某泳池三合一热泵空调系统的经济性分析

孙 彪,陈海俊

(浙江大学建筑设计研究院有限公司,浙江 杭州 310028)

随着全民健身的普及,游泳运动的参与者越来越多,各地高校及政府也相继投资建设了许多大型室内游泳馆。相对于其他类型的建筑,游泳馆有着高湿度的室内环境,这让常规的全空气空调系统能耗巨大,调节效果却差强人意；而三合一热泵空调机组本身的功能属性可以很好地解决室内泳池的空调问题,但其初期投资较大,令业主望而却步。本文通过对比江西省萍乡市某室内泳池的空调运行费用,来分析不同空调系统的经济性,可供同类设计参考。

1 两种空调方案的原理分析

1.1 空调系统需处理的问题

不论采用哪种空调方案,游泳馆空调系统都要解决高湿度空气的除湿问题,以及降低系统能耗的问题。高湿度的空气易使窗户结露、墙面发霉,影响人体的健康及舒适度；将相对湿度控制在50%～60%[1],是确保游泳馆室内空气质量的根本。泳池85%～90%的能量损失是由蒸发造成的,这部分能量大部分是以水汽(潜热)的形式存在于泳池空气中；降温除湿的过程能耗较高,通风换气也会造成冷、热量的流失,进而增加游泳馆的运营成本,故空调系统的节能问题不容忽视。

1.2 常规空调系统的原理

常规空调系统的冷源一般采用冷水机组或空气源热泵,热源为锅炉,末端设备为全空气空调箱。夏季,空调箱利用7 ℃～12 ℃的冷冻水对室内空气降温除湿,并通过排风辅助除湿；冬季,空调箱引入并加热室外低温干燥空气,稀释室内空气湿度,并通过排风辅助除湿[2]。该系统采用常规空气调节原理,通过增加通风量以及冷、热水循环量来增强系统的温控、除湿能力。

1.3 三合一热泵空调系统的原理

三合一热泵机组内置冷媒循环系统,通过制冷剂的循环,在蒸发器处吸热,在冷凝器处放热,一机实现除湿、空气调节和池水加热的三项功能。夏季,室内空气经过蒸发器降温除湿,冷凝热量一部分用以提升送风温度,一部分用以池水加热,多余热量再排出室外；冬季,室内空气的冷凝热量可全部回收,用以恢复送风温度。该系统通过自身的冷媒循环系统,回收利用了空气冷凝热,减少了空气循环量以及对空调冷热水的需求。三合一热泵系统工作原理见图1。

图1 三合一热泵系统工作原理

2 计算背景

2.1 项目概况

为本文提供计算模型的室内游泳馆位于江西省萍乡市,是当地体育公园的主要建筑。游泳馆地上2层,地下1层,总建筑面积约为10 563 m2,其中池厅面积4 000 m2,高度6 m。水面面积包括500 m2的八道训练池,500 m2的四道训练池, 150 m2的儿童池和250 m2的SPA池。游泳馆效果图见图2。

图2 萍乡市聚龙公园游泳馆效果图

2.2 设计参数

空调室内外设计参数依照《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB 50736—2012)》选取,训练池水温度取26 ℃,空气温度28 ℃,相对湿度65% ,泳池池面风速0.2 m/s,查得：dn=15.7 g/kg,hn=68 kJ/kg,tln=21 ℃,水表面温度饱和空气水蒸汽分压P1=25.1 mmHg(1 mmHg=133.3 Pa,下同)；SPA池水温度38 ℃,空气温度28 ℃,相对湿度65%,泳池池面风速0.15 m/s,查得：dn=15.6 g/kg,hn=68 kJ/kg,tln=21 ℃,水表面温度饱和空气水蒸汽分压P3=49.57 mmHg。池厅人数按200人计算。

经计算，泳池总湿负荷为527.7 kg/h(其中水面湿负荷413.9 kg/h,人员湿负荷17.2 kg/h,夏季新风湿负荷96.6 kg/h)。

2.3 设备参数

设计选用3台某品牌三合一热泵机组,每台除湿量182 kg/h。根据厂方提供的数据,该型号机组能耗如下：送风机功率11 kW,回风机功率8 kW,排风机功率6 kW,压缩机制冷工况功率64.8 kW,压缩机除湿工况功率54 kW。设计选用池水泵总功率15 kW。

3 年运行费用计算

3.1 运行工况

根据萍乡地区气候特点,设定春秋季节过渡工况月份为4月及10月,总天数为61 d,其中80%天数为除湿工况,20%天数为全新风通风工况；夏季区间为5月至9月,共153 d,机组执行制冷工况；冬季区间为11月至来年3月,共151 d,机组执行除湿升温工况。每日运行时间按10点到22点共12 h计算,电价为0.8元/kW·h,燃气价为3.7元/m3。

各运行工况中,机组100%负荷运行时间比例为17%,机组75%负荷运行时间比例为39%,机组50%负荷运行时间比例为33%,机组25%负荷运行时间比例为11%。

3.2 常规空调系统(风冷热泵+锅炉)年运行费用计算

3.2.1 春秋季运行费用

1)除湿工况 风冷热泵机组过渡季COP取值3.5,经计算除湿和通风运行能耗为85 015 kW·h,运行费用为6.8万元。

2)再热工况 此部分热量需外界补入,以冷冻除湿后温度达18 ℃,泳池室内温度28 ℃,送风量141 000 m3/h为标准,空气需补入热量474.7 kW。按燃气锅炉补入计算,每小时耗气量48 m3,能源转化系数按0.75计,通风工况时段不计入,得出再热能耗为242 772 kW·h,运行费用为9.1万元。

以上费用汇总得出春秋季总费用为15.9万元。

3.2.2 夏季运行费用

风冷热泵机组额定制冷量为771 kW,夏季制冷工况COP平均取值2.9。

末端空调箱送、回风机功率与三合一热泵机组一致：送风机总功率为33 kW,排风机总功率为24 kW。

得出夏季空调制冷运行能耗为418 825 kW·h,运行费用为33.5万元。

3.2.3 冬季运行费用

常规空调系统是通过引入室外低温干燥的新风升温后来除湿,本案例冬季空调工况(-1.3 ℃,80%即绝对含湿量2.5 g/kg,焓5.13 kJ/kg)；池厅温湿度(28 ℃,65%即绝对含湿量15.7 g/kg,焓68.2 kJ/kg),不计表冷器补入热量。

经计算，至少引入28 000 m3/h新风量才能满足除湿546 kg/h要求,需补入热量为280 kW,由表冷器补入,按燃气锅炉提供热水计算,得出供热功率共计1 271 kW。燃气锅炉每小时耗气量128.6 m3,能源转化系数按0.75计,能耗为1 499 062 kW·h,费用为76万元。

由上得出常规空调系统年总运行直接能源消耗费用为125.4万元。

3.3 三合一热泵系统年运行费用计算

春秋季：100%负荷除湿工况功率219 kW,75%负荷功率178.5 kW,50%负荷功率138 kW,25%负荷功率97.5 kW；通风工况功率为57 kW。能耗为103 862 kW·h。

夏季：100%负荷功率269.4 kW,75%负荷功率216.3 kW,50%负荷功率163.2 kW,25%负荷功率110.1 kW。能耗为295 555 kW·h。

冬季：100%负荷功率219 kW,75%负荷功率178.5 kW,50%负荷功率138 kW,25%负荷功率97.5 kW。能耗为339 883 kW·h。

经计算，全年能耗为739 300 kW·h,直接能源消耗费用59.1万元。

4 对比分析

经比较,本文案例中三合一热泵空调系统全年运行费用比常规空调系统节约66.3万元,其运行费用只有常规空调系统的47%。

通过图3的能耗对比分析可进一步发现,三合一热泵空调系统在不同季节下的能耗均小于常规空调系统。其中,过渡季及冬季的差距尤为明显,究其原因在于三合一热泵的热回收功能极为有效地减少了再热能耗,降低了燃气的使用量；而常规空调系统无法回收冷凝热,且通过排风除湿造成了热量的大量损失。

图3 能耗对比柱形图

5 结 语

由以上分析可知,三合一热泵空调系统更适用于室内泳池的空调环境,相对于传统空调箱的常规空调系统,其在满足室内空气环境的处理要求的同时,也能够降低运行费用,降低能源消耗,业主在确定初投资方案时,可根据以上两者运行费用的差值,权衡投资及收益。