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广西地区公共建筑冷暖空调设计探讨
发布者:吴丹        发布日期:2018-6-1        访问人次:347

摘要  对广西地区各类公共建筑的冷热负荷特点进行整理,对各类冷暖空调设计方案的特点进行梳理,经过定性的分析比较,提出各类公共建筑的冷暖空调推荐方案,为设计师及业主以后在选择冷暖空调方案时提供借鉴和参考。

关键词  公共建筑 冷暖空调 负荷特点 推荐方案

   0 引言

    随着我国经济快速发展,国民的生活水平逐步提高,在夏热冬冷及夏热冬暖地区,出现了许多要求采用冷暖空调的公共建筑。笔者作为专业负责人参与过几个公共建筑的冷暖空调设计,也参加过一些公共建筑的空调方案论证会,发现目前广西地区公共建筑的冷暖空调设计方案五花八门,各个空调设备生产厂家也是 “公说公有理,婆说婆有理”,没有形成较统一的意见。在目前国家提倡节能减排的背景下,有必要对本地区的公共建筑冷暖空调设计方案进行梳理,为本地区的冷暖空调设计提供借鉴和参考。

1 公共建筑类型及其空调负荷特点

    公共建筑主要有以下几种类型:商场、酒店、办公楼、图书馆、教学楼、医疗建筑、剧场、礼堂、展览馆、候车厅、候机厅,以及近年来逐渐增多的数据中心等。不同类型的公共建筑,其冷热负荷及空调使用呈现出不同的特点。为方便比较,下面列出各种类型的公共建筑冷暖空调系统的冷热负荷及使用特点如下表1所示:

表1 各类公共建筑空调系统冷热负荷及使用特点

建筑类型

冷负荷特点

热负荷特点

冷热负荷比较、使用空调情况

商场

冷指标:200~300W/ m2

全年供冷时间:约在5~10月份,180天左右

每天供冷时间:10~22时,共12h

热指标:30~50W/ m2

全年供暖时间:约在1~2月份,30天左右

每天供暖时间:10~22时,共12h

全年总冷负荷约为总热负荷的36倍,以冷负荷为主,热负荷很小

同时使用率高

酒店

冷指标:80~150W/ m2

全年供冷时间:约在4~11月份,210天左右

每天供冷时间:全天24h

热指标:40~70W/ m2

全年供暖时间:约在12~3月份,90天左右

每天供暖时间:全天24h

全年总冷负荷约为总热负荷的4倍,以冷负荷为主,热负荷为辅

同时使用率高

办公楼、图书馆、教学楼

冷指标:120~200W/ m2

全年供冷时间:约在5~10月份,150天左右

每天供冷时间:8~18时,共10h

热指标:40~60W/ m2

全年供暖时间:约在12~2月份,60天左右

每天供暖时间:8~18时,共10h

全年总冷负荷约为总热负荷的8倍,以冷负荷为主,热负荷也不小

同时使用率较低,会出现单独几间房间需要使用空调

医疗建筑

医院的门诊楼及医技楼的冷热负荷与办公楼类似,住院楼与酒店类似,但医院的各房间的同时使用率很高,一般都在90%以上,而办公楼及酒店的各房间的同时使用系数较低,一般在70%左右

剧场、礼堂、展览馆

冷指标:300~400W/ m2

全年供冷时间:约在4~11月份,根据需要按次计

每次供冷时间:约4h

热指标:40~60W/ m2

全年供暖时间:约在1~2月份,根据需要按次计

每次供暖时间:约4h

全年总冷负荷约为总热负荷的8倍,以冷负荷为主,热负荷也不小

按次使用,每次几乎100%使用率

候车厅、候机厅

冷指标:200~300W/ m2

全年供冷时间:约在5~10月份,180天左右

每天供冷时间:8~24时,共16h

热指标:40~60W/ m2

全年供暖时间:约在1~2月份,30天左右

每天供暖时间:8~24时,共16h

全年总冷负荷约为总热负荷的30倍,以冷负荷为主,热负荷很小

几乎100%使用率

数据中心

冷指标:200~300W/ m2

全年供冷时间:约在3~12月份,300天左右

每天供冷时间:全天24h

不需供暖

只有冷负荷,没有热负荷

    由上表可知,除数据中心外,其余的公共建筑基本都可能有供暖需求。至于由商场、酒店、办公楼等组成的城市综合体,或者由门诊楼、医技楼、住院楼组成的大型医院,如果每栋楼单独设空调系统,则每栋楼的冷热负荷特点跟上述一样,如果整体设一套空调系统,则应根据各种类型建筑的面积占整个项目的总建筑面积的比例及其使用特点来综合考虑,由于篇幅关系,本文不讨论此类建筑。对于如办公楼里的计算中心、医院的手术室等,一般单独设置恒温恒湿空调、洁净空调,本文也不进行讨论。

2 公共建筑的冷暖空调设计方案

    根据广西地区的气候特点,以及目前我国的空调设备现状,本地区公共建筑可以采用的冷暖空调形式较多,随着空调技术的进步,新的空调设备及技术还会不断出现,鉴于篇幅关系,本文只讨论已有一定数量应用实例或者值得推广的各种冷暖空调设计方案。

2.1分体空调

    每台分体空调由一台室内机及一台室外机组成,室内外机之间通过冷媒管连接,由于分体空调的室外机运行时须须与室外空气进行热交换,加上冷媒管长度一般在10米以内,所以其使用安装受到很大的限制。有条件安装分体空调室外机的公共建筑可以考虑采用冷暖两用的分体空调。

2.2多联空调

    每套多联空调系统由一台室外机及多台室内机(最多可以到几十台)组成,室内外机之间也是通过冷媒管连接,但其冷媒管长度最长可以达到几百米,高差也能达到50米,一套空调系统最大可以覆盖几百平方米建筑面积,相对分体空调,同样的建筑,多联空调系统的室外机数量要少很多,加上多联空调室外机可以设在屋顶或阳台,也可以设在室内通过导风管排风,所以一般的建筑都能安装多联空调,目前的多联空调基本都是冷暖型的。

2.3风冷热泵空调

    该空调方案制冷及供暖的冷热源均全部采用风冷热泵机组,各空调区域采用风机盘管、柜式空气处理机等空调末端设备。风冷热泵机组直接与室外空气进行热交换,制冷时散热,供暖时吸热,提供制冷或供暖用的冷(热)水,通过水泵及管道送到各空调区域的空调末端设备进行换热,从而对该空调区域制冷或供暖。

2.4 水冷冷水机组+风冷热泵冷暖空调

    该空调方案供暖时采用风冷热泵机组,制冷则由水冷冷水机组与风冷热泵机组共同负担,各空调区域采用风机盘管、柜式空气处理机等空调末端设备,空调主机提供制冷或供暖用的冷(热)水,通过水泵及管道送到各空调末端设备。由于制冷时水冷冷水机组的能效比比风冷热泵机组高,所以一般优先运行水冷冷水机组,在水冷冷水机组不能满足需求时才开启风冷热泵机组来制冷。

2.5 水冷冷水机组+热水锅炉冷暖空调

    该空调方案制冷时全部采用水冷冷水机组,供暖时全部采用热水锅炉,其余部分与上述方案一样。热水锅炉方面,过去有采用电加热热水锅炉来供暖,现在国家已明确禁止,过去也有采用燃油锅炉来供暖,近年来随着油价的提升,以及燃油对周围环境有较大影响,同时城市管道燃气覆盖的区域不断扩大,现在基本上采用燃气热水锅炉来供暖。

2.6土壤源地源热泵空调

    该方案是用土壤源地源热泵代替风冷热泵作为空调系统的冷热源,其余部分与风冷热泵空调系统基本一样。风冷热泵是与空气进行换热,而土源地源热泵是与土壤进行换热。由于在土壤里打井及埋管的费用较高,此类空调系统一般是按热负荷配置地源热泵机组,制冷时不足部分采用常规的水冷冷水机组+冷却塔的形式。

2.7地表水地源热泵空调

    该方案是用地表水地源热泵代替风冷热泵作为空调系统的冷热源,其余部分与风冷热泵空调系统基本一样。地表水地源热泵空调属于可再生能源应用类型,也非常节能,同时地表水地源热泵空调相对土壤源地源热泵来说,投资低,施工技术难度也低,容易实施,在靠近有地表水(江河水、湖水、海水、污水)的地方,应尽量采用。

2.8热源塔空调方案

    该方案夏季采用水源热泵机组来制冷,利用冷却塔散热,冬季还采用水源热泵机组来供暖,通过冷却塔从大气中吸热,空调末端设备与上述方案一样。为防止供暖时从水源热泵机组出来的冷水结冰,此时必须在冷水中加入乙二醇或氯化钠、氯化钙等防冻剂,使水温低于0℃时不结冰。

2.9溴化锂直燃机空调

    溴化锂直燃机是采用加热的方式来制冷的,它能一机三用:制冷、供暖、加热生活热水,空调末端设备与上述方案一样。原来一般采用燃油机组,现在随着城市燃气管道覆盖的区域不断扩大,在有城市管道燃气的区域,一般采用燃气的方式。在项目规模足够大时,可以考虑冷热电三联供的方式,其做法就是采用燃气发电机发电,发电产生的余热用来制冷、供暖及加热生活热水。

2.10其它空调型式

    除上述介绍的空调方案外,还有几种空调方案,如太阳能空调系统、水环热泵空调系统、蒸发式冷凝空调系统、温湿度独立控制空调系统等,这些空调技术都还不是很成熟,应用的项目也较少。另外,上述各种空调方案中,还会夹带有一些如热回收、水蓄冷或冰蓄冷等技术,由于篇幅所限,本文不再深入讨论。

3 各种冷暖空调设计方案的优缺点分析

    评价一种空调设计方案的优劣,一般从投资、运行费用、使用、维修管理、计量、适应性、对周围环境的影响等方面来进行分析比较,其中最主要是运行费用与投资两方面。

    运行费用方面,上述各冷暖空调方案的热源分为两大类:热泵及锅炉(溴化锂直燃机供暖时相对于锅炉),热泵方面,水源热泵的能效比比风冷热泵要高,更节能,分体空调及多联空调属于风冷热泵类型,由于没有水泵,其系统能耗要比风冷热泵系统低,但比水源热泵高。

    下面再分析比较锅炉与风冷热泵机组的运行费用:产生1kW·h的热量,如果采用电热水锅炉,需要消耗1kw电,如果电价按1.00元/kW·h计,费用是1元;如果采用燃气锅炉,管道燃气的热值约为8400kcal/ Nm3,需要燃烧1×3600/(4.18×8400)=0.1025的燃气,按南宁市的管道燃气商业价格为4.8元/Nm3,费用是0.1025×4.8=0.492元;如果采用风冷热泵机组,其能效比按3.0计,需要1/3=0.3333kw电,费用是0.3333元。可见使用燃气热水机组供暖的运行费用比风冷热泵机组供暖要高50%左右。

    投资方面,分体空调最低,地埋管地源热泵最高。下面从上述各方面对各空调方案进行分析比较,其主要的优缺点如下表2所示:

表2 各冷暖空调方案的主要特点

空调方案

主要优点

主要缺点

分体空调

1、造价最低,约150元/ m2

2、使用最灵活,各房间独立使用

3、安装及管理、维修方便

4、计量最方便,各房间独立计量

5、一机两用,制冷及供暖采用同一空调设备

1、室外机安装受限,对于规模较大的建筑无法安装

2、室内、外机对建筑的美观有较大影响

 

多联空调

1、使用灵活,各房间可独立使用

2、计量方便,各系统独立计量

3、系统简单、维修及管理方便

4、一机两用,制冷及供暖采用同一空调设备

1、造价高,约700元/ m2

2、室内机容量小,无大风量大风压室内机

 

风冷热泵空调

1、一机两用,系统相对简单

2、供暖时运行费用低

3、机组设置在室外,不占用室内建筑面积

4、空调末端设备齐全,能满足各种类型空调区域

1、造价较高,约350元/m2

2、风冷热泵制冷时能效比低,运行费用高

3、风冷热泵机组的噪声较大,对周围环境影响大

4、使用不灵活,计量不方便

5、室外气温较低时制热能力衰减厉害

水冷冷水机组+风冷热泵冷暖空调

1、造价较低,约300元/ m2

2、制冷时运行费用不大,供暖时运行费用低

3、空调末端设备齐全,能满足各种类型空调区域

1、系统复杂,维修及管理不方便

2、风冷热泵及冷却塔的噪声对周围环境影响大

3、使用不灵活,计量不方便

4、室外气温较低时制热能力衰减厉害

水冷冷水机组+热水锅炉冷暖空调

1、造价低,约250元/ m2

2、制冷时运行费用低

3、空调末端设备齐全,能满足各种类型空调区域

4、制热能力不受室外气温影响,供暖稳定

5、系统相对简单、维修及管理方便

1、供暖时运行费用高

2、冷却塔的噪声较大,对周围环境影响大

3、使用不灵活,计量不方便

土壤源地源热泵空调

1、制冷及供暖时运行费用都很低,属于可再生能源应用

2、无冷却塔,对环境影响小

3、一机两用,制冷及供暖采用同一空调设备

4、空调末端设备齐全,能满足各种类型空调区域

1、在土壤里打井及埋管施工难度大

2、造价高,约700元/ m2

3、使用不灵活,计量不方便

4、地埋管占用土地面积较大,检修很难

5、机组换热能力受土壤地质情况影响大

地表水地源热泵空调

1、制冷及供暖时运行费用都很低,属于可再生能源应用

2、无冷却塔,对环境影响小

3、一机两用,制冷及供暖采用同一空调设备

4、空调末端设备齐全,能满足各种类型空调区域

1、机组换热能力受地表水水文地质情况影响大

2、使用不灵活,计量不方便

3、造价比常规空调系统高,约400元/ m2

4、需处理经过机组的地表水

热源塔空调方案

1、一机两用,制冷及供暖采用同一空调设备

2、制冷及供暖时运行费用都低

3、造价较低,约300元/ m2

4、空调末端设备齐全,能满足各种类型空调区域

1、添加的防冻剂对设备、管道、附件均有腐蚀作用

2、冷却塔的换热能力受室外气温影响大

3、供暖时冷却塔的容量是制冷时的3倍左右

4、使用不灵活,计量不方便

溴化锂直燃机空调

1、一机三用,制冷、供暖、生活热水采用同一空调设备

2、采用一次能源

3、空调末端设备齐全,能满足各种类型空调区域

1、造价较高,约400元/ m2

2、按目前的燃气价格,制冷时运行费用比常规电制冷空调系统高

3、使用不灵活,计量不方便

4、机组制冷、制热能力随着使用时间增加会衰减

 

4 各种冷暖空调设计方案的适应性分析

    根据表1各类公共建筑的使用特点及表2各类冷暖空调设计方案的优缺点,进行定性的分析比较,可以大致推理出各类公共建筑的冷暖空调设计的推荐方案,如下表3所示:

表3 各类公共建筑适合采用的冷暖空调方案

建筑类型

规模及条件【注】

推荐空调方案

理由

商场

单间面积100 m2以下,能安装分体空调室外机

分体空调

便宜、使用灵活、可独立计量

单间面积1000 m2以下,没有足够地方安装分体空调室外机

多联空调

使用灵活、可独立计量

单间面积1000 m2以上

水冷冷水机组+热水锅炉冷暖空调

造价低、供暖所占比例很小

酒店

总建筑面积10000 m2以内,能安装分体空调室外机

分体空调

便宜、使用灵活

总建筑面积5000 m2以内,无法安装分体空调室外机

多联空调

使用灵活

总建筑面积5000 m2以上,无法安装分体空调室外机,附近有地表水可以利用

地表水地源热泵空调

节能

总建筑面积10000 m2以内,无法安装分体空调室外机,附近没有地表水可以利用

风冷热泵空调

系统简单

总建筑面积10000 m2以上,无法安装分体空调室外机,附近没有地表水可以利用,供暖的稳定性要求不高

水冷冷水机组+风冷热泵冷暖空调

运行费用低

总建筑面积10000 m2以上,无法安装分体空调室外机,附近没有地表水可以利用,供暖的稳定性要求高

水冷冷水机组+热水锅炉冷暖空调

供暖稳定

办公楼、图书馆、教学楼

能安装分体空调室外机

分体空调

便宜、使用灵活

无法安装分体空调室外机

多联空调

使用灵活

总建筑面积5000 m2以上,无法安装分体空调室外机,附近有地表水可以利用

地表水地源热泵空调

节能

医疗建筑

总建筑面积10000 m2以内,能安装分体空调室外机

分体空调

便宜、使用灵活

总建筑面积10000 m2以内,无法安装分体空调室外机,附近没有地表水可以利用

风冷热泵空调

系统简单

总建筑面积5000 m2以上,无法安装分体空调室外机,附近有地表水可以利用

地表水地源热泵空调

节能

总建筑面积10000 m2以上,无法安装分体空调室外机,附近没有地表水可以利用

水冷冷水机组+风冷热泵冷暖空调

运行费用低,医院对供暖的稳定性要求不高

剧场、礼堂、展览馆

总建筑面积5000 m2以内

风冷热泵空调

系统简单

总建筑面积5000 m2以上

水冷冷水机组+风冷热泵冷暖空调

运行费用低

候车厅、候机厅

总建筑面积5000 m2以内

风冷热泵空调

系统简单

总建筑面积5000 m2以上

水冷冷水机组+风冷热泵冷暖空调

运行费用低

注:上表中建筑的规模只是个大概经验数值,具体的数值应根据项目的具体位置,使用情况等具体分析

5 结论

    综上所述,可以分析得出广西地区各类公共建筑采用的冷暖空调设计方案有以下几点选用原则:

    1)、有条件且对建筑的室内外景观要求不高时,应首选分体空调。分体空调造价低,使用非常灵活。

    2)、对于无法安装分体空调室外机,或者对室内外景观要求很高时,办公楼、教学楼、图书馆等以办公为主的公共建筑,应首先采用多联空调。多联空调的最大的优点是使用灵活,可以非常容易满足办公楼经常加班时开空调的需要。

    3)、在广西地区,推荐采用的可再生能源应用方案是地表水地源热泵空调系统,该方案非常节能,初投资比常规空调系统增加不大,技术方面也没有太大问题。不推荐采用地埋管地源热泵空调系统,该类空调初投资太大,对施工技术要求太高。

    4)、如果要求供暖稳定,建议采用燃气热水锅炉,否则可以采用风冷热泵来供暖;对于有生活热水需要的建筑,应采用带热回收的冷水机组,在制冷时“免费”提供生活热水。

    5)、由于还没有很好的办法解决防冻剂对设备及管道、附件的腐蚀问题,目前情况下不建议采用热源塔空调系统。

    6)、在目前的天然气价格情况下,采用溴化锂空调系统的初投资及运行费用均比常规空调系统要高,不推荐采用。但在有足够的余热可以利用的情况下,采用溴化锂空调系统还是合理的。

    7)、由于多联空调室内机的容量、风量及风压不能做得过大,所以像大空间的区域,如剧场、礼堂、候车厅、机场航站楼等,不宜采用多联空调。同时由于多联空调造价比常规空调高很多,对于同时使用系数高的建筑,如大型的商场、医院、酒店等,也不宜采用多联空调。

 

参考文献

[1]  陆耀庆.实用供热空调设计手册[M]. 2版. 北京:中国建筑工业出版社,2008

[2]  中国建筑科学研究院.GB50736-2012  民用建筑供暖通风与空气调节设计规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2012

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