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大型超市空調系統設計中節能措施的分析

發表日期:2019/5/16 10:50:14 來源:《制冷與空調》 評論 總點擊量: 次

典型的大型購物超市,具有人流量大,人員密度大,空調冷負荷指标高,運行時間長的特點,空調系統初投資和運行費用都比較高。采取節能措施,能減少初投資和運行費用,節約能源消耗,在超市空調系統設計中具有非常重要的意義。

本文以某大型連鎖超市北京區域某門店為例,介紹了該超市在空調系統設計中采用的3種節能措施,分别為:1)空調冷凍水與冷卻水采用雙側大溫差系統;2)回收空調機組冷凝水作為冷卻水系統補水;3)賣場區域空調風管采用布袋風管。同時,對采取節能措施後的空調系統與常規空調系統進行了對比分析,指出這些措施能有效地降低初投資和運行費用,可為以後超市空調系統的節能設計提供參考。

1 工程概況

1.1建築概況

本工程位于北京市朝陽區,主體建築地下3層,地上15層;其中裙房一層小部分區域,二、三層大部分區域為超市所有,總建築面積為20 700 m2

1.2空調設計方案

超市空調系統選用兩台制冷量為1 584 kW (450 RT)的離心式水冷冷水機組。冷凍水及冷卻水側均采用大溫差,冷凍水供回水溫度5/13 ℃,冷卻水供回水溫度32/40 ℃,冷卻塔設置在裙房屋頂。二、三層組合式空調機組的冷凝水全部回收用于冷卻塔補水,補水箱(冷凝水收集到補水箱)設置于一層空調機房内。

空調風系統采用低速單管全空氣系統,商鋪區組合式空調機組風機變頻運行,大空間的賣場區采用布袋風管。所有空調機組的新、回風管上均裝設電動比例積分調節閥,室内裝設二氧化碳濃度傳感器,根據二氧化碳濃度,調節新、回風比,過渡季全新風運行。

2 空調系統節能方案分析

集中式空調系統的能耗包括冷熱源、空調末端設備、輸配系統3部分。因此,減少設備及管材的初投資,降低輸配系統的能耗,是降低初投資和運行費用的有效措施。本工程在空調系統的設計中主要采用了以下3種節能措施。

2.1雙側大溫差系統

大溫差設計是相對常規設計,即冷凍水溫度參數7/12 ℃(溫差5 ℃),冷卻水溫度參數37/32 ℃(溫差5 ℃)而提出來的。冷凍水溫差和冷卻水溫差二者或者其一大于常規溫差的設計,稱為大溫差設計。該工程在空調設計中采用了冷凍水及冷卻水雙側大溫差系統,其主要技術參數詳見表1。其中方案1為該工程中采用的雙側大溫差方案,方案2為常規空調方案。下文從冷源側和空氣側兩方面,對雙側大溫差系統進行技術和經濟性分析。

2.1.1冷源側分析

由表1可以看出:方案1中,冷凍水及冷卻水的供回水溫差均為8 ℃;方案2中,冷凍水及冷卻水的供回水溫差均為5 ℃。前者冷凍水及冷卻水的供回水溫差都高于後者。

式(1)中:Q為水的傳熱量(kW);c為水的比熱(kJ/kg·℃),取4.2 kJ/kg·℃;m為水的質量流量(kg/s);Δt為供回水溫差(℃)。

由式(1)可以計算出水量。由1.2節可知Q為3 168 kW(900 RT)。将本工程分别采用方案1及方案2兩種空調形式時,冷源側的主要設備:冷水機組、冷卻塔、冷凍水泵及冷卻水泵的主要參數及耗電功率列于表2。該超市空調運行時間從每年5月到9月,共5個月,每天運行12個小時,冷水機組的運行時間按每年折合滿負荷運行時間為959 h(式2)計算,水泵和冷卻塔運行時間為1 836 h(式3)。設備耗電量為運行時間×功率,平均電費按1元/kW·h計算。


由表2可以看出,對于本工程而言,方案1比方案2初投資節省4.5萬元,運行費用每年節約13.0萬元。可見,與方案2相比,方案1冷凍水及冷卻水供回水溫差增大,同樣冷負荷下,冷卻水泵、冷凍水泵及冷卻塔的容量相應減小,設備耗電量降低,使得設備的初投資及運行費用均減小。采用大溫差,對冷水機組的制冷性能系數有影響,增加了冷水機組的初投資及運行費用,但從冷源側整體來看,方案1比方案2初投資更低,運行費用更少。

2.1.2空氣側分析

室内設計狀态點N,幹球溫度tN為27 ℃,相對濕度N為60%。方案1和方案2的空氣處理過程如圖1。

由送風量的計算公式:


式(4)中:G為空調送風量(kg/s);Q為室内冷負荷(kW);iN為室内空氣狀态點焓值(kJ/kg);iO為送風狀态點焓值(kJ/kg)。

可知,對于同一建築當室内冷負荷确定後,采用不同的送風溫度,空調送風量不一樣。送風量和室内狀态點與送風狀态點的焓差(iN-iO)成反比。由圖2可以看出:

方案1中:

通過以上的計算可知,采用方案2時,空調送風量相當于方案1送風量的1.67倍。與常規空調相比,空氣側采用大溫差,增大送風溫差,減小送風量,從而達到減少風管(閥門)尺寸及末端風口的數量,降低初投資和風機耗電量的目的。為滿足冷凍水大溫差的換熱要求,該工程設計采用了大溫差空氣處理機組。

以下從組合式空氣處理機組及對應送風管初投資、機組運行費用兩方面進行經濟性分析。本工程中共設10台組合式空氣處理機組,其中一層2台,二層4台,三層4台。将方案1和方案2兩種方案下的空氣處理機組的風量、功率、初投資(包含送風主管道及相應配件)及年平均運行費用列入表3。在運行費用計算中,空調機組全年運行(過渡季采用調節新風閥、回風閥開度,以滿足室内舒适度要求),每天運行12 h;根據實測數據,空調機組耗功率平均為額定功率的0.8,計算時采用額定功率×0.8的方式統計耗電量。

由表3可以看出,與方案2相比,方案1可節省初投資17.3萬元,每年可節約運行費用53.3萬元。可見與常規空調相比,空氣側大溫差系統可帶來明顯的經濟效益。

2.1.3 小結

從上文的分析可知,本工程采用雙側大溫差系統,冷源側和空氣側共可節省初投資21.8萬元,每年節約運行費用66.3萬元,技術上可行且經濟效益很好。

2.2冷凝水回收

目前,處理冷凝水的最常見方法是直接将其排放到室外或接到附近地漏排出。實際上,合理利用空調冷凝水,不僅可以帶來可觀的經濟效益,還可以消除冷凝水無序排放對環境造成的影響。

2.2.1冷凝水回收技術方案

本工程屬于大空間的全空氣系統,空氣處理設備集中設置,便于冷凝水的回收。設計中,将空氣處理機組及風機盤管産生的冷凝水收集起來,作為冷卻塔的補水,有效地利用了空調的冷凝水,冷凝水回收原理圖見圖 2。冷凝水收集到補水箱,補水箱及補水泵裝設在一層空調機房,将二、三層空氣處理機及風機盤管産生的冷凝水收集到補水水箱,由循環水泵送入冷卻塔,作為冷卻塔的補水,根據補水箱内水位測點信号控制補水量。

2.2.2冷凝水回收系統的經濟性分析

本工程中,将混合空氣由狀态點C,處理到狀态點L(圖1)的過程屬于減濕冷卻過程,空氣被冷卻和幹燥,空氣中的水蒸氣凝結,有冷凝水析出。設備所需要提供的冷量可按下式計算:


式(8)、(9)中:iC為混合狀态的空氣比焓值(kJ/kg);iL為機器露點的空氣比焓值(kJ/kg);dC為混合狀态的空氣含濕量(g/kg幹空氣);dL為機器露點的空氣含濕量(g/kg幹空氣)。

産生1 kW冷量時,風量:

産生冷凝水的量:


即:将空氣由混合點處理到送風露點時,每制1 kW冷量,産生的冷凝水為0.74 kg/h。二、三層設備的總制冷量為2 672 kW。因此産生冷凝水的總量為1.978 m3/h。

則每個夏季産生冷凝水的總量為1 905 m3,北京市商業用水價格為9.5元/ m3,每年可節約水費1.8萬元。

在本項目中,夏季空調冷凝水較多,将其回收作為冷卻塔的補水,對于業主來說,每年可節約1.8萬元的水費。同時,也是緩解水資源緊張,節約用水的有效措施。回收冷凝水,在初投資方面隻增加了冷凝水回收的管路,總費用不足1萬元,不到一個夏季就可以收回初投資,經濟性較好。

2.3布袋風管的應用

2.3.1設計方案及優缺點分析

布袋式風管是一種新穎的送風管道,由特殊的纖維織成,主要靠纖維滲透和噴孔射流出風。适用于超市、工業廠房等大空間的短距離送風。布袋式風管通過整個管壁的纖維縫隙或是均勻設計的多排小孔送風,可以代替送風支管及散流器;管壁外形成冷氣層,無凝露問題,不需要管道保溫。與傳統鐵皮風管相比,布袋風管具有以下4個主要優點:1)由纖維織物制成,造價較低;2)布袋風管采用鋼繩或滑軌懸挂,安裝便捷,施工周期短;3)風管吸附灰塵過多,阻力變大時,将風管拆下,放在商用洗衣機中清洗即可,維護方便,清洗費用低;4)布袋式風管整體送風均勻舒适,系統成扇形送風,覆蓋面積大,是傳統風管3~5倍。但同時,布袋風管也有以下兩個缺點:1)風量調節能力差;2)管路較長時,冷量損失較大。

在本工程空調系統設計中,充分考慮了布袋風管的優點及缺點,賣場區采用鐵皮風管與布袋式風管相結合的方式送風,送風主幹管采用鐵皮風管,送風支管采用布袋風管,回風管為鐵皮風管(圖3)。與空氣處理機相接的送風主幹管采用鐵皮風管,支管中均留有30 cm長的鐵皮風管,裝設風量調節閥,之後與布袋風管相連,給賣場送風。這樣既可以實現送風量的靈活調節,又可以充分利用布袋風管價格較低、布置靈活、施工及維護簡便的優勢,在實現空調舒适度要求的前提下,降低初投資及後期清洗維護費用(鐵皮風管需要用機器人清洗,費用較高)。

2.3.2經濟性分析

賣場區域面積為8 684.3 m2,表4從初投資和後期清洗維護費用兩個方面,對賣場區采用布袋風管和傳統鐵皮風管+保溫+散流器的兩種送風系統進行了對比分析。


從表4可以看出,在賣場區域,采用布袋風管,與傳統的鐵皮風管相比,初投資方面節省17.9萬元,後期的清洗維護費用節省4萬元/次(根據GB 19210—2003規定,送風管2年應清洗一次\[2\]),每年節省2萬元,具有明顯的經濟效益。

3 結束語

該工程空調系統采用雙側大溫差系統,可節省初投資21.8萬元,每年節約運行費用66.3萬元,具有很好的經濟效益。

回收末端空調設備冷凝水作為冷卻塔補水,每年可節省水費1.8萬元,而增加的投資不到1萬元,既節約了寶貴的水資源,又具有良好的經濟效益。

在大空間的賣場區域采用布袋風管,通過合理的系統布置,不僅滿足了空調舒适度要求,而且降低了初投資(17.9萬元)和後期清洗維護費用(2萬元/年)。

該工程作為典型的大型購物超市,結合大型超市的特點,在空調系統設計中采用了3種行之有效的節能措施,共節省初投資38.7萬元,每年節約運行費用70.1萬元,經濟性非常好,可供其他大型超市空調系統設計項目借鑒。

稿件選擇《制冷與空調》2019年第2期,作者:安愛明  雷麗娜  孫曉飛  廖林;未經許可,不得轉載


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