摘要
介绍了青岛华润万象城城市综合体项目空调冷热源系统、冷水输配系统、空调水系统及冰场空调系统的设计。比较了冰蓄冷方案与常规冷水机组方案。分析了分布式二级泵冷水输配系统的节能性，以及一级泵二级泵均变频系统的控制策略与实际运行效果。
关键词
城市综合体 冷热源 冷水输配系统 空调系统 水系统 冰蓄冷 变频控制
作者
青岛腾远设计事务所有限公司 曲秋波 曲志光 梁斌 王劲松
1 工程概况
青岛华润中心万象城、公寓及写字楼项目是集高端商业、餐饮娱乐、办公、会所及高档酒店式公寓于一体的城市综合开发项目。项目位于青岛市市南区山东路6号，紧邻青岛市政府，东靠山东路，南邻香港路，是目前全国规模最大、业态组合最丰富的城市综合体之一。项目总建筑面积52.7万m2，其中商业建筑面积约44.2万m2，办公楼建筑面积约6.0万m2，公寓楼建筑面积约2.5万m2。商业主体地下3层，地下深度17.8 m，地上共7层，建筑高度为46.3 m。办公塔楼40层，建筑高度为177.7 m。公寓塔楼34层，建筑高度为124.9 m。
2 商业冷热源系统方案与技术经济分析
2.1 设计参数
2.1.1 青岛室外主要计算参数
夏季室外计算干球温度：空调29.4 ℃，通风27.3 ℃；夏季室外计算湿球温度：26.0 ℃；冬季室外计算干球温度：空调-7.2 ℃，通风-0.5 ℃，供暖-5.0 ℃；冬季空调室外计算相对湿度：63%；冬季供暖期：11月15日至4月4日，共141 d。
2.1.2 室内设计参数（见表1）
2.1.3 商业空调冷热负荷
万象城商业空调面积约17.28万m2，空调冷负荷共计32 673 kW，空调热负荷共计21 880 kW。空调面积冷指标为189.1 W/m2，空调面积热指标为126.6 W/m2。
2.2 项目周边能源情况
项目市政配套管线主要从周边道路引入，燃气管线引自山东路现状中压燃气管道，热力管线一路引自江西路华电热力，沿规划海门路引至区内各换热站，另一路引自山东路新设热力管线，沿规划闽江路引至区内各换热站。
可选择的可再生能源利用形式有地源热泵与海水源热泵，但红线范围内无足够的地埋井布置面积，且项目与大海之间相隔2条主要市政道路，无法敷设海水取水管路，因此地源热泵和海水源热泵均不适合本项目。
考虑到本项目的性质和特点，可采用的冷源有水冷冷水机组及冰蓄冷系统，下文对这2种冷源形式进行比较分析，其中冰蓄冷系统考虑3种方案（15%、25%、35%蓄冰量）。
2.3 冰蓄冷系统方案与水冷冷水机组方案的比较
由于办公楼与公寓采用了分体空调方案，因此只对商业部分进行方案比较分析。商场营业时间为10：00—22：00，影院营业时间为10：00至次日02：00，制冷机组开机时间为09：00，商业部分的尖峰冷负荷为36 289 kW，商业供冷期从5月中旬至10月中旬，共154 d。设计日逐时冷负荷见图1。
2.3.1 常规制冷系统与冰蓄冷系统设备配置
常规制冷系统配置5 274 kW冷水机组6台，2 285 kW冷水机组2台。
冰蓄冷系统基载主机容量按照满足制冰时段商场冷负荷选取，同时还要满足与双工况主机与及冰蓄冷共同承担尖峰冷负荷的需求；双工况机组容量按照蓄冰量配置。各种冰蓄冷方案设备配置如表2所示。
2.3.2 运行费用比较
1）青岛市供电系统对商业项目的电价政策如表3所示。
2）常规空调系统制冷机房运行费用。
在计算年运行费用时，85%~100%设计负荷日用电量按照100%设计负荷日用电量计算，60%~85%设计负荷日用电量按照75%设计负荷日用电量计算，30%~60%设计负荷日用电量按照50%设计负荷日用电量计算，小于等于30%设计负荷日用电量按照25%设计负荷日用电量计算。供冷季负荷曲线图见图2。常规空调系统年运行费用见表4。
3）冰蓄冷方案运行费用。
每日冷负荷高峰段（13：00—18：00）与电价平价时段重合，此时段基载主机与双工况主机优先运行，冰蓄冷系统释冷补充，在电价尖峰时段（6—8月实施）与电价高峰时段，冰蓄冷系统释冷与主机联合供冷，在电价低谷时段（23：00至次日07：00），双工况主机蓄冰模式运行。3种冰蓄冷方案100%负荷日运行策略见图3，年运行费用见表5。
2.3.3 2种系统的经济性比较（见表6）
根据上述分析，因万象城白天与夜间冷负荷相差较大，采用冰蓄冷系统对于节约系统运行费用及在拉闸限电的条件下保证系统的供冷能力十分有利。但是，尖峰时段电价仅为低谷时段电价的3.77倍，且按照青岛的自然气候条件，供冷时长短，主要集中在7—9月，年运行费用节约有限，3种冰蓄冷方案的投资回收期均在14 a以上，蓄冷量越大，投资回收期越长。故从经济性角度出发，不建议采用冰蓄冷系统。
2.4 万象城商业冷热源方案
1）商业空调系统冷源。万象城购物中心制冷机房位于地下2层，共设置5台6 984 kW（10 kV高压配电）变频离心主机（其中1台为商业二期预留，仅预留位置与电量）与2台1 758 kW定频离心主机。冷水供/回水温度为6 ℃/12 ℃，冷却水供/回水温度为36 ℃/31 ℃，冷却塔配置双速电动机及高效换热填料挡水板。商业冷源系统原理图见图4。
2）冷却塔免费供冷系统。在冬季和过渡季工况下，可利用冷却塔的自然冷却能力为系统提供冷水，冬季和过渡季为需要常年供冷的商业内区提供免费冷源。万象城购物中心共配置7台冷却塔；冷却塔设置在6层商场屋面上，冷却塔供/回水温度为7 ℃/10 ℃。当室外湿球温度降到4 ℃时，进入免费供冷模式，4台6 984 kW主机对应的冷却塔运行，全年室外湿球温度低于4 ℃的天数为68 d。另外，这4台免费供冷的冷却塔水盘各配辅助电加热器（6 kW，6组），以维持水盘温度不低于4 ℃。2台冷却水泵在免费供冷时为变流量运行，维持单台冷却塔水量为夏季水量的40%~50%。
3）电影院冷源。考虑到电影院营业时间的特殊性，采用独立冷源，单独设置风冷冷水机组。
4）商业空调系统热源。热源为市政热网提供的110 ℃/70 ℃热水，采用3组水-水板式换热器（每组含3台换热器）、3组热水循环水泵（每组设有3台水泵，两用一备），分别为3个商业区域（A、B、C区，见图5）空调系统提供60 ℃/45 ℃热水；商业入口地板供暖系统单独设1台换热器和2台循环水泵（一用一备），为地面辐射供暖系统提供55 ℃/45 ℃热水，换热器及水泵等设备均设置在地下3层商业换热站内。热源系统原理图见图6。
3 空调冷水输配系统
本项目商业单层面积较大，内区店铺需要常年供冷，空调水系统采用四管制。冷水输配系统采用一级泵、二级泵均变频的分布式二级泵系统，二级泵分布于各负荷中心附近。万象城商业部分共布置5组二级泵，其中A区布置1组，B区与C区各布置2组，每组设3台水泵（两用一备）。一级泵与二级泵之间采用设在地下3层管廊内（见图7）的环网连接，环网管径DN700，在水管环网的重要节点配设分区水阀，当其中一段管段故障时，可通过关断相应的阀组检修而不影响其他环路的运行，以提高系统可靠性。
分布式二级泵系统与集中式二级泵系统相比，有以下优势：
1）分布式二级泵系统更节能。首先，分布式二级泵采用环管连接，环管设置在管沟内，不做变径，从图8与图9可以看出，距离制冷机房越远，干管的比摩阻越小，相比集中式二级泵系统，降低了各环路的沿程阻力，降低了二级泵扬程。其次，分布式二级泵安装于各负荷区域的中心，降低了平衡阀消耗的压头，避免了压力浪费。以C区为例，当二级泵集中布置时，水压图见图10，离制冷机房最近的环路需要平衡阀消耗掉的压头为c段压降，分布式二级泵系统C区水压图（如图11所示）中离二级泵最近的环路平衡阀消耗掉的压头为a段压降，小于图10中的c段压降。与集中式二级泵系统相比，分布式二级泵系统的二级泵配电容量降低约25%，节省了二级泵初投资与运行费用，进一步实现了节能。
2）分布式二级泵系统更节省安装空间。传统集中式二级泵系统的二级泵均布置在制冷机房，水管数量多，占用安装空间大，影响层高；分布式二级泵系统可利用地下3层沿着建筑外墙侧预留的可环通的机电安装空间布置管线（见图12），节省了整个地下3层的管线安装空间。
3）分布式二级泵系统因设置了环管而提高了系统的可靠性。主输配系统沿着地下3层外墙环廊呈环形布置，在重要位置设关断阀门，降低了系统压降，提高了系统的可靠性。
4 一级泵二级泵双变频系统控制策略
当制冷机供水温度高于设定值1 ℃且持续一定时间时，加开1台制冷机。根据流量和供回水温差，计算实际制冷机输出的冷量，当输出冷量与制冷机满负荷冷量的差额大于等于1台制冷机的制冷量时，可以关闭1台制冷机。通过检测一级泵环路总水流量与二级泵环路总水流量，控制一级泵流量不低于二级泵回路总流量，避免旁通管出现盈亏，降低一级泵与制冷机能耗。
5 冰场空调系统设计
商场设有室内娱乐冰场，冰场位于4层，竖向跨越4~6层，室内吊顶下净高约18 m，冰场冰面面积约1 600 m2。冰场空调系统采用一次回风空调机组2台，夏季送风量按照室内湿负荷与冷负荷计算，送风温度高于室内露点温度，由于冰场处于开敞环境，送风量需满足3 h-1换气次数。冷热源采用购物中心集中冷热源提供的6 ℃/12 ℃冷水及60 ℃/50 ℃热水，夏季再热热源采用冰场制冰机组冷却水。夏天冰场制冰机组是指维持冰场冰面低温的制冷机组。空调机组由多个功能段组成，依次为新风段、新风过滤段、新风预热盘管段、新风预冷盘管段、混风段、冷水盘管段、热水盘管段、再热盘管段、送风段。冰场夏季空气处理过程见图13，新风经预冷盘管段由W点预冷除湿至B点，在混风段与室内状态点A回风混合至C点，经过冷水盘管段降温除湿至D点，经再热盘管段加热至送风状态点E。送风口设置在冰场顶部，为避免气流直接吹向冰面，风口布置在送风管的侧面，采用侧送形式，风口距离冰面约18 m，回风口设置在4层顶部（见图14），侧回风。冰场冬季利用室外新风对室内空气进行除湿，空气处理过程如图15所示，室外新风经预热盘管段由W点处理到B点，在混风段与室内状态点A回风混合至C点，经热水盘管段加热至O点，送入室内。
6 设计总结与思考
1）本项目对电制冷冷水机组方案与冰蓄冷3种配置方案进行了比较，冰蓄冷方案的投资回收期均在14 a以上，从技术经济角度出发，选择电制冷冷水机组作为冷源。项目2015年竣工并投入使用，运行至今效果良好。在实际运行中，冷水机组全部开启的概率非常低，表明夏季冷负荷计算各区域同时使用系数可进一步降低。
2）本项目冷水输配系统采用一级泵二级泵均变频的分布式二级泵系统，二级泵安装于各负荷中心附近，一级泵与二级泵之间采用环网连接。一级泵二级泵均变频的系统在实际项目中应用较少，本项目在运行初期存在较严重的旁通逆向混水现象，混水导致二级泵冷水供水温度升高，末端制冷能力下降，水泵与冷水机组能耗升高。解决方法：通过进行水力平衡调试，控制一级泵及二级泵运行频率，使得二次侧流量与一次侧流量持平或略小，消除逆向混水，保证二级泵供水温度。研究表明，制冷量不足是逆向混水的根本原因，商场早上运营时增加冷水机组开启台数、降低供水温度，解决了早上开机过程易出现的逆向混水问题。经过精心调试后，制冷机房全年综合能效比EER达到4.65，被评为“中国好建筑”示范项目，山东省首批公共建筑“节约之星”，国家“十三五”公共建筑节能课题示范工程，山东省、住房和城乡建设部科技计划项目。
3）由于项目餐饮业态较多，冬季排油烟补风机不开启或者补风量达不到原设计的90%，加剧了公共区域中庭的“烟囱”效应，出现了冬季底层步行街负压的状态，造成1层步行街冬季室外冷空气侵入，室内温度偏低。经过加大对餐饮租户补风机的检测与控制力度，并检查围护结构的严密性，加强竖向排烟风道出口的封闭等措施，有效改善了冬季底层的负压状态，降低了冷风侵入，提高了底层步行街的室内温度。
4）冰场空调利用集中冷源进行除湿，实际运行中空调冷水温度大多数时间高于设计值6℃，直接影响到冰场空调机组的除湿效果，如果降低冷水温度，会降低冷水机组的COP，增加运行成本。冰场除湿空调应尽量选用独立冷源，可在不影响大系统运行成本的前提下，降低冷媒温度，提高空调除湿量，降低冰场室内湿度。
本文引用格式：曲秋波，曲志光，梁斌，等．青岛华润万象城项目暖通空调设计分析［Ｊ］．暖通空调，2022，52（1）：30-35，93．
