某体育馆风冷热泵机组多种运行工况设计(建筑)
姜红 李京沙 姜海元
中国建筑设计院有限公司
摘要：本工程采用全热回收型风冷热泵及普通型风冷热泵作为夏季集中冷源，全年泳池池水加热热源，过渡季游泳馆通风、供暖系统热源；采用市政热网作为冬季空调、供暖系统热源，同时兼极端天气及泳池一次加热补充热源。该系统全年共涉及7种运行工况，文章介绍了各种工况转换过程。另外本文分析了热泵机组用于泳池加热和补热的经济性与合理性：以热泵技术为基础的一般热泵机组可以考虑用于游泳池池水加热和补热使用。对于寒冷地区，选择性能良好的机组再配出水温度低，冬季大部分时间制热率较高，对于本工程极端天气，考虑由市政热力作为辅助热源，不增设电辅热。
关键词：全热回收型风冷热泵泳池池水加热工况转换极端天气
1 工程概况
工程位于河北省廊坊市燕郊经济技术开发区，总建筑面积18000 m2，主要功能为篮球比赛大厅（带观众厅）、游泳馆、网球馆、乒乓球室、健身房等。地上二层，局部地下一层，建筑高度20.3 m，建筑效果图见图1。
2 设计原则
1)本工程仅篮球比赛大厅设置集中空调系统，且赛时开启，不连续使用。冬季集中空调系统根据运营情况，可能不投入使用，此时室温需满足人员活动需求。
2)冬季城市热网开口容量仅满足体育馆供暖及空调使用，不负担生活热水用热及泳池池水加热。泳池加热量较大，由暖通专业提供。
3)游泳馆全年连续运行，无设计锅炉房条件。
3 集中空调冷热源
3.1集中冷热源负荷分布
集中冷热源负荷分布见表1。
3.2集中冷热源设计
1)螺杆式风冷热泵机组作为集中冷源，泳池池水加热热源，过渡季节游泳馆通风、供暖热源。根据空调集中冷负荷，设置两台螺杆式风冷热泵冷热水机组，单台制冷量为590 kW，其中一台设置全热回收装置。夏季运行工况：热泵机组供冷，同时全热回收冷机利用空调的冷凝热供给泳池加热。空调系统不运行时，热泵机组转换至制热工况，为游泳池加热服务。
过渡季节运行工况：两台风冷热泵机组全部转换为制热工况，为游泳馆提供通风、采暖热负荷及泳池池水加热所需的热量。
冬季运行工况：在室外-10℃时，要求热泵机组提供的制热量>720 kW。若出现冬季室外气温超低或泳池池水一次加热极限工况时，这种工况游泳馆通风系统停止工作，采暖热交换机组切换部分热负荷为池水加热服务。
运行参数：风冷热泵机组夏季提供7/12℃的空调一次冷水（乙二醇），通过设在空调热交换间里的板式热交换器，为篮球馆提供8/13℃的二次空调冷水，全热回收机组夏季提供45/40℃的热水作为泳池池水加热热源。风冷热泵机组转换至制热工况时，提供45℃/40℃的一次热水（乙二醇），通过板式热交换器，为游泳馆提供44/39℃ 的二次热水。
2)市政热网作为冬季空调、供暖系统热源。市政热网提供85/60℃的一次热水，通过空调板式热交换器交换出60/45℃的二次热水供空调系统服务。通过供暖板式热交换器交换出75/50℃的二次供暖热水供供暖系统服务。鉴于冬季空调系统可能不开启，将泳池通风系统与供暖系统共用热交换器。
3)集中冷热源系统原理图见图2。根据用户需求，共分为7种设计工况。具体工况如下，不同工况转换开关状态详见表2。
夏季工况：
①夏季工况1：L-1～2机组为体育馆空调供冷，同时L-1热回收热泵机组为泳池池水连续加热(350 kW)提供一次热水；
②夏季工况2：泳池池水一次加热( 900 kW)时，L-1～2机组全部切换至制热工况，满足池水一次加热需求；此时运行管理人员应尽量避开体育馆空调运行时间。以免影响篮球馆赛事使用。
③夏季工况3：体育馆空调不运行时，仅游泳馆泳池池水有连续加热(350 kW)需求，这种工况L．1～2机组运行其中的1台，切换至制热工况工作。
过渡季工况：
①过渡季工况1：L-1～2机组切换至供热工况，为游泳馆空调供热(400 kW)，为泳池池水连续加热提供一次热水(350 kW)。
②过渡季工况2：泳池池水一次加热(900 kW)时，1-1～2机组全部切换到制热工况，满足池水一次加热需求，泳池空调供热暂停。
冬季工况：
①冬季工况1：运行RJH-2机组，为功能房间提供供暖热水( 75/50℃)，同时负担游泳馆冬季通风系统加热。根据运营情况运行RJH-1机组，为体育馆提供空调热水( 65/50℃)。鉴于市政热力开口容量限制，同时运行L-1～2机组其中一台，为游泳池提供350 kW连续加热热量。
②冬季工况2：若出现冬季室外气温超低或泳池池水一次加热(900 kW)极限工况时，游泳馆通风系统停止工作，RJH-2机组切换部分热负荷为池水加热服务。
4 风冷热泵机组选型
本工程按照夏季工况1选型，校核冬季工况1，非经常工况（冬季工况2）考虑由市政热力作为辅助热源，不增设电辅热。
4.1机组运行性能分析
对于制冷压缩机性，制冷量随冷凝温度的升高而减少，随蒸发温度的降低而减少；冷凝器排热量随冷凝温度的升高而减少，随蒸发温度的降低而减少；输入功率随冷凝温度的升高而增加，随蒸发温度的降低而减少。
本工程采用风冷热泵机组，室外参数与夏季冷凝温度，冬季蒸发温度变化基本一致。即：制冷量随室外参数（冷凝温度）的升高而减少，耗电量随室外参数（冷凝温度）的升高而增加，COP随室外参数的升高而降低；制热量随室外参数（蒸发温度）的降低而减少，耗电量随室外参数（蒸发温度）的降低而减少，且耗电量变化大，故COP随室外参数的降低而减少。
4.2机组选型分析
1)机组名义工况参数。夏季名义制冷工况：冷冻水进出水温度12/7℃，环境干球温度35℃；冬季名义制热工况：热水进出水温度40/45℃，环境干球温度7℃，湿球温度6℃。
2)本工程根据夏季工况选择热泵机组。单台名义制冷量为590 kW。本地夏季空调室外计算干球温度为34.4℃，小于名义工况室外参数，温差较小不考虑修正。
3)冷机对应名义制热量为620 kW。校核设计工况-10℃机组出力。由于随着室外参数的降低，机组耗功率也在降低，所以不可按额定功率乘以COP值进行估算。经厂家核算，-10℃机组出力为360 kW，仅为名义供冷量的40%，名义供热量的58%。若简单估算为220x2.1=462 kW，误差率可达22%。
5 热泵机组合理性分析
5.1热泵机组作为泳池加热热源的经济性
以5℃冷水，加热至40℃的热水为例，计算每吨热水加热成本，详见表3。
5.2热泵机组用于寒冷地区的合理性
1)本工程仅要求热泵机组在-10 ℃以上运行，为了满足《公共建筑节能设计标准》( CB 50189-2005)条款5.4.10中冬季运行性能系数不低于1.8的要求，低于-10℃时利用城市热网辅助加热。
2)因热泵机组仅用于泳池加热，出水温度要求低，一次热源取45/40℃，相比空调系统(55/50℃)，同机型耗功率低20%，制热量低10%。
3)关于冲霜对供热量的影响。水的三相图详见图3，其中A点( t A=0.01℃，p A=611.2 Pa)为水的三相点，C点(pc=2.19 M Pa ;t a =-4.2℃)为水的临界点。分别取夏热冬冷地区(a)和寒冷地区(b)为例，对比结霜情况。图中a点（t a=-4.2℃，p a=314 Pa）以合肥为例。b点( t b=-11℃，p b=124 Pa)以廊坊为例。可见
t1<t2，即a点距离结霜点更近，表明a点比b点更容易结霜。可见寒冷地区虽然冬季气候低，但空气干燥，冲霜不严重。且室外温度越低，空气中的绝对含湿量愈小，冲霜时间间隔越长。
6 结论
1)本工程充分体会到设计前与业主沟通的重要性，明确现有市政条件的可用容量，了解业主的项目需求及日后运行管理方式。
2)在工程设计中，应根据空调与生活用热系统全年的冷热量需求，合理选择风冷热泵机组及热回收机组。但与生活用热相结合，运行工况转换复杂，对运行管理人员职业素质要求高。
3)风冷热泵机组选型中，对冬季设计工况校核时，不可用额定耗功率乘以降低的COP值估算，需厂家配合选型。
4)以热泵技术为基础的一般热泵机组可以考虑用于游泳池池水加热和补热使用。对于寒冷地区，选择性能良好的机组再配出水温度低，冬季大部分时间制热率较高，有的能效比可高于3.0。本工程极端天气，考虑由市政热力作为辅助热源，不增设电辅热。
