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大型超市空调系统设计中节能措施的分析

发表日期:2019/5/16 10:50:14 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

典型的大型购物超市,具有人流量大,人员密度大,空调冷负荷指标高,运行时间长的特点,空调系统初投资和运行费用都比较高。采取节能措施,能减少初投资和运行费用,节约能源消耗,在超市空调系统设计中具有非常重要的意义。

本文以某大型连锁超市北京区域某门店为例,介绍了该超市在空调系统设计中采用的3种节能措施,分别为:1)空调冷冻水与冷却水采用双侧大温差系统;2)回收空调机组冷凝水作为冷却水系统补水;3)卖场区域空调风管采用布袋风管。同时,对采取节能措施后的空调系统与常规空调系统进行了对比分析,指出这些措施能有效地降低初投资和运行费用,可为以后超市空调系统的节能设计提供参考。

1 工程概况

1.1建筑概况

本工程位于北京市朝阳区,主体建筑地下3层,地上15层;其中裙房一层小部分区域,二、三层大部分区域为超市所有,总建筑面积为20 700 m2

1.2空调设计方案

超市空调系统选用两台制冷量为1 584 kW (450 RT)的离心式水冷冷水机组。冷冻水及冷却水侧均采用大温差,冷冻水供回水温度5/13 ℃,冷却水供回水温度32/40 ℃,冷却塔设置在裙房屋顶。二、三层组合式空调机组的冷凝水全部回收用于冷却塔补水,补水箱(冷凝水收集到补水箱)设置于一层空调机房内。

空调风系统采用低速单管全空气系统,商铺区组合式空调机组风机变频运行,大空间的卖场区采用布袋风管。所有空调机组的新、回风管上均装设电动比例积分调节阀,室内装设二氧化碳浓度传感器,根据二氧化碳浓度,调节新、回风比,过渡季全新风运行。

2 空调系统节能方案分析

集中式空调系统的能耗包括冷热源、空调末端设备、输配系统3部分。因此,减少设备及管材的初投资,降低输配系统的能耗,是降低初投资和运行费用的有效措施。本工程在空调系统的设计中主要采用了以下3种节能措施。

2.1双侧大温差系统

大温差设计是相对常规设计,即冷冻水温度参数7/12 ℃(温差5 ℃),冷却水温度参数37/32 ℃(温差5 ℃)而提出来的。冷冻水温差和冷却水温差二者或者其一大于常规温差的设计,称为大温差设计。该工程在空调设计中采用了冷冻水及冷却水双侧大温差系统,其主要技术参数详见表1。其中方案1为该工程中采用的双侧大温差方案,方案2为常规空调方案。下文从冷源侧和空气侧两方面,对双侧大温差系统进行技术和经济性分析。

2.1.1冷源侧分析

由表1可以看出:方案1中,冷冻水及冷却水的供回水温差均为8 ℃;方案2中,冷冻水及冷却水的供回水温差均为5 ℃。前者冷冻水及冷却水的供回水温差都高于后者。

式(1)中:Q为水的传热量(kW);c为水的比热(kJ/kg·℃),取4.2 kJ/kg·℃;m为水的质量流量(kg/s);Δt为供回水温差(℃)。

由式(1)可以计算出水量。由1.2节可知Q为3 168 kW(900 RT)。将本工程分别采用方案1及方案2两种空调形式时,冷源侧的主要设备:冷水机组、冷却塔、冷冻水泵及冷却水泵的主要参数及耗电功率列于表2。该超市空调运行时间从每年5月到9月,共5个月,每天运行12个小时,冷水机组的运行时间按每年折合满负荷运行时间为959 h(式2)计算,水泵和冷却塔运行时间为1 836 h(式3)。设备耗电量为运行时间×功率,平均电费按1元/kW·h计算。


由表2可以看出,对于本工程而言,方案1比方案2初投资节省4.5万元,运行费用每年节约13.0万元。可见,与方案2相比,方案1冷冻水及冷却水供回水温差增大,同样冷负荷下,冷却水泵、冷冻水泵及冷却塔的容量相应减小,设备耗电量降低,使得设备的初投资及运行费用均减小。采用大温差,对冷水机组的制冷性能系数有影响,增加了冷水机组的初投资及运行费用,但从冷源侧整体来看,方案1比方案2初投资更低,运行费用更少。

2.1.2空气侧分析

室内设计状态点N,干球温度tN为27 ℃,相对湿度N为60%。方案1和方案2的空气处理过程如图1。

由送风量的计算公式:


式(4)中:G为空调送风量(kg/s);Q为室内冷负荷(kW);iN为室内空气状态点焓值(kJ/kg);iO为送风状态点焓值(kJ/kg)。

可知,对于同一建筑当室内冷负荷确定后,采用不同的送风温度,空调送风量不一样。送风量和室内状态点与送风状态点的焓差(iN-iO)成反比。由图2可以看出:

方案1中:

通过以上的计算可知,采用方案2时,空调送风量相当于方案1送风量的1.67倍。与常规空调相比,空气侧采用大温差,增大送风温差,减小送风量,从而达到减少风管(阀门)尺寸及末端风口的数量,降低初投资和风机耗电量的目的。为满足冷冻水大温差的换热要求,该工程设计采用了大温差空气处理机组。

以下从组合式空气处理机组及对应送风管初投资、机组运行费用两方面进行经济性分析。本工程中共设10台组合式空气处理机组,其中一层2台,二层4台,三层4台。将方案1和方案2两种方案下的空气处理机组的风量、功率、初投资(包含送风主管道及相应配件)及年平均运行费用列入表3。在运行费用计算中,空调机组全年运行(过渡季采用调节新风阀、回风阀开度,以满足室内舒适度要求),每天运行12 h;根据实测数据,空调机组耗功率平均为额定功率的0.8,计算时采用额定功率×0.8的方式统计耗电量。

由表3可以看出,与方案2相比,方案1可节省初投资17.3万元,每年可节约运行费用53.3万元。可见与常规空调相比,空气侧大温差系统可带来明显的经济效益。

2.1.3 小结

从上文的分析可知,本工程采用双侧大温差系统,冷源侧和空气侧共可节省初投资21.8万元,每年节约运行费用66.3万元,技术上可行且经济效益很好。

2.2冷凝水回收

目前,处理冷凝水的最常见方法是直接将其排放到室外或接到附近地漏排出。实际上,合理利用空调冷凝水,不仅可以带来可观的经济效益,还可以消除冷凝水无序排放对环境造成的影响。

2.2.1冷凝水回收技术方案

本工程属于大空间的全空气系统,空气处理设备集中设置,便于冷凝水的回收。设计中,将空气处理机组及风机盘管产生的冷凝水收集起来,作为冷却塔的补水,有效地利用了空调的冷凝水,冷凝水回收原理图见图 2。冷凝水收集到补水箱,补水箱及补水泵装设在一层空调机房,将二、三层空气处理机及风机盘管产生的冷凝水收集到补水水箱,由循环水泵送入冷却塔,作为冷却塔的补水,根据补水箱内水位测点信号控制补水量。

2.2.2冷凝水回收系统的经济性分析

本工程中,将混合空气由状态点C,处理到状态点L(图1)的过程属于减湿冷却过程,空气被冷却和干燥,空气中的水蒸气凝结,有冷凝水析出。设备所需要提供的冷量可按下式计算:


式(8)、(9)中:iC为混合状态的空气比焓值(kJ/kg);iL为机器露点的空气比焓值(kJ/kg);dC为混合状态的空气含湿量(g/kg干空气);dL为机器露点的空气含湿量(g/kg干空气)。

产生1 kW冷量时,风量:

产生冷凝水的量:


即:将空气由混合点处理到送风露点时,每制1 kW冷量,产生的冷凝水为0.74 kg/h。二、三层设备的总制冷量为2 672 kW。因此产生冷凝水的总量为1.978 m3/h。

则每个夏季产生冷凝水的总量为1 905 m3,北京市商业用水价格为9.5元/ m3,每年可节约水费1.8万元。

在本项目中,夏季空调冷凝水较多,将其回收作为冷却塔的补水,对于业主来说,每年可节约1.8万元的水费。同时,也是缓解水资源紧张,节约用水的有效措施。回收冷凝水,在初投资方面只增加了冷凝水回收的管路,总费用不足1万元,不到一个夏季就可以收回初投资,经济性较好。

2.3布袋风管的应用

2.3.1设计方案及优缺点分析

布袋式风管是一种新颖的送风管道,由特殊的纤维织成,主要靠纤维渗透和喷孔射流出风。适用于超市、工业厂房等大空间的短距离送风。布袋式风管通过整个管壁的纤维缝隙或是均匀设计的多排小孔送风,可以代替送风支管及散流器;管壁外形成冷气层,无凝露问题,不需要管道保温。与传统铁皮风管相比,布袋风管具有以下4个主要优点:1)由纤维织物制成,造价较低;2)布袋风管采用钢绳或滑轨悬挂,安装便捷,施工周期短;3)风管吸附灰尘过多,阻力变大时,将风管拆下,放在商用洗衣机中清洗即可,维护方便,清洗费用低;4)布袋式风管整体送风均匀舒适,系统成扇形送风,覆盖面积大,是传统风管3~5倍。但同时,布袋风管也有以下两个缺点:1)风量调节能力差;2)管路较长时,冷量损失较大。

在本工程空调系统设计中,充分考虑了布袋风管的优点及缺点,卖场区采用铁皮风管与布袋式风管相结合的方式送风,送风主干管采用铁皮风管,送风支管采用布袋风管,回风管为铁皮风管(图3)。与空气处理机相接的送风主干管采用铁皮风管,支管中均留有30 cm长的铁皮风管,装设风量调节阀,之后与布袋风管相连,给卖场送风。这样既可以实现送风量的灵活调节,又可以充分利用布袋风管价格较低、布置灵活、施工及维护简便的优势,在实现空调舒适度要求的前提下,降低初投资及后期清洗维护费用(铁皮风管需要用机器人清洗,费用较高)。

2.3.2经济性分析

卖场区域面积为8 684.3 m2,表4从初投资和后期清洗维护费用两个方面,对卖场区采用布袋风管和传统铁皮风管+保温+散流器的两种送风系统进行了对比分析。


从表4可以看出,在卖场区域,采用布袋风管,与传统的铁皮风管相比,初投资方面节省17.9万元,后期的清洗维护费用节省4万元/次(根据GB 19210—2003规定,送风管2年应清洗一次\[2\]),每年节省2万元,具有明显的经济效益。

3 结束语

该工程空调系统采用双侧大温差系统,可节省初投资21.8万元,每年节约运行费用66.3万元,具有很好的经济效益。

回收末端空调设备冷凝水作为冷却塔补水,每年可节省水费1.8万元,而增加的投资不到1万元,既节约了宝贵的水资源,又具有良好的经济效益。

在大空间的卖场区域采用布袋风管,通过合理的系统布置,不仅满足了空调舒适度要求,而且降低了初投资(17.9万元)和后期清洗维护费用(2万元/年)。

该工程作为典型的大型购物超市,结合大型超市的特点,在空调系统设计中采用了3种行之有效的节能措施,共节省初投资38.7万元,每年节约运行费用70.1万元,经济性非常好,可供其他大型超市空调系统设计项目借鉴。

稿件选择《制冷与空调》2019年第2期,作者:安爱明  雷丽娜  孙晓飞  廖林;未经许可,不得转载


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