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蘇州大劇院空調系統冷源方案設計

發表日期:2019/7/11 10:52:25 來源:《制冷與空調》 評論 總點擊量: 次

随着我國經濟發展水平的提高,近年來新建了大量服務大衆的文化娛樂綜合體建築,包括規模不等的劇院。劇院建築内部功能越來越龐雜的劇場及其附屬用房的溫濕度要求,對劇院空調系統設計提出了越來越高的要求\[1\]。現代劇院空調系統設計與早期的國内劇院空調系統設計有較多不同之處,包括配套的觀衆大廳、多功能劇場及排練廳等空調系統設計;劇院空調系統與常規商業及辦公建築項目的空調系統負荷特性及使用特點均有較大不同。筆者通過闡述蘇州大劇院項目的空調系統設計,為類似劇場項目空調系統冷熱源方案的選擇提供參考。

1 項目概況

蘇州大劇院位于蘇州市吳江區太湖新城,是蘇州文博中心項目2個子項目中的一個,另一子項目為吳江博覽中心。蘇州文博中心整體位于太湖邊,建築外形呈飄帶狀(見圖1),總用地面積約58 000 m2。蘇州大劇院子項目地上7層、地下1層,總建築面積104 827 m2,首層局部為商業用房,其餘為舞台、後台、電影院、餐飲、培訓及相關附屬房,地下一層為汽車庫和設備用房。大劇場座位數為 1 604座,屬于特大型劇場;音樂廳座位數為 531座;座位數總計899座,由7個觀衆廳組成,屬于中型電影院。

2 空調系統概況

大劇院項目共有劇院及公共區域、電影院、辦公、配套商業4種不同的業态,空調負荷統計如表1所示。


2.1 各業态空調系統冷源配置方案

本項目外形奇特,能夠放置室外機的位置有限,建築方案要求各業态(影院、劇院、商業、辦公)的空調系統冷熱源盡量集中并協調統一。由于商業區域的體量在項目中占比較大,如果全部采用獨立VRV(變制冷劑流量)系統,大量的室外機将沒有合适的安放位置,對整個項目的效果影響較大。

集中式空調系統可以通過配置不同容量的冷水機組以及相應的水泵和管路滿足各業态的負荷需求,可分别計量。商業運營時間雖然與其他業态有所不同,但通過合理配置冷水機組容量,可以使冷水機組在部分負荷下在高效區運行。但是分散的風冷VRV系統效率不如配置合理的集中式空調系統。

通過上述分析及與使用方、運營方讨論确定冷源方案如下:

1) 影院、劇院和商業共用冷源系統,辦公部分由于業主需要有靈活性的使用要求,采用VRV系統;服務于舞台工藝以及使用時間要求非常特殊的,例如燈光、控制室等均采用獨立VRV系統。

2) 冷凍水系統采用二次泵變流量系統,針對大劇院及公共區域、電影院、商業3種業态,分别設置不同的二次冷凍水循環泵,采用不同的獨立水管,主回水管路上設置能量計。

3) 地下一層空調區域、地下二層空調箱以及地下化妝間的風機盤管機組等采用四管制,其他區域采用二管制,冷、熱水管路在立管處切換;水平管路同程布置,主立管異程布置,用動态壓差溫控平衡閥調節系統各水路平衡。

4) 冷、熱水系統均各設一套閉式定壓膨脹水箱,置于冷水機組機房内,水系統最高點及水平管路設自動排氣裝置。

5) 電影院和商業的負荷特性較為一緻,因此都設置了獨立的兩管制系統,可以在機房内進行常規的冬夏冷熱兩管制切換。

冰蓄冷及冷凍水系統的流程如圖2所示。

2.2 冷源方案設計

蘇州大劇院項目體量較大,其運營時間較集中,運行頻率較低,空調峰值負荷高。對國内同類型項目調研的結果顯示,空調尖峰負荷運行時間僅占全年空調系統運行時間約6%~8%\[2\]。空調系統冷源若按照常規設計,即冷水機組及水泵等設備均按照峰值負荷設計選型,這将使設備在絕大部分時間處于低負荷率狀态運行,系統經濟性不高\[34\]。

本項目空調系統冷源方案的制定,結合劇院非演出時段的空調負荷遠低于尖峰負荷以及尖峰負荷出現于演出時段的特點,同時考慮到本項目對市政用電容量申請額度限制,采用雙工況冷水機組(進行冰蓄冷)+基載冷水機組的冷源方案。基載冷水機組設置的目的主要是在雙工況冷水機組夜間進行冰蓄冷時滿足電影院及部分商業的夜間空調負荷需求。

2.2.1  冷水機組選型

本項目設計日逐時空調冷負荷如表2所示,由表可知,空調尖峰負荷出現在18:00,負荷為9 500 kW。

根據表1,電影院和商業區域空調總負荷為3 780 kW,其夜間空調冷負荷可按70%的白天峰值負荷考慮,約2 650 kW。結合系統總設計負荷9 500 kW,考慮設置基載冷水機組制冷量Qj為2 800 kW,約為總峰值負荷的30%,電影院和商業區域白天尖峰負荷的74%。

雙工況冷水機組制冷量(kW)計算如下:

式中:qi,qj…qk為8:00—24:00中大于Qj的逐時負荷(kW·h);n1為雙工況冷水機組在夜間制冰工況下運行的時間(h);n2為雙工況冷水機組在空調工況下運行的時間(h);cf為雙工況冷水機組制冰制冷能力的變化率,按0.65計算。

通過計算得到的qc仍大于n個qi-Qj,qj-Qj…qk-Qj,需要對n2進行修正:


則修正後的qc=3 904 kW。

因此,選用雙工況冷水機組制冷量為4 000 kW,全天蓄冰8 h,結合冷水機組制冰制冷能力的變化率cf,全天蓄冰量為20 800 kW·h,而設計日全天用冷量為115 857 kW·h,蓄冰量為用冷量的18%。

經上述分析計算,本項目冷源配置2台2 000 kW雙工況冷水機組(冷卻塔散熱,蓄冰槽蓄冷)、2台1 400 kW基載冷水機組(1台螺杆式冷水機組,1台磁懸浮離心式冷水機組,冷卻塔散熱,承擔基載負荷),總裝機制冷量為6 800 kW,提供供/回水溫度為6 ℃/12 ℃的空調冷凍水。基載冷水機組采用部分熱回收形式,夏季回收冷凝熱提供劇場内的送風再熱以控制室内濕度或生活熱水預熱使用。

2.2.2  冰蓄冷系統運行策略

采用冰蓄冷系統後,如何使蓄冰系統結合适宜的運行策略運行以降低系統運行費用是重中之重。

本項目空調負荷占比較大的是劇場區域,劇場的演出多在晚間進行,而且劇場并非每天都使用。若冰蓄冷系統僅僅為劇場服務,則其全年利用率将随着劇場使用頻率受限而不高,繼而冰蓄冷系統的投資回收期和經濟性都會受到影響。但是,本項目有面積約6 000 m2的劇場附屬商業,主要是教育培訓、餐飲及零售商鋪等。此區域負荷比較穩定,空調冷負荷約1 400 kW,設計日全天空調冷負荷約14 000 kW·h,占總蓄冰量的67%。劇場沒有演出而其空調系統不使用時,劇場附屬商業部分穩定的空調負荷需求也可以保證冰蓄冷系統得到充分的利用。在劇場演出日,劇場的空調系統及其附屬商業的空調系統會同時運行,此時冰蓄冷系統可以得到最充分的利用。空調系統優先利用冰蓄冷系統的冷量滿足空調負荷,當尖峰負荷出現、冰蓄冷系統的融冰釋冷量無法滿足負荷需求時,同時運行雙工況冷水機組和基載冷水機組。



圖3所示為100%,75%,50%和25%負荷率時的運行策略,可以看出,從100%負荷率逐漸變到25%負荷率的過程中,雙工況冷水機組白天運行時間越來越少,而冰蓄冷系統融冰供冷的作用逐漸加大,到了25%負荷率時,基本實現冰蓄冷系統融冰供冷運行。

2.2.3  冰蓄冷系統和常規水冷系統的經濟性比較

冰蓄冷系統需要增設蓄冰裝置及其附屬系統,雙工況冷水機組成本也相對更高,這些因素使得冰蓄冷系統初投資高于常規水冷系統。筆者從初投資和運行費用兩方面對冰蓄冷系統經濟性進行分析,如表4所示。

從表4可以看出,相對常規水冷系統,冰蓄冷系統初投資增加約237.5萬元,年運行費用減少40.6萬元,投資回收期約為6年。

3 結束語

針對有配套商業等穩定空調負荷的劇院建築,結合其空調尖峰負荷突出、平時負荷較小的特點,可以通過設置冰蓄冷系統,利用其移峰填谷功能,減小冷水機組配置容量,系統後期運行費用可以降低。相對常規冷水系統,通過制定合理的冰蓄冷系統運行策略,可以提高冰蓄冷系統後期的利用率,投資回收年限約6年。


稿件選自《制冷與空調》2019年第3期,作者:廖健敏  何光瑩  馮啟輝;未經許可,不得轉載



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