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　　引言(一級(jí))

　　上海世博文化中心是世博園區(qū)永久性建筑之一，秉承了上海世博會(huì)“城市，讓生活更美好”的綠色主題。設(shè)計(jì)按照3R(Reduce，Reuse & Recycle)原則，以“建筑、環(huán)境與人的和諧互動(dòng)”作為核心理念，嚴(yán)格參照《綠色建筑評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，采用了江水源熱泵系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)、可再生環(huán)?？照{(diào)冷熱源、高效低泄漏制冷劑、氣動(dòng)垃圾回收系統(tǒng)、空調(diào)凝結(jié)水與屋面雨水收集系統(tǒng)、程控型綠地節(jié)水灌溉系統(tǒng)等節(jié)能環(huán)保技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了新能源利用、節(jié)地、節(jié)能、節(jié)水、資源回收和再利用的統(tǒng)籌安排，使得文化中心成為名副其實(shí)的綠色建筑，并于2009年11月獲得國(guó)家“三星級(jí)綠色建筑設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)”[1]。

　　工程概況(一級(jí))

　　冷熱源系統(tǒng)(二級(jí))

　　世博文化中心在世博會(huì)期間為24小時(shí)運(yùn)行，占地面積6.7萬(wàn)平方米，總建筑面積14萬(wàn)平方米，其中地上為單層的18,000座多功能劇場(chǎng)及環(huán)繞主場(chǎng)館的周邊六層建筑，地下為兩層建筑。夏季空調(diào)最大設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為14950kW(4250Rt)，冷負(fù)荷指標(biāo)為119W/m2;冬季空調(diào)最大設(shè)計(jì)熱負(fù)荷為9200kW，熱負(fù)荷指標(biāo)為74W/m2。

　　文化中心毗鄰黃埔江邊，根據(jù)水文資料，黃埔江水表層溫度夏季為26~32℃，中下層水溫只有15~22℃;冬季表層最低溫度為3~8℃，中下層水溫為10~15℃[2]。江水的溫度特性使得黃浦江水成為水源熱泵的理想熱源，不過(guò)由于江水水質(zhì)屬于V類(lèi)，水中雜質(zhì)比較多，需要使用防腐措施，但是結(jié)合世博園區(qū)的水過(guò)濾系統(tǒng)恰好可以滿足需求。

　　考慮到本項(xiàng)目夏季冷負(fù)荷比冬季熱負(fù)荷大很多，而夜間冷負(fù)荷需求又較小的特性，世博文化中心采用了江水源熱泵和冰蓄冷空調(diào)相結(jié)合的方案。夏季夜間在滿足冷負(fù)荷需求同時(shí)可以利用夜間低谷電力蓄冰，日間電力高峰時(shí)使用蓄冰的冷量和江水源熱泵機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)日間的冷量供應(yīng)。冬季江水源熱泵制熱可滿足約55%總熱負(fù)荷量，其余使用鍋爐輔助制熱。

　　該系統(tǒng)配置共采用了5臺(tái)三級(jí)壓縮離心式冷水機(jī)組，其中3臺(tái)為650Rt的江水源雙工況蓄冰離心式冷水機(jī)組，另2臺(tái)為650Rt的江水源熱泵離心式冷水機(jī)組。夏季供空調(diào)冷水6℃/13℃，采用了大溫差小流量方案，進(jìn)一步節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用;冬季則提供40℃/45℃的空調(diào)熱水。

　　三級(jí)壓縮離心式冷水機(jī)組(二級(jí))

　　本項(xiàng)目采用的三級(jí)離心式冷水機(jī)組，能提供超常壓頭和超常的負(fù)荷調(diào)節(jié)范圍，不僅冬季可以提供高溫?zé)崴?，而且夏季也可以?shí)現(xiàn)制冰工況與制冷工況的安全切換，這是常規(guī)的單級(jí)離心式冷水機(jī)很難完成的。另外與螺桿機(jī)組蓄冰相比，離心機(jī)具有單機(jī)制冷量大、效率高的優(yōu)點(diǎn)，不僅能節(jié)省工程的初投資，而且還可以節(jié)約系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，其投資回收年限遠(yuǎn)短于螺桿機(jī)。

　　世博文化中心采用的三級(jí)壓縮式離心機(jī)組為電機(jī)與壓縮機(jī)直接傳動(dòng)，無(wú)齒輪傳動(dòng)的損耗，機(jī)組運(yùn)行可靠，且具有變流量補(bǔ)償功能，其變流量范圍更寬廣，極其適合應(yīng)用于大溫差小流量系統(tǒng)，這樣進(jìn)一步節(jié)省了冷水系統(tǒng)整體運(yùn)行能耗。

　　世博文化中心采用的三級(jí)壓縮式離心機(jī)組使用了環(huán)境友好型制冷劑 R123。根據(jù)國(guó)標(biāo)《制冷劑編號(hào)方法和安全性分類(lèi)》新版GB/T 7778-2008的定義， R123和R134a都是環(huán)境友好型的制冷劑，都可以在美國(guó)綠色建筑協(xié)會(huì)的LEED評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中獲得評(píng)分。但是R123采用負(fù)壓運(yùn)行，冷媒泄漏量小,從臭氧層破壞、溫室效應(yīng)、高效節(jié)能、短的大氣壽命等幾個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)，R123機(jī)組對(duì)環(huán)境的綜合影響要比R134a機(jī)組小。

　　江水源冰蓄冷系統(tǒng)(二級(jí))

　　本項(xiàng)目中的冰蓄冷系統(tǒng)采用了3臺(tái)三級(jí)壓縮離心式冷水機(jī)組，單臺(tái)空調(diào)工況(6℃/13℃)制冷量為2286kW(650Rt)COP=5.1，制冰工況(-2.3℃/-5.6℃)制冷量為1498kW(426Rt)COP=4.4;蓄冰裝置總蓄冰量為32000kWh(9098Rth)，占設(shè)計(jì)日空調(diào)總冷量的20%。載冷劑采用體積比為25%的乙二醇溶液。

　　冰蓄冷系統(tǒng)在控制上采用了成熟的分量蓄冰，設(shè)計(jì)采用主機(jī)優(yōu)先的運(yùn)行策略，部分負(fù)荷時(shí)可融冰優(yōu)先運(yùn)行。

　　空調(diào)冷卻水直接使用分級(jí)過(guò)濾處理后的江水，減少了污垢，提高了換熱效率。同時(shí)，機(jī)組換熱器中采用銅鎳合金管，加強(qiáng)了防腐功能，并配備自動(dòng)清洗裝置，提高了機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行的可靠性和性能穩(wěn)定性。

　　江水源熱泵系統(tǒng)(二級(jí))

　　本項(xiàng)目的江水源熱泵系統(tǒng)采用了2臺(tái)2286kW(650t)三級(jí)壓縮離心式熱泵冷水機(jī)組，夏季江水設(shè)計(jì)溫度為30℃/35℃，提供6℃/13℃的空調(diào)冷水，COP=5.1;冬季江水設(shè)計(jì)溫度為6.77℃/3℃，提供40℃/45℃的空調(diào)熱水，COP=4.1。從以上參數(shù)可以看出機(jī)組制冷能效并不突出，其節(jié)能優(yōu)勢(shì)在于供熱工況。由于冬季大部分運(yùn)行時(shí)間均優(yōu)于設(shè)計(jì)工況，全年綜合考慮其節(jié)能效果明顯。

　　為了減少換熱損失和避免水系統(tǒng)污染，考慮到熱泵機(jī)組換熱器的特點(diǎn)，熱泵機(jī)組采用閥門(mén)切換方式而雙工況機(jī)組則不切換(見(jiàn)表3)。

　　表 3 江水源機(jī)組水源切換方式

系統(tǒng)集成(二級(jí))

　　江水源熱泵機(jī)組在夏季和冰蓄冷機(jī)組聯(lián)合供冷，約占設(shè)計(jì)冷負(fù)荷的40%;冬季由于江水溫度較低，為保證供熱品質(zhì)，采用熱泵機(jī)組和鍋爐聯(lián)合供熱，熱泵機(jī)組供熱量約為設(shè)計(jì)負(fù)荷的55%。

　　設(shè)計(jì)日負(fù)荷平衡表見(jiàn)圖1 和 圖2。

　　圖 1 夏季設(shè)計(jì)日100%負(fù)荷平衡表

　　圖 2 冬季設(shè)計(jì)日100%負(fù)荷平衡表

　　能效評(píng)價(jià)(一級(jí))

　　為分析聯(lián)合運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，將本項(xiàng)目與常規(guī)方案(離心式冷水機(jī)組與鍋爐供熱)進(jìn)行對(duì)比。

　　表 4 冷熱源方案基本配置

　　常規(guī)方案中，夏季采用離心式冷水機(jī)組供冷，冷凍水7/12℃，冷卻水32/37℃,COP5.1;冬季使用燃?xì)忮仩t供熱，熱水40/45℃。

　　兩方案均采用同品牌水冷離心機(jī)組，初投資比較見(jiàn)下表。

　　表 5 初投資比較 (萬(wàn)元)

在計(jì)算年運(yùn)行費(fèi)用時(shí)，根據(jù)設(shè)備的部分負(fù)荷性能計(jì)算在各負(fù)荷率下的逐時(shí)負(fù)荷，進(jìn)而得到各負(fù)荷下的逐時(shí)費(fèi)用，從而計(jì)算出全年運(yùn)行費(fèi)用。計(jì)算時(shí)盡量保證機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行，再以其他機(jī)組配合運(yùn)行。方案一和方案二夏季和冬季運(yùn)行費(fèi)用見(jiàn)圖4。

　　圖 3 全年運(yùn)行費(fèi)用比較 (萬(wàn)元)

　　系統(tǒng)與常規(guī)系統(tǒng)[冷水機(jī)組(冷卻塔)+ 燃?xì)忮仩t]相比，夏季運(yùn)行節(jié)電約202500kWh，相當(dāng)于節(jié)煤82噸;冬季節(jié)煤約139噸，節(jié)能效果明顯。

　　總結(jié)初投資和運(yùn)行費(fèi)用，方案總體比較結(jié)果如下：

　　表 6 方案總體比較 (萬(wàn)元)

　　綜上所述，江水源熱泵和冰蓄冷離心式冷水機(jī)組聯(lián)合運(yùn)用方案與常規(guī)系統(tǒng)相比，盡管蓄冰槽和江水處理設(shè)備的初投資較大，但由于運(yùn)行費(fèi)用節(jié)省，在5年內(nèi)的時(shí)間就可以回收投資差額。而在機(jī)組的15年設(shè)計(jì)運(yùn)行年限內(nèi)，方案二比方案一節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用3380多萬(wàn)元，節(jié)能效果顯著。

　　結(jié)論(一級(jí))

　　空調(diào)冷熱源系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)備與技術(shù)對(duì)建筑能耗水平和綠色建筑等級(jí)有重要影響。上海世博文化中心針對(duì)負(fù)荷特點(diǎn)和周邊環(huán)境合理利用了江水源熱泵和冰蓄冷技術(shù)，采用了單機(jī)制冷量大，效率高的三級(jí)壓縮離心式冷水機(jī)組，使得空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能和節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用方面表現(xiàn)優(yōu)異，減少了中心空氣調(diào)節(jié)器冷熱源系統(tǒng)的綜合能量電功率損耗比，緩解了城市局部區(qū)域的“熱島”效應(yīng)。采用三級(jí)離心式機(jī)組的江水源熱泵和冰蓄冷技術(shù)的聯(lián)合系統(tǒng)可以在5年內(nèi)回收投資差額。如何進(jìn)一步節(jié)省初投資和運(yùn)行費(fèi)用，提高系統(tǒng)全年應(yīng)用效率需要繼續(xù)研究實(shí)踐。