简述天津某高中项目暖通空调设计

简述天津某高中项目暖通空调设计

李友莉

天津大学建筑设计规划研究院总院有限公司 天津市 300073

摘要：为适应新时代高级中学功能多样性、智能化且绿色环保的特点，本项目在冷热源选择和节能、自控设计方面做了很多工作，主要包括系统能耗分析，冷热源方案对比以及系统运行控制策略等精细化设计。

关键词：复合能源系统 能耗模拟 新风热回收系统 高大空间

1 工程概况

本项目主要建筑为一所高级中学，地上部分最高五层，使用功能包括教学区、办公区、食堂、学生宿舍等；地下部分一层，使用功能为食堂、风雨操场、小礼堂、汽车库、自行车库及设备用房。高中设3个年级，24个班（50人/班），总在校学生1200人，教职工100人。项目总建筑面积37654.07m²，其中地上建筑面积21300 m²，地下建筑面积16354.07 m²；一层层高5.40m，二至五层层高4.20m；地下一层层高3.60m；隔震夹层层高1.80m。

本项目采用地埋管地源热泵和直燃型溴化锂吸收式冷温水机组的复合能源系统。教室和宿舍等区域空调系统采用风机盘管+新风系统，其中新风系统采用热回收型新风机组；小礼堂和首层大厅采用全空气系统。本项目除了厨房等局部区域采用散热器供暖系统外，其他区域供暖系统主要为地面辐射供暖系统。

2 室内设计参数

3 冷热源方案可行性分析

地源热泵是利用地球表面浅层地热资源作为冷热源，进行能量转换的供暖空调系统，系统高效节能、运行费用低、环境效益显著、可同时作为冷热源。根据《中新天津生态城1B地块高中地源热泵岩土热物性测试报告》显示：天津市中新天津生态城中部片区，地下含水层厚，地下水位较高，岩土层导热系数大，属于较适宜利用浅层地能的区域，同时该项目为高中学校，具有操场等地下土壤可作为浅层地热能。

本项目冷热源综合考虑现代高级中学的规模和使用特点，中新生态城的能源条件、结构、价格以及国家能耗“双控”和降污减碳环保相关政策，结合全年动态土壤热平衡分析报告和建筑全年能耗动态模拟分析报告，最终确定采用了地埋管地源热泵和直燃型溴化锂吸收式冷温水机组的复合能源系统。复合能源系统的运行策略对系统是否绿色安全、节能高效起着至关重要的作用。本项目地埋管按照冬季热负荷配置；直燃型溴化锂吸收式冷温水机组既用于调节土壤全年热平衡，又作为夏季调峰冷源和冬季极寒天气辅助热源，充分发挥地源热泵高能效低能耗、运行费用低的特点，实现系统全寿命周期经济性和节能性。同时考虑系统后期的兼容性，预留闭式冷却塔冷却系统安装空间和路由^[1]。

3 基于eQUST能耗模拟软件的冷热源容量分析

复合系统的耦合容量配置与系统实际使用情况息息相关，并对后期运行的节能与否起着关键作用。本项目采用eQUST能耗模拟软件，对建筑进行了全年动态能耗模拟，为冷热源具体设置容量提供依据。软件定量分析和评价了围护结构热工参数、建筑用能设备性能及各种综合节能措施对系统的综合能耗影响。模拟同时考虑了寒暑假可能会有使用需求的工况，对比分析了有寒暑假和无寒暑假两种运行情况。模拟结果（如图一和图二）表明，无论哪种运行模式，全年累计冷负荷均大于全年累计热负荷，说明地源热泵系统对地下土壤的全年总取热量和总排热量难以保证持平，需要配置辅助冷源。为验证模拟计算的合理性，软件输出了建筑BEPS报告，其不满足小时数符合ASHRAE标准的要求，即不满足小时数全年不大于300小时，说明了本项目的模拟计算的准确性和合理性。

结合天津地区积极推动的“煤改气”优惠政策和生态城地区较丰富的天然气能源条件，以及天然气作为一种清洁能源，与电能实现多能互补，可有效减少地埋管数量和地源热泵系统初投资等因素，本项目最终决定采用直燃型溴化锂吸收式冷温水机组调节土壤全年热平衡，保证系统持续稳定节能高效运行^[2]。

冷热源系统配置如下：地埋管侧共设置464口井，地埋管地源热泵系统承担夏季冷负荷2731kW，冬季热负荷2222kW；其余冷热负荷由直燃型溴化锂吸收式冷温水机组负担，并用于调节地埋管释热取热量平衡。2台螺杆热泵机组，单台标准制冷量1285kW,标准制热量1285kW；1台直燃型溴化锂吸收式空调热泵一体机组，标准制冷量441kW, 标准制热量388kW。

图一 考虑寒暑假建筑HVAC全年负荷分布图

图二 未考虑寒暑假建筑HVAC全年负荷分布图

4 系统运行控制策略等精细化设计

4.1高大空间热舒适性节能设计

本项目一层主入口门厅为净高约18.9m的中庭，顶部设有天窗且贯穿四层，该空间空调冷负荷极大，但只有净高2m范围内区域才是人员有效使用区域。针对以上特性，该空间采用分层空调设计^[3]，即在首层梁下采用侧喷送风下部回风加顶部排风方式，将净高4.5m以下区域作为空调区，上部作为非空调区，在满足使用区空调要求的前提下，充分利用顶部排风最大程度上消除天窗产生的热量并排出室内烟尘或异味等，提高室内空气品质，降低组空设备容量和造价。门厅冬季主要依靠地面辐射供暖系统采暖，室内设计温度较常规降低2℃，不仅降低了室内供暖热负荷且热舒适性更好，还有效解决了竖向温度梯度大的问题。

4.2新风热回收系统容量精细化设计

本项目作为天津一座典型当代高级中学，具有功能多样性，使用智能化，学生根据课程要求校园内流动性大等特点。通过对同类学校使用特性和管理模式调研和建筑能耗特性分析，本次设计优化了新风系统设置和运行模式，在满足末端各个教室（含功能教室）和办公室等房间新风量要求的基础上，教学区新风机组总容量采用同时使用系数0.7进行配置，即机组总风量约为负担区域累计总新风量的70%。系统实际运行时，学生需根据课程要求流转于不同教室之间，且总人数固定，若按末端所有房间均使用工况设计新风机组容量，那么系统可服务人数将是实际使用人数的1.4倍，造成新风机组容量白白增大约40%，且使用效率常年维持在70%左右甚至更低。同时，各个房间新风管管路末端设置电控风阀，并要求风阀开关与房间照明开关贴临设置，方便教室或其他房间无人使用时可方便及时关闭风阀，实现按照实际使用人数配置新风量，不仅降低了新风机组和相关管路的初投资，也提高了新风系统使用效率，避免了房间无人时的新风能耗，实现运行节能。

变频新风热回收空调机组内置旁通装置，过渡季可实现新风、排风独立运行，充分利用自然冷源降温，提高室内空气品质。机组热回收效率不低于60%，对比分析主机节约能耗量和风机能耗增量，新风系统采用热回收技术总能耗降低明显^[4]。

5 结语

本项目在充分考虑建筑运行使用特点基础上进行设计，采用了更高效的复合能源系统和智能的系统运行控制策略，将绿色建筑的概念完全融入设计之中。

虽然高级中学功能繁多，但系统坚持将“按需供应”的概念从末端到输配系统贯彻至冷热源。在供暖和供冷末端均满足各个房间要求的基础上，精细设计设备容量，努力做到“少投入，多产出，高效率”，降低建筑能耗，节约建设成本，减少运行费用。

参考文献:

[1] 徐成.地埋管地源热泵系统的热失衡及解决措施[J].区域供热，2015，3:103-104+108

[2] 马原良 曹家枞. 直燃式溴化锂冷温水机组的能耗与经济性分析[J].制冷与空调，2008，8（1）:46-48+23

[3] 边争.中庭大空间分层空调CFD模拟研究[J].上海节能，2019，5:371-374

[4] 吴晓非.不同气象条件下的新风侧全热回收节能分析[J] .制冷空调与电力机械，2007，1:67-69