近年来, 国内兴建了许多大型室内水上乐园, 相比于其他民用建筑, 其主要特点是建筑用水点多、耗水量大。特别是生活热水需常年供给, 具有运行周期长、耗能多、费用高的特点, 是水上乐园的重要耗能项目。合理选择生活热水系统的能源形式, 对于该类项目的节能减排具有十分重要的意义。目前国内有关生活热水加热的方式及研究报道较多, 除煤、油、气、电等常规能源外, 很多清洁能源方式如空气源热泵、水源热泵、太阳能、废水余热回收等能源方式也有很多应用实例或研究^[1~3], 但其技术本身也受到诸多条件的制约。结合本项目实际特点, 上述列举各项技术或受气候因素、地质状况等因素制约, 或运行稳定性波动较大, 或初投资较高、占地面积较大等原因未被建设单位采用。本文在分析水上乐园项目特点的基础上, 提出将空调制冷除湿排除的废热用于生活热水的热源, 重点计算空调回收热量、生活热水供应量的供求关系, 分析方案的可行性, 对系统设计形式及优化方案进行了阐述。

　　 本项目地处辽宁省兴城地区, 总建筑面积约15 918m², 其中水上游乐区面积为8 878 m², 建筑高度22.85m。水上游乐区内部设大小不一的各种水上游乐设施, 如海浪池、儿童游乐池、水上滑梯、水疗池等, 是个典型高温高湿的大空间项目。其他空间的功能主要是洗浴、更衣、休闲区, 地下室设配套的设备用房。本项目由于地处郊区, 四周无市政热源配套措施, 为解决冬季供暖、泳池及生活热水常年供热需求, 项目内设置了以天然气为燃料的真空热水锅炉作为项目的主要热源。

　　 水上乐园项目的室内环境要求高, 属于常年恒温恒湿的场所, 按文献[4]其室内设计温度为29℃, 池水设计温度为28℃, 室内设计相对湿度不超过70%, 而规范^[5]显示项目所属气候分区为寒冷地区, 空调室外计算干球温度为29.5℃, 湿球温度为25.5℃, 室外设计工况与室内相差不大。由于室内的池面及各种水上游乐设施不停地向室内散发水分, 因此夏季空调制冷的主要目的是消除室内空气中多余的含湿量。暖通专业常规做法是将空调除湿的余热通过冷却塔散发到大气当中, 然而对于此类项目, 水暖专业应改变独立设计的惯式, 协同思维, 对接各自专业需求, 即采用合理的设计方案, 消除掉这些余热余湿对建筑物的不利影响, 提升废热能源品质, 变废为宝。经论证, 项目最终采用空调除湿潜热热回收制备生活热水系统, 热泵主机以制冷和除湿为主, 将空气中的显热负荷和潜热负荷通过蒸发器-压缩机-冷凝器等一系列流程, 最终产生可以加热生活热水的热源, 有效减少加热锅炉的使用及碳排放量。水冷压缩机系统具有能效比高、运行参数稳定等特点, 并且不需要增加其他设备, 一机二用, 机组利用效率高。

　　 空调冷凝热^[6]主要由2部分组成, 一是由阳光照射、围护结构热传导、室外新风、人员、灯光、设备散热等形成的冷负荷, 除室外新风外, 这部分冷负荷的形成与湿度关联较少, 绝大部分属于显热负荷, 且显热负荷的大小随天气变化关联影响较大。二是由池水散湿造成室内空调湿度增加形成的冷负荷, 这部分冷负荷属于潜热负荷。文献[7]中指出, 一般游泳馆的显热负荷仅占空调总负荷的10%~30%, 前述本项目夏季的空调室外设计温度与室内及设计温度基本接近, 因此准确计算池水散湿量及其潜热负荷是分析水上乐园项目空调冷凝热的关键。

　　 池水散湿的形成原理主要是池水的饱和蒸汽分压大于室内空气的水蒸汽分压力的导致的介质传递。关于散湿量的计算, 目前国内外的各种规范标准及文献资料给出的计算公式并不统一^[7,8], 分析原因, 大多数公式都是基于介质传递的理论基础, 在试验台或特定场所通过测试数据, 拟合出的一些修正系数或经验数值。因此, 即使是对于同一项目, 采用不同公式计算的数值也不尽相同。本文作为工程项目, 其目的并不在于分析各种公式, 而是将重点放在分析水上游乐项目其不同于一般游泳馆的特点, 通过合理修正, 取得更加贴合实际的散湿量。本文采用《游泳池和水上游乐池给水排水设计规程》^[9]中的相关计算公式作为基础公式。

　　 式中Q_B———池水表面蒸发损失的热量, kJ/h;

　　 γ———池水表面的饱和蒸汽的蒸发汽化潜热, kJ/kg;

　　 W_B———池水表面散湿量, kg/h;

　　 β———压力换算系数, 取133.32Pa;

　　 ρ———水的密度, kg/L;

　　 V_W———池水表面风速, m/s;

　　 P_b———池水水温的饱和空气的水蒸气分压力, Pa;

　　 P_q———泳池环境空气的水蒸气分压力, Pa;

　　 A_g———池水水表面面积, m²;

　　 B———标准大气压, Pa;

　　 B′———当地大气压, Pa。

　　 基础计算参数^[4]设定如下:室内设计温度为29℃, 池水设计温度为28℃, 室内设计相对湿度不超过70%。兴城地区空调室外计算干球温度为29.5℃, 空调室外计算湿球温度为25.5℃, 各池面总面积为3 100m², 池面风速按一般娱乐性游泳池取值V_W=0.3m/s;其他参数可参考文献^[4,9,10]设定。计算得池面散湿量W_B1=649kg/h, Q_B1=1 581 659kJ/h。

　　 本项目有5个主要的娱乐性泳池, 分别为海浪池、亚马逊水寨、儿童趣味水寨、儿童戏水池、儿童组合滑梯。和一般娱乐性泳池相比, 水上乐园项目具有以下特点:戏水、喷水等动力设施多、池水水温较一般泳池高、人员活动区域更大、人员密集度高、水面水流速度快等, 以上因素均导致水上乐园项目的散湿较一般室内游泳馆的散湿量多。为了更加合理地计算出水上乐园的散湿量, 本工程在实际计算中考虑以下附加因素:

　　 (1) 在实际计算中将各种水上器械的润水面积也统计在内 (譬如水上滑梯、娱乐性泳池造浪面积等) 。Smith C C等^[11]研究成果及文献[8]指出, 根据波浪水面与空气的对流传质模型, 对于娱乐性室内游泳馆, 水面形成的波浪高约为153mm, 波浪之间的间隔约为915 mm, 波浪曲面增加的面积约为池水平面面积的20%。综上, 本工程将波浪池及游乐器材润水面积进行修正后, 池水面积按3 900m²计算。

　　 (2) 水上游乐设施为了增加体验的快感, 都会采用动力推动技术, 加快池水流速, 空气与水面之间的相对流速较一般泳池高。根据水上工艺厂家提供的技术参数:一般如海浪池、儿童组合滑梯的水面或水道流速可以达到0.8~0.9 m/s, 亚马逊水寨、儿童趣味水寨、儿童戏水池可达到0.5~0.6 m/s, 通常按一般娱乐性游泳池取值V_W=0.3 m/s计算的水面空气流速会小于水上乐园实际情况, 因此建议水上游乐项目的池水表面空气流速宜取上限值。综上分析本项目将水面空气流速V_W提高至0.6m/s进行修正计算。

　　 将上述2个修正因素重新代入式 (1) 、式 (2) 中, 进行计算修正后的池面散湿量为W_B2=968kg/h, Q_B2=2 359 209kJ/h, 散湿量及热量损失均较修正前提高约1.49倍。而在AHRAE^[12]及相关文献[7]中也有记载, 设有造浪池和水滑梯的娱乐池, 其散湿量的修正系数是基于公共和学校游泳馆的1.5倍。因此, 采用修正后的池水散湿量W_B2及Q_B2作为基础数据计算本项目的空调潜热回收量是较为贴近实际情况的。

　　 分析空调回收热量、生活热水耗热量在不同工况下的供求关系是设计的难点所在。王伟^[13]针对中高档宾馆的研究指出:空调冷凝热回收与热水供应负荷在时间上具有不同步性, 具体是指空调设计日逐时负荷和不同季节负荷波动较大, 生活热水热负荷逐时变化大但随季节变化的波动性较小。对于本项目水上乐园而言, 供求关系的主要特征表现如下:

　　 (1) 泳池的空调冷凝热回收是以除湿负荷为主, 占比例较大的湿负荷部分基本是稳定的, 只有显热负荷随天气变化影响。所以整个制冷季, 空调冷凝热的回收量有一个比较稳定的基数。

　　 (2) 生活热水的热负荷逐时变化大, 同时每日的热负荷需求量随客流量变化较大, 其特点是工作日负荷较小, 周末负荷大;暑期7、8月的负荷大, 非暑期5、6月及9、10月较小。

　　 (3) 空调冷凝热的逐时热回收量及日回收量是否能满足不同客流情况下的生活热水在小时设计工况、日设计工况下的耗热量。

　　 空调夏季冷负荷采用冷负荷系数法^[6], 对设计工况下的空调负荷进行逐时动态计算。其中除湿潜热负荷比较稳定, 为968kW·h, 而显热负荷部分则随着天气变化在下午时间15:00达到最大为322kW·h, 最大总负荷为1 290kW·h。关于生活热水的小时变化规律的文献国内研究较少, 虽有文献[13]给出关于宾馆类的生活热水供应规律进行预测, 但与本项目类型相差较大不宜采用。根据策划公司参考同类型项目给予的客流量分析, 本项目平日常客流按1 500人/d计算, 假日高峰客流按2 500人/d计算, 对本项目生活热水日用负荷可以根据人数进行计算, 小时用水量则根据参考项目客流规律分析进行系数折算。采用《建筑给水排水设计规范》^[14]中的相关计算公式如下:

　　 式中Q_d———设计日耗热量, kJ;

　　 Q_h———设计小时耗热量, kJ;

　　 m———用水计算单位数, 人;

　　 q_r———热水用水定额, L/ (人·d) ;

　　 C———水的比热, C=4.187kJ/ (kg·℃) ;

　　 t_r———热水温度, ℃;

　　 t₁———冷水温度, ℃;

　　 ρ_r———热水密度, kg/L;

　　 q_h———卫生器具热水的小时用水定额, L/h;

　　 n₀———同类型卫生器具数;

　　 b———卫生器具同时使用百分数, 本工程按100%。

　　 上述参数的选取均可参考相关文献[14]。

　　 计算结果详见图1, 对于平日常客流工况, 空调回收负荷在各时间段都大于生活热水的用热负荷, 热泵系统回收的热量可以满足生活热水的供应;对于假日高峰客流工况, 当生活热水在午间、傍晚等洗浴高峰时, 热泵系统的即时回收热量无法满足生活热水的供应, 在假日工况下, 空调全日负荷总量为13 130kW·h, 生活热水全日负荷总量为11 179kW·h, 总量上基本可以满足生活热水的供热需求。但实际上, 除除湿潜热负荷外, 空调其他负荷部分受天气温度影响较大并不是稳定输出, 而且输出的负荷与生活热水峰值负荷也不同步, 所以还需要采用蓄热、辅助热源等其他方式来保证生活热水供应的稳定性。

　　 规范^[14]要求, 热水供水温度宜控制在55~60℃, 温度太低则不易杀死滋生在温水中的军团菌。对于热回收热泵机组, 随着近些年来压缩机及冷媒技术的发展, 目前可以达到这一标准。但对于以制冷除湿效果为主的热回收系统, 由于优先保障机组的冷冻水温度, 在制冷工况变化的情况下, 热水水温一般都波动较大, 供热出水水温一般难以稳定的达到55~60℃的设计工况要求。而且应该注意的是:对于应用冷凝热制生活热水的系统不应一味追求提高热回收水温, 而忽视了其对冷凝量和热回收效率的影响。对于制冷机组而言, 文献[1]指出, 热水温度每提高1℃, 则制冷效率下降2.1%。文献[15]记载:澳大利亚科研人员研究表明“将热水温度降低至50℃, 并证明在这一温度下军团菌感染风险并没有增加”。从灭菌、热泵效率、实际运行费用等方面综合考虑, 本工程将热泵出水温度设定在51~55℃, 换热后生活热水出水温度不低于50℃。同时, 定期开启辅助锅炉热源, 加热水温至60℃以上并在系统中进行循环可以灭菌处理^[16], 以保证管路的卫生安全。

　　 根据前述计算结果, 本工程选取2台同型号螺杆式热回收型冷水机组, 并联运行。空调冷冻水系统夏季运行供回水温度为7℃/12℃, 回收热水的设计出水温度为55℃。同时, 机房里设置了生活热水换热板换、热水循环水泵1、热水中转水箱、热水中转水泵2、热水储水箱, 热水供水循环泵3等。为了确保生活热水低峰负荷时空调冷凝热的排放, 同时串联设置了冷却塔换热板换、冷却塔循环泵4, 屋面设置了冷却塔, 保障空调制冷系统的正常运行。系统原理详见图2。

　　 本工程在设计上采取了2个优化措施。

　　 优化措施一是将生活热水换热板换与冷却塔换热板换采用串联的方式进行连接, 高温冷凝热水先通过生活热水板换、再通过冷却塔换热板换, 最后回到热泵机组的入口。此种连接方式采取优先供给生活热水换热的工作模式: (1) 当生活热水储水箱未充满时, 热水循环泵1、热水中转水泵2、热水循环泵3等工作, 将高温冷凝热的热量导入生活热水中转水箱内, 冷却塔循环泵4及冷却塔均不工作。 (2) 当生活储水箱储满时, 热水循环泵1、热水中转水泵2、热水循环泵3等均不工作, 冷却塔循环泵4及冷却塔均工作, 将空调冷凝热散发到大气当中。上述串联方式的工作模式与其他工程较多采用的并联方式相比, 其特点如下:并联方式下板换的切换需要依靠电动阀门和对应循环泵的同时作用, 其控制方式是优先开启生活热水对应的电动阀及循环泵。关闭冷却塔塔板板换换对对应应的的电电动动阀阀和和循循环环泵泵。。当当生生活活热热水水蓄蓄满满时时, , 进进行行电电动动阀阀门门和和循循环环泵泵的的切切换换工工作作。。由由于于冷冷凝凝热的回收切换较为频繁, 且电动阀属于易损器件, 带来了一定的故障隐患, 同时自控点位多、系统较为复杂。而串联方式, 则完全依靠对应循环泵的工作启停切换来完成热负荷的迁移, 由于减少了电动阀的频繁切换, 机房的自控逻辑更加简单可靠。减少了电动阀带来的故障隐患。

　　 优化措施二是在生活热水加热系统中增加了热水中转水箱、热水中转水泵2的应用, 如前文3.1节所述对于热泵回收系统的生活热水, 由于其制热水温无法如锅炉等常规热源保持稳定性, 中转水箱的应用可以保证被加热的生活热水在达到设计温度后, 才统一送至储热水箱, 保证了生活储水箱中水温的稳定性, 同时中转水箱的应用也可以保证同一工作模式的连贯性, 减少系统切换的频率, 提高系统运行的连续性, 起到移峰填谷的作用。

　　 该项目安装后进行了设备的测试运行, 测试工况如下:自来水初始水温为11℃, 中转水箱内有效充水30m³, 在仅开启一台制冷主机的情况下 (额定制冷量为610 kW) , 主机设定热水出水温度为55℃, 约2h后, 热水中转水箱内水温达到50℃的要求, 可以向热水储水箱进行传输。按测试数据预估, 在夏季制冷除湿工况下, 每天按营业时间开启1台主机, 若满负荷运行, 系统即可有效生产150m³热水, 节能效益比较明显。

　　 (1) 水上乐园润水面积大、游乐设施多, 其散湿量较普通游泳馆多, 应考虑上述因素对公式进行修正。

　　 (2) 分别计算空调的冷凝热与生活热水的在不同设计工况下耗热量, 分析供给需求规律, 数据证明除湿负荷为主的空调冷凝热稳定性较好, 基本可以满足生活热水平时的需求。

　　 (3) 由于空调冷凝热的产生和生活热水的供给具有不同步性, 采用热泵制冷热回收系统制备生活热水须考虑设置板换、蓄热水箱、冷却塔等辅助设备, 以保证系统运行的稳定性。本文建议将生活热水换热板换与冷却塔散热板换串联布置, 可以减少系统电动阀门的数量和切换次数, 控制简便。