建筑冷热源系统设计思路与实例分析
摘要本文通过工程实例探讨了设计空调冷热源系统方案需要考虑的重要因素。通过对两种空调方案在相同工况下的初投资、耗能、和运行费用的比较分析，阐述了新建建筑冷热源系统设计方案科学分析在制定决策中的重要性，为科学、合理地选择冷热源系统提供了可参照的范例和具体操作的流程。
关键词：建筑冷热源系统设计
Abstract By case-based analysis we illustrated here how to scientifically design, select and determine the best configuration of room temperature control system. We also summarized some critical factors that should be taken into account before the final decision can be made for selection of the system. Our studies offer a reliable procedure and useful example for configuring efficient and economic room temperature control system and for avoiding unnecessary energy cost.
Key words: building; air condition system; design
前言
早在本世纪初，能源紧张就已成为世界各国关心的大事，中国亦不例外。据统计，2009年我国能源消耗总量为30.5亿吨标准煤[1],2010年能源消耗总量为32.5亿吨标准煤[2],2011年能源消耗总量为34.8亿吨标准煤[3]。权威部门预测，到2015年我国能源需求量将达41亿吨标准煤。从趋势看，我国能源消费正处于快速增长阶段。近年来，全国大范围出现的电荒、煤荒警示我们合理利用能源、开发节能新技术、降低能源消耗刻不容缓。
大型建筑冷热源系统的设计及其使用直接关系到能耗与节能效果。有报道指出，建筑能耗中空调能耗约占50%-70%[4]。因此，合理设计和科学使用冷热源系统是降低大型建筑能源消耗的关键。我们通过具体工程实例分析，试图明确冷热源系统设计的合理思路、应考虑的重要因素、以及做出最后决策时必须具备的基础资料，以期为大型建筑的冷热源系统设计提供具体实例参考。
个案分析冷热源系统系统配置考虑的主要因素与得失权衡
控温技术的日新月异，新的冷热源系统层出不穷，使得用户有了更多的选择余地，但对于品种繁多，各具特色的设备何种方案最优，仍让人倍感困惑。如何客观、全面、直观地综合评价各种方案的技术经济性，以辅助决策，显然至关重要。现以一工程实例中决策冷热源系统方案的过程来说明其需要考虑的主要因素及得失权衡。
初步方案的制定与分析
武汉某大学图书馆总建筑面积为3.8万平方米，其中需空调的面积约3.3万平米，要求供冷量5100kW，供热量4000 kW，第一次冷热源系统设备方案为屋顶式风冷热泵机组+新风（即：全空气空调系统和风机盘管加新风系统）、恒温恒湿机组。总的空调设备用电负荷为：1601.632 kW。后经核算5台机组不能满足末端需求，故另增加三台设备，其增加的用电负荷为569.5 kW。则第一次空调方案的设备为8台屋顶式风冷热泵机组，总的用电功率为2171.132 kW。由于该方案耗电量大、初投资和运行费用大、噪音大和室外温度低于-5度时，风冷热泵机组制热效率降低等缺陷，权衡利弊后没有采用。
为进一步设计合理方案，分析了建筑各用房功能的使用特点，该建筑平面按功能分成了A区、B区、C区、D区四个单元围合庭院，四个单元的功能有办公、阅览、图书借阅和古籍善本保藏等。针对这些特点制定了第二个方案：办公区小空间和一间假期也需开放的学生阅览室采用变频多联机+新风系统（约6300多平方米）；古籍善本区采用恒温恒湿机组（约1600多平方米）；其余采用两台制冷量为1977kw的螺杆冷水机组+锅炉（约25000多平方米）；单独设制冷供热站，总的空调设备用电功率为1666 kW。
方案的技术性分析
该方案的问题是螺杆式冷水机组属中型冷量范围，其制冷量是由其压缩机的工作原理所决定的。《采暖通风与空气调节设计规范》（GB50019-2003）对不同形式的电动压缩式冷水机组适用范围有明确规定，并强调要按性能价格比进行选择。可见，如要满足本工程设计要求的制冷量，必须采用超大冷量的螺杆机组。目前生产的大冷量的螺杆机组，都是采用多个压缩机叠加的方式。而压缩机增多，其制冷剂流量平衡将很难保证。机组的震动、噪音叠加也会更严重。由于机头多，故障点增多，维修量增大，机器寿命会大打折扣。基于上述原因，迄今为止，国际一线品牌的大公司还没有生产超大冷量的螺杆机组。而该工程中设计的单机制冷量为1977kwh（562冷吨）的螺杆机组，已超出国家标准规定的螺杆机组的正常冷量范围[5]。
针对上述问题，可有以下几个方案解决螺杆机单机制冷量过大问题。
第一方案，采用两台单机制冷量为550冷吨的离心式冷水机组取代螺杆冷水机组。优点是解决了超大冷量螺杆机存在的问题。缺点是设备投资增加5%~10%。对于冷水机组，除了要尽量使其在COP高值区域运行外，同时还存在最小负荷的限制问题，当需求小于最小限值时，空调效果必定受到严重影响。通常，冷水机组在低于50%的负荷运行时比较耗能，如果低于40%的负荷运行就很不经济。大的安装容量会造成系统和设备的运行能效比差、过多的投资浪费和空调系统运行调节困难等情况发生。
第二方案，采用三台单机制冷量为350冷吨螺杆冷水机组。其优点是，三台螺杆机的设备投资等同于两台离心机的投资（某外资空调设备厂家提供），且控制更灵活，使用更方便，运行更经济。其缺点是，设备占地较大，辅助设备的数量略有增加。
第三方案，采用离心机和螺杆机组合形式。用一台离心机承担65%~70%的制冷量，一台螺杆机承担30%~35%的制冷量。不同机型组合的空调系统在原设计的设备数量（两台主机）不变情况下，虽然避免了方案2的缺点，但对于本工程25000多平米的冷量负荷，采用多机型的空调可能会造成负荷不均匀，操作和管理复杂，故不考虑采用，只在方案一和方案二之间选择。
方案的经济分析
以某空调厂家550冷吨离心机和350冷吨螺杆机为例，对方案一和方案二的初投资、能耗和运行费用进行比较：
1 初投资比较
从表1中所列两个方案的初投资数额比较可见，方案二比方案一节省0.08%的总投资额。
表1. 两个方案的投资比较
2 耗能比较
