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苏州大剧院空调系统冷源方案设计

发表日期:2019/7/11 10:52:25 来源:《制冷与空调》 评论 总点击量:

随着我国经济发展水平的提高,近年来新建了大量服务大众的文化娱乐综合体建筑,包括规模不等的剧院。剧院建筑内部功能越来越庞杂的剧场及其附属用房的温湿度要求,对剧院空调系统设计提出了越来越高的要求\[1\]。现代剧院空调系统设计与早期的国内剧院空调系统设计有较多不同之处,包括配套的观众大厅、多功能剧场及排练厅等空调系统设计;剧院空调系统与常规商业及办公建筑项目的空调系统负荷特性及使用特点均有较大不同。笔者通过阐述苏州大剧院项目的空调系统设计,为类似剧场项目空调系统冷热源方案的选择提供参考。

1 项目概况

苏州大剧院位于苏州市吴江区太湖新城,是苏州文博中心项目2个子项目中的一个,另一子项目为吴江博览中心。苏州文博中心整体位于太湖边,建筑外形呈飘带状(见图1),总用地面积约58 000 m2。苏州大剧院子项目地上7层、地下1层,总建筑面积104 827 m2,首层局部为商业用房,其余为舞台、后台、电影院、餐饮、培训及相关附属房,地下一层为汽车库和设备用房。大剧场座位数为 1 604座,属于特大型剧场;音乐厅座位数为 531座;座位数总计899座,由7个观众厅组成,属于中型电影院。

2 空调系统概况

大剧院项目共有剧院及公共区域、电影院、办公、配套商业4种不同的业态,空调负荷统计如表1所示。


2.1 各业态空调系统冷源配置方案

本项目外形奇特,能够放置室外机的位置有限,建筑方案要求各业态(影院、剧院、商业、办公)的空调系统冷热源尽量集中并协调统一。由于商业区域的体量在项目中占比较大,如果全部采用独立VRV(变制冷剂流量)系统,大量的室外机将没有合适的安放位置,对整个项目的效果影响较大。

集中式空调系统可以通过配置不同容量的冷水机组以及相应的水泵和管路满足各业态的负荷需求,可分别计量。商业运营时间虽然与其他业态有所不同,但通过合理配置冷水机组容量,可以使冷水机组在部分负荷下在高效区运行。但是分散的风冷VRV系统效率不如配置合理的集中式空调系统。

通过上述分析及与使用方、运营方讨论确定冷源方案如下:

1) 影院、剧院和商业共用冷源系统,办公部分由于业主需要有灵活性的使用要求,采用VRV系统;服务于舞台工艺以及使用时间要求非常特殊的,例如灯光、控制室等均采用独立VRV系统。

2) 冷冻水系统采用二次泵变流量系统,针对大剧院及公共区域、电影院、商业3种业态,分别设置不同的二次冷冻水循环泵,采用不同的独立水管,主回水管路上设置能量计。

3) 地下一层空调区域、地下二层空调箱以及地下化妆间的风机盘管机组等采用四管制,其他区域采用二管制,冷、热水管路在立管处切换;水平管路同程布置,主立管异程布置,用动态压差温控平衡阀调节系统各水路平衡。

4) 冷、热水系统均各设一套闭式定压膨胀水箱,置于冷水机组机房内,水系统最高点及水平管路设自动排气装置。

5) 电影院和商业的负荷特性较为一致,因此都设置了独立的两管制系统,可以在机房内进行常规的冬夏冷热两管制切换。

冰蓄冷及冷冻水系统的流程如图2所示。

2.2 冷源方案设计

苏州大剧院项目体量较大,其运营时间较集中,运行频率较低,空调峰值负荷高。对国内同类型项目调研的结果显示,空调尖峰负荷运行时间仅占全年空调系统运行时间约6%~8%\[2\]。空调系统冷源若按照常规设计,即冷水机组及水泵等设备均按照峰值负荷设计选型,这将使设备在绝大部分时间处于低负荷率状态运行,系统经济性不高\[34\]。

本项目空调系统冷源方案的制定,结合剧院非演出时段的空调负荷远低于尖峰负荷以及尖峰负荷出现于演出时段的特点,同时考虑到本项目对市政用电容量申请额度限制,采用双工况冷水机组(进行冰蓄冷)+基载冷水机组的冷源方案。基载冷水机组设置的目的主要是在双工况冷水机组夜间进行冰蓄冷时满足电影院及部分商业的夜间空调负荷需求。

2.2.1  冷水机组选型

本项目设计日逐时空调冷负荷如表2所示,由表可知,空调尖峰负荷出现在18:00,负荷为9 500 kW。

根据表1,电影院和商业区域空调总负荷为3 780 kW,其夜间空调冷负荷可按70%的白天峰值负荷考虑,约2 650 kW。结合系统总设计负荷9 500 kW,考虑设置基载冷水机组制冷量Qj为2 800 kW,约为总峰值负荷的30%,电影院和商业区域白天尖峰负荷的74%。

双工况冷水机组制冷量(kW)计算如下:

式中:qi,qj…qk为8:00—24:00中大于Qj的逐时负荷(kW·h);n1为双工况冷水机组在夜间制冰工况下运行的时间(h);n2为双工况冷水机组在空调工况下运行的时间(h);cf为双工况冷水机组制冰制冷能力的变化率,按0.65计算。

通过计算得到的qc仍大于n个qi-Qj,qj-Qj…qk-Qj,需要对n2进行修正:


则修正后的qc=3 904 kW。

因此,选用双工况冷水机组制冷量为4 000 kW,全天蓄冰8 h,结合冷水机组制冰制冷能力的变化率cf,全天蓄冰量为20 800 kW·h,而设计日全天用冷量为115 857 kW·h,蓄冰量为用冷量的18%。

经上述分析计算,本项目冷源配置2台2 000 kW双工况冷水机组(冷却塔散热,蓄冰槽蓄冷)、2台1 400 kW基载冷水机组(1台螺杆式冷水机组,1台磁悬浮离心式冷水机组,冷却塔散热,承担基载负荷),总装机制冷量为6 800 kW,提供供/回水温度为6 ℃/12 ℃的空调冷冻水。基载冷水机组采用部分热回收形式,夏季回收冷凝热提供剧场内的送风再热以控制室内湿度或生活热水预热使用。

2.2.2  冰蓄冷系统运行策略

采用冰蓄冷系统后,如何使蓄冰系统结合适宜的运行策略运行以降低系统运行费用是重中之重。

本项目空调负荷占比较大的是剧场区域,剧场的演出多在晚间进行,而且剧场并非每天都使用。若冰蓄冷系统仅仅为剧场服务,则其全年利用率将随着剧场使用频率受限而不高,继而冰蓄冷系统的投资回收期和经济性都会受到影响。但是,本项目有面积约6 000 m2的剧场附属商业,主要是教育培训、餐饮及零售商铺等。此区域负荷比较稳定,空调冷负荷约1 400 kW,设计日全天空调冷负荷约14 000 kW·h,占总蓄冰量的67%。剧场没有演出而其空调系统不使用时,剧场附属商业部分稳定的空调负荷需求也可以保证冰蓄冷系统得到充分的利用。在剧场演出日,剧场的空调系统及其附属商业的空调系统会同时运行,此时冰蓄冷系统可以得到最充分的利用。空调系统优先利用冰蓄冷系统的冷量满足空调负荷,当尖峰负荷出现、冰蓄冷系统的融冰释冷量无法满足负荷需求时,同时运行双工况冷水机组和基载冷水机组。



图3所示为100%,75%,50%和25%负荷率时的运行策略,可以看出,从100%负荷率逐渐变到25%负荷率的过程中,双工况冷水机组白天运行时间越来越少,而冰蓄冷系统融冰供冷的作用逐渐加大,到了25%负荷率时,基本实现冰蓄冷系统融冰供冷运行。

2.2.3  冰蓄冷系统和常规水冷系统的经济性比较

冰蓄冷系统需要增设蓄冰装置及其附属系统,双工况冷水机组成本也相对更高,这些因素使得冰蓄冷系统初投资高于常规水冷系统。笔者从初投资和运行费用两方面对冰蓄冷系统经济性进行分析,如表4所示。

从表4可以看出,相对常规水冷系统,冰蓄冷系统初投资增加约237.5万元,年运行费用减少40.6万元,投资回收期约为6年。

3 结束语

针对有配套商业等稳定空调负荷的剧院建筑,结合其空调尖峰负荷突出、平时负荷较小的特点,可以通过设置冰蓄冷系统,利用其移峰填谷功能,减小冷水机组配置容量,系统后期运行费用可以降低。相对常规冷水系统,通过制定合理的冰蓄冷系统运行策略,可以提高冰蓄冷系统后期的利用率,投资回收年限约6年。


稿件选自《制冷与空调》2019年第3期,作者:廖健敏  何光莹  冯启辉;未经许可,不得转载



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