上海锦运大厦空调系统冷热源设计文献综述
2020-05-28 06:58:48
能源是人类赖以生存的要素之一,经济、能源、环境的协调发展是实现中国现代化的重要前提。据预测我国能源供需缺口将越来越大。改革开放以来,我国综合国力和人民生活水平大大提高,但能源短缺的问题存在。在建筑能耗中,空调能耗尤其值得关注。而空调冷热源的选择对空调能耗具有重要意义。
电驱动的冷水机组制冷,锅炉制热是一种常见的冷热源方案。冷水机组由压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器还有一些辅助设备构成。制冷剂在压缩机、冷凝器、节流装置和蒸发器等热力设备中进行压缩、放热冷凝、节流和吸热蒸发四个主要热力过程实现制冷循环,达到制冷效果。它的初投资较低,但冷却塔有噪声且能源消耗量大。
溴化锂制冷技术在我国起步于20世纪60年代,1982年国内试制成功第一台蒸汽双效机组。1990年,北京亚运村首次大面积使用了溴化锂吸收式双效制冷机组,并取得了良好的效果,推动了溴化锂吸收式冷水机组在国内的发展。机组的工作原理与蒸汽压缩式制冷机原理一样都是利用液体相变过程形成的制冷循环。不同之处在于蒸汽压缩式制冷是消耗机械能或电能使热量从低温物体转移到高温物体,而溴化锂吸收式制冷是利用热能完成这一过程。溴化锂吸收式冷水机组的能源可以是蒸汽、热水、燃油或燃气,与电驱动的蒸汽压缩式冷水机组相比,它的耗电量少。机组以溴化锂溶液为工质,真空运行,安全、环保。但是机组的排热量大,因为冷气蒸汽的冷凝和吸收过程都是排热的过程,因此对冷却水水质的要求比较高。
采用地源热泵是节约资源和改善环境的有效途径。20世纪50年代初,英国安装了用于住宅供暖的地源热泵系统。1974年欧洲开始了30个工程开发研究项目,发展了地源热泵的设计方法、安装技术并积累经验。1971年至1978年,美国进行了多种形式的地埋管测试,并引进太阳能集热器组成混合地源热泵系统。近十多年来各种形式的地源热泵在美国得到了迅速发展。我国地源热泵研究工作开始于20世纪80年代初,天津大学和天津商学院率先在地源热泵方面进行了一系列理论和试验的研究,天津商学院是国内最早研究地源热泵在夏季空调上应用单位。
地源热泵利用了地下土壤的浅层地温能,冬季将地下土壤的部分热量转移到室内供热,夏季将室内热量转移到地下土壤,一个年度形成一个冷热循环,现能减排的功能。对机组运行时的冷凝热进行回收,可制取生活热水,集采暖、空调和生活热水为一体。利用温度稳定的土壤换热,运行效率高。地源热泵是一项清洁可再生的能源应用技术,地表浅层土壤和水体是一个巨大的太阳集热器,收集了近47%的太阳能量,同时也是一个巨大的动态能量平衡系统,自然保持能量吸收发散的相对平衡,地源热泵技术能成功的利用储藏其中的热能。地源热泵以电为动力,运行时不产生对环境有害的物质,且耗电量相对较少。它的不足之处在于初投资高,水井换热占用地下面积大,效果受土壤结构影响大,维护不方便等。地源热泵可以和冰蓄冷相结合,既节能又省电费。
以沛县某医院为例,建筑层数5层,地下一层,地上4层,地下建筑面积9257.08m2,地上建筑面积27934.78m2,冷负荷为3352.20KW,热负荷为1620.20KW。使用地源热泵,初投资790.66万元,运行费用172.55万元。若采用冷水机组加电锅炉,初投资355.47万元。运行费用369.02万元。运行三年后,地源热泵费用低。
空气源热泵工作原理与地源热泵相似,只是空气源热泵是用空气作为热泵的低位热源。空气取之不尽,用之不竭,无处不在,空气源热泵的安装和使用也比较方便。但空气的比热容小,需要大量的空气来获得足够的热量,相应的风机的风量就要增大,导致空气源热泵的噪声增大。室外空气状态随地区和季节不同,这对热泵的供热能力有很大影响。冬季当室外温度很低时,室外换热器中工质的蒸发温度也很低。当室外换热器表面温度低于空气温度的露点温度且低于0℃时,换热器表面就会结霜,换热器的传热能力下降,使得热泵的供热能力下降。
20世纪70年代以来,世界范围内的能源危机促使蓄冷技术迅速发展。美国、加拿大和欧洲一些国家重新将蓄冷技术引入建筑空调,积极开发蓄冷设备和系统,实施的工程项目也逐年增多。我国从20世纪90年代初,开始建造水蓄冷和冰蓄冷空调系统。
冰蓄冷利用冰的相变潜热进行冷量的储存。以盘管式蓄冷系统为例,其蓄热过程为,夜间乙二醇载冷剂通过冷水机组和冰筒与旁通构成制冷循环,此时溶液出水温度是-3.3℃。经盘管将冷量转移给冰筒内的水,使水结冰,回水温度为0℃。融冰放冷流程为,白天制冷剂液体经蓄冰筒和并联旁通,通过设定出水温度调节阀控制蓄冰筒流量与并联旁通流量的比例,使出水温度达到设定值。然后经换热系统将冷凉并入常规空调系统管网中,或以大温差送风的方式直接送入空调使用。目前峰谷电价的不断完善将为蓄冷技术的迅速发展创造良好的外部经济环境。另外,采用蓄冷空调技术移峰填谷,有利于提高电网的负荷率,也有利于电网的安全经济运行。冰蓄冷系统与低温送风末端结合,由于输送冷水温度较低,系统管网、水泵以及整个送风系统等尺寸、容量大大减少,设备费用降低。安装过程中的工作量和材料消耗量也相应降低。同时,建筑物的可用空间也随之增大。可见,冰蓄冷系统与低温送风系统相结合在初投资上可与常规空调系统相竞争,在分时电价的结构下,运行费用要比常规空调系统低得多,因此蓄冰和低温送风系统相结合已成为建筑空调发展的趋势。
以河北省石家庄市某一类高层建筑为例。该建筑面积为63000平方米,夏季最大冷负荷为10080KW。使用冰蓄冷系统,冷机功率1304KW,机房设备用电功率2212KW,机房设备配电功率2765KW,机房设备概算1312.7万元,一次投资合计1312.7万元,全年运行费用136.6万元。若采用常规电制冷系统,冷机功率1868KW,机房设备用电功率2556KW,机房设备配电功率3192KW,机房设备概算895万元,机房配电设施费比蓄冰多34.4万元,一次投资合计929.4万元,全年运行费用254.6万元。可见使用冰蓄冷系统,每年运行费用节约118万元。投资回收年限为三年多。