同济大学 王依蕊 柳国栋 谢建彤 汤晟怡 刘东
【摘 要】依据规范，结合调研，利用手算、鸿业负荷计算软件、DeST、EnergyPlus对夏热冬冷地区商业综合体暖通空调进行负荷计算和全年负荷模拟。考虑综合体内各区域峰值时段不同，对综合体及其塔楼（酒店）、裙楼（商场）分别进行全年逐时负荷模拟，结果显示商场和酒店存在半个月左右的的冷热需求不同。根据区域年负荷分析及室外干球温度划分空调季并确定冷热源方案主机配比。根据全年逐时空调和热水负荷对比，采用空调系统冷凝热回收搭配辅助热源制备生活热水。结合前述结论，制定满足综合体冷热需求，便于综合体能源调配的六个冷热源方案，按经济、节能、环保等权重选取最优方案。
【关键词】综合体 冷热源 负荷分析 生活热水 方案对比
Abstract:Based on the standards, investigate and survey, load calculations and annual load simulations were performed on commercial complex HVAC in hot summer and cold winter region using hand calculations, Hongye load calculation software, DeST and EnergyPlus. Taking into account the different peak periods in each region of the complex, the whole year hourly load simulation of the complex, its tower (hotels) and podium (shopping malls) was conducted. The results showed that there were different requirements for hot and cold in shopping malls and hotels for around half a month. According to the regional annual load analysis and outdoor dry-bulb temperature, the air-conditioning season is divided and the host ratio of cooling and heating source scheme is determined. According to the comparison of air-conditioning and hot-water load hourly throughout the year, the air-conditioning system uses condensation heat recovery and an auxiliary heat source to prepare domestic hot water. Based on the above conclusions, we have formulated six cold and heat source schemes that meet the cold and heat demand of the complex and are convenient for the energy deployment. We have selected the optimal scheme according to the weights of economy, energy saving and environmental protection.
0 引言
随着国家经济发展，人民消费水平的提高，继近代百货商店出现之后的一种新零售业态——商业综合体从以北京、上海、广州等一线城市的核心快速向各个省区的首位城市扩散[1] 。由于综合体是集商业、办公、餐饮、文娱等功能为一体的大型公共建筑，人员流动频繁，分区功能多样，空调负荷较大，各区域类型可能存在用能峰值时段不一，同时段冷热需求不同。因此如何利用调研及模拟分析综合体各区域全年逐时用能及空调负荷情况，制定既满足需求，可在区域间灵活调配能源，又经济、节能、环保的冷热源配置方案，是本次的设计重点。
1 工程概况
设计对象为夏热冬冷地区某商业综合体，由裙楼和南、北两栋塔楼构成。本次设计对象为裙楼和南栋塔楼的空调及南、北栋塔楼的生活热水部分。裙楼1~4层为商场、餐饮，是未区域划分的大开间结构；南栋塔楼建筑为四星级酒店，建筑高度99.75m，共28层，酒店分不同功能的房间，其中，6层以保健按摩室为主，7层以酒店办公室为主，8-28层为酒店休息室，各层另设服务台、服务休息室等公共区域。其中酒店建筑面积23436.4m2，商场建筑面积19384.6m2。
2 负荷计算
依据国家、地方及行业规范，结合调研结果确定围护结构热工参数、室内外设计参数、新风量和人员密度，以及人员、灯光、设备及空调运行作息等参数进行负荷计算(商场人员作息设置见表1，调研得到）。其中各楼层照明功率设定参考ASHRAE Standard 90.1-2016，结合许旺发[2]等人提出的节能措施，建议采用高效率节能灯（LED）搭配电子式镇流器。为保证本次计算结果的可靠性，本建筑设计日负荷的手工冷负荷计算方法为谐波法的工程简化计算方法[3] ，热负荷计算方法为稳态算法，采鸿业负荷计算软件进行验证，能耗模拟软件DeST和EnergyPlus对该建筑进行全年能耗模拟，得到8760小时的建筑逐时负荷值，模拟时参数设定力求与设计完全一致。模拟结果和手算结果列表对比见表2。
对比手算、鸿业、DeST及EnergyPlus计算结果，以手算负荷为基准，其余三者夏季最大负荷偏差依次为：-11.35%、+14.21%、-8.09%；冬季最大负荷偏差依次为：-0.87%、-8.98%、-12.54%。可见负荷的计算结果是相对真实可信的。其中针对夏季负荷计算结果，取四者平均值为3174.48kW，与手算值较为接近。冬季计算结果对比可知DeST偏差较大，去除该结果后，考虑冬季供热的保障性，且三者负荷值差异较小，仍取手算值进行设计。
综合体设计日逐时冷负荷构成见图1。结合调研设置各区域作息：商场营业时间10:00~22：00，商场办公时间9：00~22：00，商场餐饮部分营业时间7：00~22:00，酒店门厅、服务台、电梯厅前室等24小时运行。塔楼按24小时运行。因而图1中综合体总负荷呈现两段差异显著。
3 空调季划分
综合体功能多样，不同区域负荷日峰值出现时段不同。为更好划分空调季，充分发挥综合体能源调配优点，减小主机容量。对综合体及其塔楼、裙楼分别进行了全年逐时负荷模拟得到图2~4，根据负荷模拟结果得到各部分冷热需求的切换时间见表3。
结果显示商场和酒店存在半个月左右的的冷热需求不同，结合下文可知该部分处于过渡季.徐凤芹[4]等人在商场类建筑暖通空调设计采用全新风供冷满足过渡季及冬季空调负荷需求，能耗显著降低。因此在控制方面，综合考虑商场和酒店对空调舒适性要求不同，建议此时商场采用全新风供冷，酒店供热由热源保障。此时段室外温度为10-25℃之间，全新风供冷能够满足商场空调负荷需求。并且本次设计中新风负荷接近40%，过渡季及冬季全新风运行有利于既降低空调能耗。
结合设计所在地的全年的逐日干球温度划分空调季，见表4。
4 主机配比
根据模拟及空调季划分结果统计供冷季负荷累计频率图和供热季负荷累计频率，见图5-6.考虑过渡季的建筑内区可能出现冷负荷，但该时间段室外空气的焓值较低，采用free cooling 的方法解决内区冷负荷问题，遂此次统计中不包括在内。由供冷季部分负荷情况可大致确定供冷主机配比2:3:3:2调节较优。而供热季主机配比则参考裙楼、塔楼负荷占比，综合体部分负荷情况决定，且需控制主机台数不宜过多。
5 生活热水
综合体塔楼为四星级酒店，需要供应生活热水。参考ASHRAE手册中热水供应(Service Water Heating)的相关章节，结合调研结果得到：生活热水负荷呈现“双峰性”：用水的高峰期集中在早上6:00~8:00和晚上19：00~22:00之间。黄璞洁[5]等人设计某酒店冷热源时采用冷凝热全热回收热泵机加燃气锅炉作为辅助热源组制备生活热水，9个月回收初投资。刘坡军[6]等人通过计算分析提出冷水机组冷凝热回收制备生活热水具有极大节能潜力。本设计通过计算设计日逐时空调和热水负荷对比，得到空调冷负荷（对应空调冷凝热）逐时值远大于热水逐时负荷，尤其是在白天时段，只需要回收当天冷凝热总量的12%，即可满组热水需求。计算整个供冷季得到空调冷凝热的数值均远大于生活热水的供应热量，计算结果见图7。所以，通过一定的技术手段回收冷凝热量以制备生活热水是非常可行的。因此在冷热源的选择时，建议侧重考虑对冷凝热的利用。同时为保证酒店生活热水充足供应，系统设计时需要配备辅助热源及蓄热箱。
6 冷热源方案选择
集中式空调系统冷热源选择应根据建筑所在地的能源供应情况、建筑用能情况、建筑周边资源分布情况等综合考量，选出最优方案。设计时应充分考虑综合体各区域作息不一，选配主机应利于后续运行控制策略开展，突显综合体建筑用能调峰优越性。
结合工程要求及网络调查可知，工程所在区域有城市电网、城市管道天然气供应，但并未配置市政热网，商业用电电价：1.03元/kWh；商业用天然气价格：每年淡季（6、7、8月）：2.79元/Nm³；旺季（1、2、12月）：3.35元/Nm³；平季（其余月份）：3.10元/Nm³。商业电价并无峰谷，故不考虑冰蓄冷在节电方面的优势。建筑周边无热电厂、污水处理厂，距综合体约1.8km处有河流，但周边多为居民区，交通要道，故讨论认为水源热泵方案施工难度较大，一般不采用。
结合调研及能源审计等资料可知在商场、四星级酒店建筑中，传统的能源形式：冷水机组+锅炉仍然是使用率最高，可靠性最强的冷热源配置方案。结合前文生活热水建议，可选用带热回收的冷水机组。李跃[7]等人提出磁悬浮冷水机组在酒店等日负荷波动较大，低负荷运行时间长的情况下节能潜力巨大。经调查，磁悬浮冷水机组的IPLV能达到10左右，而普通离心式冷水机组往往只能达到5.6左右，部分负荷下能效比较高。因此，我们将磁悬浮冷水机组作为冷源的备选方案，并与普通离心式冷水机组进行比较，寻求最优的冷源方案。热源选取上，孟伟茂[8]等人在设计某大型商业建筑暖通空调系统时采用燃气真空热水锅炉，提出其负压运行，安全可靠，热回收型锅炉还课利用烟气中水蒸气潜热提高锅炉热效率。申琪[9]等人介绍真空热水锅炉安全经济、高效节能、使用寿命长。
风冷热泵不需要机房，占地面积小、振动小、维护简单、安装方便，也在商场、酒店等建筑中占有一席之地。但若冬季全部使用风冷热泵供暖，要校核在冬季最不利工况下风冷热泵是否能满足空调热水需求。由于综合体冷量需求远大于热量，并伴有生活热水需求，因此设计使用带热回收的风冷热泵搭配冷水机组。
直燃式溴化锂吸收式冷热水机组以热制冷，电耗用能较少，且对热源要求不高，振动小、噪声低。并且使用地燃气价格有优势，可节省运行费用，降低固体颗粒物排放（电力按煤电计）。因此，尽管吸收式制冷存在运行维护要求高，制冷效率衰减快等弊端，但还是在商场建筑中较多使用。但由于其在供热方面有优势，而综合体冷量需求较大，故选配冷水机组承担夏季部分冷量，同时搭配了风冷热泵满足部分负荷下直燃机衰减过快导致无法满足的热水需求。
地源系统是近些年发展较快的一种空调冷热源形式，利用土壤浅层能源满足夏季供冷、冬季供暖需求。但此次设计对象周边并无过多商业空地，故结合实际情况我们查阅了有关桩基式埋管地源热泵的相关文献，以期利用地下停车场下桩基面积埋管。此举还可节约打井费等初投资。根据龙西亭[10]等人研究结果可知设计地能源较匮乏，“无油、无气、少煤、缺电”，设计区属于武陵-雪峰构造层，板岩及第四系松散层砂岩地区，不适宜使用地下水水源热泵，但适宜开发地埋管地源热泵。结合世博轴地源热泵热响应测试报告中针对桩基式埋管进行的较为全面的热响应实验，参考李婷[11]对于桩基部分传热研究以期较为客观合理地完成方案设计与计算。
计算CO2热泵热水机组和真空热水锅炉所需能耗和运行费，可以看出CO2热泵热水机组具有明显的优势，以此确定生活热水辅助热源选用CO2热泵热水机组。
综上所述，初步确定六种冷热源方案：
方案一：常规水冷冷水机组+冷凝真空热水锅炉
方案二：磁悬浮变频离心机组+冷凝真空热水锅炉
方案三：热回收冷水机组+磁悬浮变频离心机组+冷凝真空热水锅炉
方案四：热回收多功能一体风冷热泵+常规水冷螺杆冷水机组
方案五：直燃型溴化锂吸收式冷热水机组+常规水冷螺杆冷水机组+风冷热泵
方案六：桩基埋管式地源热泵+常规水冷螺杆冷水机组+燃气真空热水锅炉
7 各方案对比分析
对上述六种冷热源方案进行能耗、经济性、环保、室外空间、系统复杂性、可靠性等多角度对比分析，权重选择较优方案。
7.1 能耗
各方案能耗计算结果见图8（折算为标煤消耗量），该图较为直观地对比得到能耗方面：方案三最为节能，方案二次之，方案五能耗较大。
7.2 经济性
采用投资回收年限法对几种种方案进行经济性比较。各方案静态投资回收期见表5。从回收期看方案二、方案三均较好。其中，方案三能在三年左右实现回收，较为理想。
由于各方案机组寿命不同，因此在进行经济性比较时选用费用年值法。年经营费即费用年值为固定费和运行费用之和，固定费包括设备折旧费与利息（2.1%）等。运行费包括能耗费、管理费、维修费等。经过计算后得到各方案费用年值见图9。可以发现在运行年数较少时（<3）方案一为较为经济的方案，但随着运行年数的增加，方案三因其运行费用少而突显出了经济性方面的优势。
7.3 环保性
计算得到各方案污染物排放见图10所示，方案三、四较为环保。
根据上述计算对比分析得到结论如下：
（1）能耗：方案三最为节能，方案二次之，方案五能耗较大。
（2）经济性：寿命不同时选用费用年值作为经济性比较参数，在运行年数较少时（<3）方案一为较为经济的方案，但随着运行年数的增加，方案三因其运行费用少而突显出了经济性方面的优势。选择投资回收年限作为参数进行分析时，方案三能在三年左右内实现回收，较为理想。
（3）排放：从污染物排放来说，方案三、四是较为环保的方案。
（4）考虑建筑设备用房，室外空间情况 ，系统复杂性，可靠性等可知：方案四同时含有风冷及水冷设备，机房布置难以集中，水系统管网施工量增加，且使用风冷热泵受室外干球温度影响大，要考虑结霜等带来的不利工况下机组运行效率下降等问题，可靠性差；方案六多种冷热源配备，可靠性强，但系统复杂，且桩基埋管施工难度高，搭接传统冷热源形式时，地源热泵又并非承担主要冷热量，不免多余。
因此根据上述计算对比分析，综合考虑经济、节能、环保等方面，选择方案三：全热回收螺杆冷水机组+磁悬浮变频离心机组+冷凝真空热水锅炉作为本设计的系统冷热源形式。
8 总结与讨论
（1）采用谐波法的工程简化计算方法手工计算设计日冷负荷，稳态算法计算设计日热负荷，鸿业负荷计算软件验证，能耗模拟软件DeST和EnergyPlus对该建筑进行全年逐时能耗模拟，对比计算结果选取夏季负荷计算平均值3174.48kW。冬季取手算值1291.58kW进行设计。
（2）对综合体及其塔楼、裙楼分别进行了全年逐时负荷模拟，得到综合体各区域冷热需求的切换时间，商场和酒店存在过渡季中半个月左右的冷热需求不同，建议商场采用全新风供冷，酒店供热由热源保障。根据综合体各区域年负荷分析结果与全年室外干球温度划分空调季。
（3）根据综合体全年逐时负荷模拟及空调季划分结果统计供冷季负荷累计频率图和供热季负荷累计频率，结合各区域用能占比确定供冷主机配比2:3:3:2。而供热季主机配比则参考各区域负荷占比，综合体部分负荷情况决定，控制主机台数不宜过多。
（4）根据调研及模拟数据，得到设计日及供冷季逐时空调和热水负荷对比，结果显示空调冷凝热的数值均远大于生活热水的供应热量。建议冷热源方案中考虑采用空调冷凝热回收搭配辅助热源制备生活热水。
（5）综合前述结论及调研，初步制定六种，满足综合体冷热需求。便于区域能源调配的冷热源配置。从能耗、经济性、排放、建筑设备用房、室外空间情况 、系统复杂性、可靠性等权重选择最优配置方案。
参考文献
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[11] 李婷.某桩基埋管式地源热泵中桩基埋管部分换热性能的数值模拟[D].西安:西安工程大学2013.
备注：本文获评为第21届暖通空调制冷学术年会青年优秀论文，收录于《建筑环境与能源》2018年10月刊总第15期（第21届暖通空调制冷学术年会文集）。版权归论文作者所有,任何形式转载请联系作者。
