某美术馆的空调设计及冷热源方式的优化选择

一 项目概况
　　某美术馆位于长江以南某省会城市的新城区中心，与长江水域相隔不足1公里。是一座集收藏、展览、拍卖为一体的现代综合性智能化大楼，场馆占地面积约10000M2，建筑面积21800M2，为目前全国最大的美术馆。场馆地下1层、地面3层。地下层为汽车、自行车库、设备用房等，一至三层为大堂门厅、多功能厅、展厅、会议办公、收藏室、餐厅等，整个美术馆的空调面积约为15000 M2，预计05年8月全部竣工投入使用。建成后的美术馆将成为国内一流的高标准的专业艺术场馆。
二 方案选择依据
1. 一般空调设计：
1.1　空调风系统：
　　分区：空调系统原则上按使用功能及防火分区划分为若干系统：多功能厅、大厅、展厅、报告厅、收藏库等采用低速风道送风空调方式；办公、研究室、会议室等采用变风量空调方式；
　　除尘：空气处现机组采用初、中效二级过滤，收藏库进风系统加设活性碳过滤器。
　　　风量调节：空气处理机组风机采用变频控制器实行季节性分阶段调节风量。
1.2　空调水系统：
　　空调水系统采用异程式两管制，系统分若干回路负担不同区域、贯通各空调设备。
　　空气处理机组设平衡阀与电动调节阀实现变水量运行，数字锁定平衡阀为初调节控制管路不平衡率用；于集水器汇合的各路回水管均设平衡阀，以备系统初调节和各管路的流量测量用；
　　空调水系统采用设置于地下机房内的密闭膨胀水箱实现系统的定压和补水。
2. 空调负荷：
2.1　夏季空调负荷：
　　冷负荷：2670kW；每天工作时间为8:00－17:00，共9小时。
　　由美术馆对室内空气品质要求较高，夏季空调系统开放的时间为：4月15日～9月15日，全年共150天。
2.2　冬季空调负荷：
　　三 当地能源利用的相关规定
1.电价政策：
　　根据江苏省的电价政策，按本项目性质，制冷和采暖均执行一般工业用电的照明电价，0.81元/Kwh，上冰蓄冷时，执行一般工业用电的电力电价，并可享受峰谷电价的优惠政策，无峰时电价，如下表。
　 时段 电价(元/Kwh) 时长（h）
峰时段 08:00~12:00，17:00~21:00 1.163 4+4
平时段 12:00~17:00，21:00~24:00 0.683 5+3
谷时段 00:00~08:00 0.258 8
2.地下水开采费用及水资源费：
　　成井费：5~8万元/口，地下水水费，目前没有正式明确的收费标准，按一般估算，根据实际用水量进行收费，价格暂定为0.8元/吨。
3.天燃气费：
　　执行商用天然气价格，6~9月份2.0元/m3，10~5月份2.4元/m3。
四 拟选用的空调冷热源方式
　　本项目位于长江中下游地区，制冷和采暖季节都比较长，根据业主对本项目的定位及本项目作为美术馆的特殊性，一年的空调时间可达到270天，业主为了提高档次，提升影响力，特地请了境外最具影响力的美术馆设计大师进行设计，整个建筑简结明快，四周外观及屋顶都不允许有任何的其它附属物。所以在选择冷热源方式时，应充分考虑其对整个建筑的外观以及周围环境产生的影响，而且，选择一个良好的冷热源方案，每年将会省下不少的运行费用。
　　项目距长江水域不足1公里，有着丰富的地下水资源。根据详细的地质水资源调查表明，项目所在地的地下水位约为地表下4米，单井出水量可以常年达到100吨以上。并且地下水常年保持在12~16℃之间，根据专家现场勘察认为回灌也不成问题。所以可以考虑采用水源热泵进行制冷和采暖。
　　　　所以冰蓄冷也是应该考虑的一种能源利用方式。如果结合冰蓄冷和水源热泵，则可以充分结合了冰蓄冷系统和水源热泵系统的优点，既可利用分时电价政策，又解决了冬季供暖问题。
　　下面就这两种冷热源方式进行比较客观的经济分析，同时与常规的水冷螺杆＋锅炉方式进行比较。
五 水冷冷水机组加锅炉方式
1.机房运行策略：
　　采用3台300RT的水冷螺杆机，制冷量1055KW/台，冷却水进、出水温度为30℃/35℃。冷冻水供、回水温度7℃/12℃。制冷高峰时3台主机同时运行，平常2台主机运行、或1台主机运行，视负荷大小而定。
　　采暖采用2台燃气热水锅炉，耗气量156.2m3/h，供热量1400KW，供回水温度60℃/50℃。
　　加湿用电热蒸汽锅炉，耗电量180Kw/h，蒸汽量0.3t/h，额定压力1.0MPa。
2.主要设备选型：
　　冷冻水泵：流量181m3/h；扬程32m；功率30kW，共4台。
　　冷却水泵：流量250m3/h；扬程30m；功率45kW，共4台。
　　热水泵：流量160m3/h；扬程30m；功率22kW，共3台。
　　冷却塔：流量300m3/h；功率11kW，共2台。
3.　投资分析（不含自控设备）：
序号 主　要　设　备 品牌 单位 数量 单价 合价
1 300RT水冷螺杆机组 特 灵 台 3 79.0 237.0
2 冷冻水泵181m3/h Grundfos 台 4 3.0 12.0
3 冷却水泵250 m3/h Grundfos 台 4 6.0 24.0
4 冷却塔300m3/h 马 利 台 3 7.5 22.5
5 燃气热水锅炉 双 良 台 2 30.0 60.0
6 热水泵 Grundfos 台 3 3.0 9.0
7 电热蒸汽锅炉0.3t/h 双 良 台 1 17.0 17.0
8 合　　计 　 　 　 　 381.5
4.本系统费用分析：
　　计算标准：设备平均负荷率按70%计，电热蒸汽锅炉平均使用率为0.3。
　　计算公式：运行费用＝额定功率×运行时间×平均负荷率×能源单价×台数。
4.1　制冷时期费用分析：
　　螺杆机年运行费用：300RT，效率0.629。
　　300RT×0.629KW/RT×0.81元/KW.h×9h/d×150d×0.70×3台＝433307元（43.33万元）
　　冷却塔运行费用：11KW/h×0.81元/KW.h×9h/d×150d×0.70×3台＝25258元
　　水量损耗：300 t/h×1.5%×9h/d×150d×0.70×2.7×3台＝34445元，合（5.97万元）
　　水泵运行费用：
　　（30＋45）×3台×0.81元/KW.h×9h/d×150d×0.70＝172220（17.22万元）
　　制冷周期运行费用：43.33＋5.97＋17.22＝66.52万元
4.2　采暖时期费用分析：
　　燃气热水锅炉运行费用，负荷系数按0.65计算：
　　156.2m3/h×9h/d×120d×0.7×2.4元/ Nm3×2台＝526331元（52.63万元）
　　电热蒸汽锅炉运行费用（使用率0.3）：
　　180 KW/h×0.81元/KW.h×9h/d×120d×0.30＝47237元（4.72万元）
　　水泵运行费用：22×2×0.81元/KW.h×9h/d×120d×0.70＝26973（2.70万元）
　　采暖周期运行费用：52.63＋4.72＋2.70＝60.05万元
5.1　年运行费用分析：66.52＋60.05＝126.57万元
六 水源热泵方式
1.主要设备选型
　　考虑足够的富裕量，主机可选用克莱门特3台（EM）BE/SRHH-2402B水源热泵。
　　（EM）BE/SRHH-2702B主机空调工况（7℃/12℃）制冷量1046kW/台，耗电量192kW/台；冬季制热工况（45℃/50℃），制热量1142KW，耗电量260kW/台。
　　夏季机组供、回水温度为16℃/26℃，夏季用循环井水量105吨/h。冬季机组供、回水温度为15℃/9℃，冬季用循环井水量97吨/h。
　　按此计算，保守估计，打六口井，平时2口取水，4口回灌，高峰时，3口取水，3口回灌。具体参数根据施工现场当地的地质情况而定。
　　冷冻水泵：流量160m3/h，扬程32m，功率30kW，共4台。
　　深井水泵：流量106m3/h，扬程30m，功率15kW，共6台。
　　加湿用电热蒸汽锅炉，耗电量180Kw/h，蒸汽量0.3t/h，额定压力1.0MPa。
2.初投资分析（不含自控设备）：
序号 主　要　设　备 品牌 单位 数量 单价 合价
1 主机（EM）BE/SRHH-2702B 克莱门特 台 3 76.0 228.0
2 冷冻水泵 Grundfos 台 4 2.5 10.0
3 深井泵 Grundfos 台 6 2.8 16.8
4 打井及增加管道费 工程费 口 6 5 30.0
5 电热蒸汽锅炉0.3t/h 双 良 台 1 17.0 17.0
6 合　　计 　 　 　 　 301.8
3.年运行费用分析：（不含自控设备）：
3.1　制冷时期费用分析：
　　螺杆机年运行费用，设备使用率0.7：
　　192KW×0.81元/KW.h×9h/d×150d×0.70×3台＝440885元（44.09万元）
　　水泵运行费用：
　　（30＋15）×0.81元/KW.h×9h/d×150d×0.70×3台＝103333（10.33万元）
　　地下水取水费用，平均回灌量为按取水量的80%计：
　　105T/h×20%×9 h/d×150d×3台×0.8元/T＝68040元（合计：6.80万元）
　　制冷周期运行费用：44.09＋10.33＋6.80＝61.22万元
七 水源热泵＋冰蓄冷方式
1.运行策略：
　　系统采用部分蓄冰方式。系统采用并联布置，末端采用常规供水系统。
　　00:00～8:00，主机制冰工况运行，储存冷量；8:00～17:00，主机空调工况运行，蓄冰设备融冰供冷。
　　该冰蓄冷空调系统采用部分蓄冰方式，主机装机容量比常规空调减少25％左右。增加了160m3蓄冰罐、板式换热器、乙二醇溶液、乙二醇溶液初级泵、次级泵，末端设备没有变化。
2.主要设备选型
　　考虑足够的富裕量，主机可选用3台HYDROCIAT LWP2500。
　　LWP2500主机空调工况（7℃/12℃）制冷量752kW/台，耗电量140kW/台；制冰工况（-2.6℃/-6℃）制冷量472kW/台，耗电量115kW/台；冬季制热工况（45℃/50℃）制热量977KW，耗电量224kW/台。
　　夏季机组供、回水温度为16℃/26℃，夏季用循环井水量90吨/h。冬季机组供、回水温度为15℃/6℃，冬季用循环井水量80吨/h。
　　需要井水取水量及打井数量，根据上述数据计算出每台冷机共需要井水的水量为65~70 m3/h，若在当地打井每口井的取水量为100 m3/h时，保守估计，打六口井，平时2口取水，4口回灌，高峰时，3口取水，3口回灌。具体参数根据施工现场当地的地质情况而定。夏季井水取水温度为16℃/26℃，冬季井水取水温度为15℃/9℃。
　　2个蓄冰罐，合计蓄冷能力：9470KW，体积：162m3。
　　冷冻水泵：流量160m3/h，扬程32m，功率30kW，共4台。
　　深井水泵：流量90m3/h，扬程30m，功率11kW，共6台。
　　加湿用电热蒸汽锅炉，耗电量180Kw/h，蒸汽量0.3t/h，额定压力1.0MPa。
3.取消的这部分双电源贴费
　　（224×3+30×3+11×3+15×2+15×2）×160元/KAV＝136800元（13.7万元）
4.初投资分析（不含自控设备）：
3.年运行费用分析：（不含自控设备）：
3.1　制冷时期费用分析：
　　综合考虑到美术馆各功能房间的同时使用系数，以及过渡季节时负荷的下降等因素、蓄冰系统的移峰填谷的作用，空调系统的负荷时间分布情况可估算如下：100%负荷时，20天；80%负荷时，40天；60%负荷时，60天；30%负荷时，30天。
　　双工况螺杆机运行费用（制冷）：
　　140KW×3×（20d＋0.8×40d＋0.6×60d＋0.3×30d）×9h/d×0.683元/KW.h＝250427元（25.04万元）
　　双工况螺杆机运行费用（制冰，投入设备2台）：
　　115KW×2×150d×8h/d×0.258元/KW.h＝71208元（7.12万元）
　　水泵运行费用：
　　制冷：（15×2＋11×3＋30×3）×9h/d×（20d＋0.8×40d＋0.6×60d＋0.3×30d）×0.683元/KW.h＝91228
　　制冰：15×2×9h/d×150×0.258元/KW.h＝10449（合计：10.17万元）
　　3.3　年运行费用：46.95＋33.46＝80.41万元

九 结束语
　　综上所述，采用水源热泵或水源热泵＋冰蓄冷的方式无论在初投资或运行费用上都有一定的优势，并且这种方式还可以解决采用水冷螺杆＋锅炉的空调方式所带来的冷却塔的摆放位置问题、燃气锅炉的燃气排放对建筑装立面、环境的影响问题。这一点对本项目来说，尤其的重要。所以笔者认为采用水源热泵对于本项目来说，是一种比较合理的方案。而采用水源热泵或者采用水源热泵＋冰蓄冷的空调方式，二者各有利弊。前者比后者在初投资上要多82万元，但前者每年的运行费用却要比后者节省22万元，4年不到的时间也可以收回多增加的投资。

序号 主　要　设　备 品牌 单位 数量 单价 合价
1 300RT水冷螺杆机组 特 灵 台 3 79.0 237.0
2 冷冻水泵181m3/h Grundfos 台 4 3.0 12.0
3 冷却水泵250 m3/h Grundfos 台 4 6.0 24.0
4 冷却塔300m3/h 马 利 台 3 7.5 22.5
5 燃气热水锅炉 双 良 台 2 30.0 60.0
6 热水泵 Grundfos 台 3 3.0 9.0
7 电热蒸汽锅炉0.3t/h 双 良 台 1 17.0 17.0
8 合　　计 　 　 　 　 381.5
4.本系统费用分析：