装置，可以节约能耗。根据热回收的机理不同，可以分为显热回收和全热回收两种，本例中采用全热回收方式，逆流换热。2.3 负荷计算负荷计算应该将控制范围内一切对室内温度和湿度产生作用的因素统一考虑，但是在实际分析和设计过程中，根据室内的具体情况和人员的接受程度，以及空调的目的不同，可以将某些负荷忽略，为实际运行提供更广阔的空间。2.3.1 夏季室内负荷夏季室内负荷包括四个方面，其中围护结构、人员、灯光等的常规冷负荷以及人员带来的湿负荷按照不稳定传热的方法计算，本文不再重复。由于室内负压产生的空气渗透，而带入的热、湿负荷，由于温差、湿差较小，可以忽略。空气向水面的传热，对于室内空气而言，本身是热量的散失，因此在夏季以降温为目的的空调计算中，这部分可以作为设计裕量，也不考虑。但是，水面向空气的传湿，大幅度的增加了室内的湿附和，应予详细计算。在计算水面向空气传湿量时，不宜按照一般手册中提供的池水蒸发量计算公式，其中：w1敞开水面湿负荷 （kg/h）f水槽蒸发面积（m2）g单位水面蒸发量（kg/(m2 h)）b当地大气压力（pa）因为该式是按照静止水面和较小风速计算的，在游泳池的环境下，水面会溅起很多水珠，使得水和空气的接触表面大大增加，同时也会增加和空气的相对速度，因此如果按照上述公式计算的传湿量比较保守，同时，在游泳池旁边，存在这较大面积的湿润地带，这也是该类建筑所特有的，这些地带的散湿量是很难详细计算的，笔者根据相关资料*，对于游泳池的传湿量，采用了对上述公式进行修正的计算方法；对于周边湿润地带也得到了较为实际的传湿量。两部分的计算公式如下：（1）池水蒸发量其中：c蒸发系数，取值0.037p1水面空气的水蒸汽分压力（pa）p2水表面温度的饱和水蒸汽分压力（pa）(2)周边湿润地区的传湿量其中：w2周边湿润地区的传湿量（kg/h）空气对水的对流换热系数（kj/m2 oc h）tg空气干球温度（oc）ts空气湿球温度（oc）湿球温度的汽化潜热（kj/kg）f湿润地带面积（m2）2.3.2 冬季室内负荷也包括四方面，当时此季节的空调要求是保暖和除湿。其中维护结构热负荷按照常规计算。冷风渗透部分，由于温差较大，应予计算，同时冷风渗透带入的干燥空气，可以作为冬季除湿的裕量忽略。空气向水面的显热传热则与空调目的一致，应予计算。第四项为水面向空气的传湿，以及带来的潜热热量。由于冬季和夏季的室内空气状态相同，水面状态也相同，因此冬季和夏季，水面以及周边湿润地带的传湿量也相同。2.4 空气处理过程2.4.1 处理原则首先，全年的送风量一致，并且送风和排风量相同，便于空气处理过程的控制和分析，其次，要确保除湿效果，把维持室内湿度放在重要位置。同时，为了设备简单，易于管理，冬季和夏季要采用相同的热回收设备。本例中采用转轮全热回收装置，这种热回收装置的效率一般在70%左右。2.4.2 计算步骤（1）冬夏季分别计算送风量，取较大值作为确定送风量。冬季：为了防止换热器结霜，应先将室外空气预热到一个较高的温度，一般取5 oc，根据热回收效率得到热回收器出口的空气状态，由热湿比线计算送风量。夏季：根据热湿比线及送风温差确定送风量。这里需要说明的是，当冬季风量较大的时候，夏季可采用再热方式，当夏季风量较大的时候，可以选取效率较高的换热设备，或者维持现状，偏于安全。（2）根据送风量确定送风状态点，分别确定处理过程。冬季：根据热湿比线得到送风状态点，确定二次加热量。这里需要注意的是，送风温度不可过高，一般控制在45 oc左右。夏季：根据换热器效率确定新风在表冷器前的状态点，确定冷机的装机容量。2.5 能耗分析根据能耗计算，冬季热回收效果比较明显，可以达到30%左右，夏季热回收效果低于冬季。但是冬季由于采用全热回收装置，会回收部分室内的水分。2.6 计算实例室内设计状态：tg=26 oc，=70%室外设计状态：夏季：tg=33.2 oc，ts=26.4 oc冬季：tg=-12 oc，=45%室内负荷：冬季：围护结构和冷风渗透：243.4kw 水面向空气的潜热传热：257.2 kw空气向水面的传热：128.6 kw夏季：475 kw湿负荷：370kg/h这里需要说明的是，夏季空气渗透带来的冷负荷为28.6 kw，湿负荷为19.8kg/h,分别占夏季室内冷负荷和湿负荷的6%，5%。计算得到风量为60000m3/h夏季空气处理过程：状态点室外热回收出口送风点室内温度（oc）33.229.41826含湿量（g/kg）18.617.311.516.5焓（kj/kg）81.57448.570.5冬季空气处理过程：状态点室外预热后热回收出口送风点室内温度（oc）-1252146.526含湿量（g/kg）0.511.511.516.5焓（kj/kg）6517670.5相对湿度45%2.7 小结2.7.1 系统采用直流式，并且进行热回收，加排风系统。2.7.2 整体处理方案为冬夏季风量一致，处理方式不同。2.7.3 冬季空调目的为升温降湿。2.7.4 夏季负荷计算中，空气向水面的显热传热量可以作为裕量。冬季负荷计算中，这部分应计入冷负荷，而由空气渗透带入的干燥空气的除湿量则可作为湿负荷计算的裕量。2.7.5 计算采用同一设备，效率各项一致。2.7.6 冬季空气进入全热回收设备前必须预热。2.7.7 冬季节能效果比夏季明显。*文中提及相关资料来自于张铁辉娱乐性游泳馆采暖通风设计若干问题的探讨（北京建筑设计研究院内部论文集），在此特别表示感谢。参考文献：几种bchp技术及其能源利用效率的简要分析摘要： bchp是能量梯级综合利用的技术，对于解决我国面临的环境、能源问题有重要作用。本文对bchp与传统空调用能方式的优缺点进行了分析，讨论了现有技术条件下几种bchp技术的性能和特点，对基于微型燃气轮机和燃气内燃机的bchp技术进行了分析，结果表明，在目前的技术水平下，当”以热定电”时，燃气内燃机方案较微燃机方案的一次能耗要低。 关键词： bchp 微型燃气轮机 燃气内燃机 以热定电1 引言能源、环境问题是中国实现可持续发展战略所面临的重大挑战之一，应对这一挑战，需要各行各业密切协作，在各自的领域里作出巨大努力，空调制冷业也不能例外。事实上近年来空调制冷业的发展，正在造成我国乃至全球能源、环境危机：空调用电不仅已成为城市能源消费最多的领域之一，还在夏季造成电网尖峰负荷，致使电力供应出现紧张局势；而空调在全球的使用也直接、间接地造成诸如大气臭氧层破坏，温室气体排放，城市热岛1等环境问题。因此，解决能源、环境问题，空调制冷行业有着不可推卸的责任，理应有所作为和贡献。提高设备性能虽然是解决问题的一个重要方面，但在空调使用飞速增长的中国，仅仅这样还远不够，必须从提高整个能源系统效率的角度出发，研究提高空调系统用能的高效化、清洁化，有效降低空调制冷能耗，减少环境污染，这是一个不可忽视的领域1,2，而bchp作为一种能量梯级综合利用的技术，可以在这方面发挥重要作用1,2,3，本文就几种bchp技术的能效作一初步分析。2 bchp的概念及其优越性bchp即楼宇冷热电联产，是building cooling, heating and power的缩写，其原理是：燃料（油、气等）先经热功或电化学过程转换为电力供建筑物使用，燃料发电后的余热则用于建筑物供热、空调等，如图1所示。而在传统的以电力为能源的空调系统中，高品质的能源在中国目前最主要的部份是煤首先以较低的效率被转换为“清洁的”二次能源电力，经输配电设施到建筑物，再经制冷制热设备转换为低品位的空调冷热源通常是冷水或热水，在此过程中能量不仅在质上贬值了高品位的能量被转换成了低品位的空调冷热水，且数量上也“减少了”：大部份排热因远离用户而作为废热与nox、so2、粉尘等污染物一起被排入大气，造成环境污染，如图2所示。比较上面两种空调用能模式可见，bchp的用能方式具有诸多优点：用能合理，实现了能量的梯级利用，减少了能量转化和利用过程中的不可逆损失；高效，燃料作功后的余热也得到充份利用；清洁，可使用天然气等清洁燃料；环保，燃气内燃机、燃气轮机、燃料电池均有低排放特点；分布式现场发电，提高供电可靠性。在当今中国，空调用电持续增加，而污染严重的矿物燃料煤又占能源消耗绝对多数比例，为缓解环境、能源问题，国家已启动了一系列天然气工程，预计未来天然气在能源消费中所占比例将有较大幅度提高。但我国是一个人均能源、资源稀少的国家，已探明天然气储量并不能满足国内能源需求，因此，应当尽可能高效、经济地使用，如bchp，cchp，dhc等等，使之在解决人口密集的城市的能源、环境问题方面有效发挥作用。3 几种bchp技术3.1 bchp的系统构成根据其功能，bchp系统可分为三个子系统：燃料电力转换及接入设备、空调冷热源热备、包括空气处理末端的空调系统。各子系统均有多种技术方案，各有特点。3.2 几种 bchp技术方案的性能特点3.2.1 微型燃气轮机余热溴化锂机组方案此方案中，微型燃气轮机（出力300kw以下）发电后的余热被直接用以驱动吸收式制冷机，制冷量不足时可补燃以增加冷机出力。目前小型燃机发电效率在30以下，国外有数家公司有商品化机组，国内也已开始投入力量进行研发。吸收式机组国内外均有生产厂家。此方案系统较简单，且不用氟利昂制冷剂，与建筑用能匹配也较容易。3.2.2 燃气内燃机余热投入型溴化锂机组方案在此方案中内燃机发电后的余热先进行回收，然后被导入直燃机用以预热溶液，减少燃料消耗量。燃气内燃机特别是带增压中冷的机组发电效率较高，目前在30-42间，依机组容量而异。冷（热）负荷较低时，也可仅以排热驱动制冷机。3.2.3 高温燃料电池余热溴化锂机组方案燃料电池是将燃料化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺定律的限制，有很高的发电效率（50-79）。sofc（固体氧化物燃料电池）和mcfc（熔融碳酸盐燃料电池）可直接以天然气作燃料发电4，不仅发电效率高，且排热温度高，可达750，用以驱动吸收式制冷机，可获得较高的能效比。此方案因发电效率高，排热相应较少，也需要补燃才可提供足够冷量。3.2.4 燃气内燃发电机压缩式制冷这是一个无吸收式制冷技术的方案。燃气机除用以发电外，还可用以直接驱动蒸汽压缩式制冷机或热泵，也可以发电后驱动电动制冷机组，依建筑物需要而定。燃气机的余热可作各种用途，包括用于除湿干燥，这可以提高制冷机出水温度，使制冷机组能效比大幅提高；在热泵应用中则可以提高制热量，使之在外界环境温度下降时仍能维持一定的制热量。因燃气机热效率较高，这个方案的一次能利用效率也是较高的。除以上方案外，还可能有其它方案的组合，而其它技术如pafc（磷酸型燃料电池）、pemfc（质子交换膜燃料电池）也是合适的bchp动力设备，在此不一一述及。下表列出了国内外知名厂家如康明斯，卡特彼勒，宝曼等的发电机组所能达到的性能。由表可见，不同产品发电效率、余热品位（温度）相差较大，要分析与其相应的bchp的能效，只有火用效率才是合理的指标1，但这在计算上有些不便，为使分析可行，本文将在一定的热（冷）、电负荷下进行不同方案的一次能消耗的分析比较。表1.几种动力转换设备的性能参数 项目参数内燃机外燃机微燃机*sofc发电效率32-383015202550-60高温余热温度（）520/550/700制冷系数*1.0/1.0/1.25低温余热温度（）9050/9595/制冷系数*0.75/0.80.8/*理论估计值，根据直燃机高发温度160度、cop较高值为1.35推算得到。*某公司热水型溴冷机数据。*见bowman 公司产品介绍。4 两种bchp技术的能效分析鉴于微型燃气轮机和燃气内燃机在目前是较成熟的技术，因此本文着重讨论基于这两种技术的bchp技术：方案1 和方案4。设有一建筑物，其冷负荷为qc，自发电负荷为w。则依方案1的能量转换方式可得：上式中，吸收式制冷机的性能系数；t燃气轮机发电效率；吸收式制冷机补燃功率。设补燃功率制冷量为总冷负荷的x倍，即，则设燃气内燃机发电效率为e，压缩式制冷机性能系数为，不考虑内燃机余热回收，则方案1的一次能消耗量及方案4的一次能