摘要
结合拉萨能源结构及气候特点，采用了太阳能集热器加储热、串联低温空气源热泵联合运行的供暖系统。根据当地夏季湿球温度低的特点，充分利用自然通风和蒸发冷却，实现清洁能源供冷供暖。介绍了该剧院的暖通设计，指出通风空调系统均需根据当地气压进行风量修正。
关键词
太阳能供暖 空气源热泵 蒸发冷却 自然通风 风量修正
作者
中国航空国际建设投资有限公司 康亚盟 孟凡兵 朱晓山 刘 鑫
0 引言
太阳能是清洁的可再生能源，拉萨太阳能资源极为丰富，该地区建筑利用太阳能供暖能够充分发挥其自然优势，减少化石能源的消耗及环境污染。但是太阳能受天气影响，存在不稳定性和间歇性，并且太阳辐照度与建筑热负荷呈负相关。储热技术能够很好地改善太阳能的这些局限性，为更加高效地利用太阳能提供可能。
近年来空气源热泵受到越来越多的关注，发展迅速。但其本身存在低温性能差、冬季易结霜的问题，若将太阳能与空气源热泵联合运行，太阳能可改善空气源热泵低温性能差、易结霜的问题，空气源热泵可弥补太阳能的不稳定性和间歇性，两者互补，提高系统的稳定性和节能效果。
拉萨地区夏季凉爽，空气干湿球温差大，水蒸气极易蒸发，将空气中的热量带走，可提供免费的自然冷源，有显著的节能优势。
1 工程概况
西藏话剧院位于拉萨市北京中路，总建筑面积约为5 390 ㎡，地上2层，建筑面积约为3 740 ㎡，地下1层，建筑面积约为1 650 ㎡，建筑高度21 m。主要使用功能包括：话剧排演舞台，300人观摩厅，化妆排练用房及配套的设备机房、库房等。效果图见图1。
图1 西藏话剧院效果图
2 室内设计参数
该项目采用的设计参数见表1，建筑负荷见表2。
3 冷热源的确定
3.1 热源
拉萨地区煤炭资源匮乏，燃煤和天然气均须从外省运输进藏，运输使用成本较高。西藏电力以水电为主，电力资源相对充足。当地年日照时长3 021.6 h，年日照百分率68%，年累计太阳辐照量高达7～8 GJ/㎡，是我国太阳辐射能量最丰富的地区。当地冬季寒冷，供暖系统应确保室内管道不冻结，并保证室内人员的舒适度；夏季室外空气干燥凉爽，干湿球温差大，可以充分利用室外空气通风降温和蒸发冷却。
3.1.1 太阳能集热器的分析与选择
拉萨地区冬季温度低，需要考虑太阳能系统的防冻措施，真空管集热器玻璃管遇到冰雹、风沙等恶劣天气易碎，有冻结和过热风险；平板集热器产生高温水效率较低；槽式集热器则没有上述集热器的缺点，它集热效率高、集热温度高，有良好的防冻防过热性能，集热器有即时追踪太阳与自动清洗功能。所以该项目使用槽式太阳能集热器。
太阳能系统承担的负荷为建筑的基础运行负荷（舞台和观众厅不使用），槽式集热器集热面积为3.9 ㎡/组，吸收率≥92%，发射率<9%，集热器介质工作温度范围为-30～300 ℃，可全天自动跟踪太阳，以确保最大的集热效率。采用导热油为换热介质，提高换热效率，防止冻结。根据以下公式计算所需集热器数量，其中，集热器面积为
式中 A为槽式集热器面积，㎡；τ为槽式集热器每天的运行平均时长，h； Q为槽式太阳能系统承担的设计计算负荷，W；JC为槽式集热器运行期间当地的日平均太阳辐照量，J/（㎡·d）；COP为太阳能油水换热器的能效比，取1；ηL为太阳能系统热损失率，取10%～15%；ηCD为槽式集热器综合转换效率，取0.6。
槽式集热器运行期间，当地的日平均太阳辐照量，即槽式集热器追踪修正后的当地水平面月平均太阳辐照量在计算周期内的平均值，按式（2）计算：
式中 ξ为太阳能槽式集热器追踪修正系数；JT为当地水平面日平均太阳总辐照量，J/（㎡·d）；n为计算周期，对于供暖系统，指冬季供暖期折算为月的时间，对于空调系统，指夏季供冷期折算为月的时间，对于生活热水系统，n=12。
计算得出，该项目需集热面积为362.0 ㎡，共需93台槽式太阳能集热器。
3.1.2 蓄热装置的分析与选择
太阳能有间歇性和能量波动大的特点，所以需要使用蓄热装置将集热器获得的能量及时储存起来，使用时再将热量取出，可以解决太阳能不连续、不稳定的问题，提高能量利用效率。
相变材料蓄热容量大、蓄热密度高，蓄放热过程中系统热稳定性好、体积小，但造价较高。水作为储热介质，具有传热及流动性能好、比热容大、满足自然循环和强制循环要求的特点，并且无毒、无污染、造价低。该项目工程规模较小，蓄热量有限，所以储热装置体积不大，综合考虑造价和空间等因素，选择水作为蓄热工质。
储热罐蓄热量为太阳能系统得热量与建筑用热量之差，储热罐长度为3 500 mm，直径为2 000 mm，容积为10 m3。蓄热量按式（3）进行计算：
式中 ΔQ为储热罐蓄热量，W；ρ为热水密度，kg/m3；cp为水的比定压热容，取4 187 J/（kg·℃）；V为储热罐的容积，m3；Δt为储热的温差，取25 ℃；k为安全系数，k=1.1～1.3。
3.1.3 空气源热泵的分析与选择
空气源热泵具有安装灵活、运行连续的优点，与太阳能系统联合运行可以取得良好的互补效果。拉萨属于寒冷地区，冬季空气调节室外计算温度为-7.6 ℃。该项目选用低温型空气源热泵，保证在低温环境下的供暖能力，此外还需考虑高原地区由于空气质量流量变低而造成的空气源热泵性能的衰减。
空气源热泵选用制冷/制热量为130 kW/138 kW的机组，冬季设计供/回水温度为55 ℃/45 ℃，夏季设计供/回水温度为15 ℃/20 ℃。
3.1.4 热源形式
结合当地气候特点和能源结构及市政条件，采用优先使用太阳能系统，辅以低温空气源热泵的联合运行方式。二者串联运行，在太阳能供暖不满足建筑用热需求时启动低温空气源热泵，低温空气源热泵在-15 ℃时能够提供可靠的热源，同时可在夏季为舞台、观众厅区域的全空气系统和新风系统提供冷源，原理图见图2。
图2 冷热源系统原理图
受屋顶面积限制，布置太阳能集热器的面积有限，太阳能集热器仅能提供总热负荷的30%～40%。因此，将太阳能供暖系统作为基础供暖系统，保证平时的值班温度，并且在非演出时段能够满足建筑功能需求，实现节能运行。供暖负荷需求增加时，启动与太阳能系统串联的低温空气源热泵为建筑供暖，空气源热泵可提供100%负荷的热源。太阳能系统集热量通过导热油运输到板式油水换热器，通过板式换热器将热量传递给水，储存到储热器中，最后经分水器进入室内系统，其中板式油水换热器的设计换热量为180 kW。系统控制策略如下：
1) 集热。供暖季供暖循环水泵保持开启，系统检测辐照值大于设定值，风力小于6级，储热罐水温低于设定值(根据供暖管道压力调节)时，油泵动力中心与换热循环泵启动，集热器追日；辐照度小于设定值或风力大于6级，或者储热罐水温高于设定值时，集热器偏转，油泵动力中心停止。
2) 太阳能供暖。根据供暖管道水温调整储热水罐进水口电动三通阀开度，维持供水温度在设定温度±2 ℃(可调整)范围内，储热罐水温低于供暖要求水温，则电动三通阀完全旁通。
3) 空气源热泵供暖。每天供暖时段，供暖水温低于供暖要求温度时，则空气源热泵启动，保障供暖系统入口温度满足要求，供暖管道水温满足供暖水温后，空气源热泵停机。
4) 防冻循环。每天非太阳能供暖时段内，自动检测供暖末端回水温度，低于5 ℃(可调)，则开启供暖循环水泵，进行防冻循环。优先使用储热罐内热水，储热罐水温低于10 ℃后，再启动空气源热泵辅助加热，回水温度高于8 ℃(可调)后停止防冻循环。
3.2 冷源
西藏夏季室外空调计算温度为24.1 ℃，湿球温度为13.5 ℃。按照因地制宜、节能环保的原则，采用以自然通风为主，结合湿膜直接蒸发冷却降温的机械送风。舞台、观众厅区域等具有余热，优先采用空调机组湿膜直接蒸发冷却降温，不足部分由空气源热泵机组提供冷量。
直接蒸发冷却过程如图3所示。室外新风经湿膜等焓加湿，处理到送风状态点O送入室内。由于当地夏季室外空气干燥，所以等焓加湿后的空气直接送入室内并不会增加室内空气湿负荷，当蒸发冷却不能满足室内舒适度要求时，开启空气源热泵为建筑供冷。
图3 新风处理过程
因该地区夏季基本无需除湿，为提高热泵机组效率，冷水供/回水温度取15 ℃/20 ℃，根据实际运行工况，提高水温，实现空气源热泵机组的节能运行。
分散的、有独立空调运行要求的房间如弱电机房、通信网络机房、消防控制室、功放室、可控硅室等采用分体空调或多联空调。
3.3 供暖系统
除观众厅舞台采用热风供暖外，所有人员经常停留和活动的区域，以及存在冻结风险的站房，均设置供暖系统，入口大厅采用地板辐射供暖，其他区域采用散热器供暖。供暖管道在吊顶内敷设，供暖系统采用下供下回。供暖热水采用太阳能集热器和低温空气源热泵串联提供的热水，热风系统、散热器供暖系统及地板供暖系统供/回水温度均为55 ℃/45 ℃。
供暖、空调水系统设计为一级泵闭式循环系统，冬季为散热器、地板辐射供暖系统，空调机组和新风机组提供热源，夏季关闭散热器和地板辐射供暖的供水系统分支，在空调机组和新风需要供冷时提供冷源。系统各支路设置压差平衡阀，负荷侧的空调机组、新风机组冷(热)水出口设置电动调节阀。
4 空调、通风系统
4.1 空调系统
观众厅采用全空气系统，气流组织形式为下送上回，座椅送风、顶部回风，原理图见图4。为提高观众厅人员舒适度，采用二次回风全空气系统，减小送风温差，避免再热。空调机组为双风机变频系统，可以实现从最小新风到全新风的运行调节，降低运行能耗。每个座椅的送风量为40～50 m3/h，送风温差3～5 ℃，即夏季送风温度不低于20 ℃，送风出风速度不高于0.4 m/s，人体脚踝处风速不高于0.25 m/s，避免产生吹风感。送风来自座椅下的土建静压箱，静压箱内壁要求贴吸声保温材料。
图4 观众厅通风空调原理图
主舞台和侧台采用全空气分层空调系统，对称设置2套机组，并设置1台轴流风机在舞台顶部排热，原理图见图5。送风口布置在侧台，并在舞台顶部栅顶内设排风兼排烟口，将舞台设备散发的聚集在舞台顶部的余热及时排出。送、排风机自带变频控制器，采用消声型风管，温控型球形喷口，等温射程28.9 m，可根椐需要间歇供冷或供暖，在演出时可减少送风量或关闭送风，以降低出风口风速，避免吹动幕布或对演出人员造成不适吹风感。组合式空调机组为双风机，可以实现从最小新风到全新风的运行调节，降低运行能耗。
图5 舞台通风空调原理图
入口大厅、办公室、贵宾室、琴房、化妆室、更衣室及休息室等区域，夏季可采用自然通风，可使用新风系统降温，并配以排风系统，新风机组采用变风量控制。夏季和过渡季大风量运行，以便消除室内余热，冬季小风量运行，保证人员卫生新风需求，降低能耗。
弱电机房、通信机房、消防控制室使用1套多联机系统降温；功放室、可控硅室、舞台机械室、追光室等区域，单独设计了热泵式分体空调器或多联分体机，室外机均就近放置在室外。
4.2 通风系统
结合建筑空间和外窗及当地气候特点，优先利用自然通风，尤其过渡季积极利用自然通风改善室内空气质量。自然通风不能满足室内环境要求的进行机械通风：
1) 台仓设置机械排风、补风系统，排除台仓余热、余湿，并设置风机盘管保证台仓内舒适度，预留除湿机点位。
2) 水泵间、储热机房、普通弱电机房等及其他有通风换气需求的房间均设计机械排风系统，排出室内余热和污浊空气。对有环境噪声要求的排风系统设置消声器。
3) 根据相关专业条件，通信网络机房区域设气体灭火灾后排风系统，以上区域各房间内设上、下部排风口。
4) 卫生间设置排气扇，建筑主要出入口处设置热空气幕。
5) 根据该地区海拔高的特点，空调、通风设备均进行气压修正。
5 结论
西藏话剧院面积虽小，但内部结构复杂、空间紧张，结合拉萨当地能源结构及气候特点，因地制宜地进行了优化设计。
1) 合理选择热源。拉萨当地太阳能资源极为丰富，在场地条件允许的情况下应充分利用太阳能资源供暖；太阳能供暖宜与蓄热系统、空气源热泵结合使用，解决太阳能系统局限性的同时也改善空气源热泵的低温性能。
2) 合理选择冷源。当地夏季湿球温度低，室外空气比焓低于室内空气，宜充分利用自然通风和蒸发冷却，空气源热泵还可以作为冷源，在自然通风和蒸发冷却不能满足制冷需求时提供冷量，节约能源。
3) 优化气流组织。合理布置管线，观众厅采用座椅送风、顶部回风已经比较普遍，并且取得了良好的舒适度。舞台区分层空调可以在保证人员活动区舒适度的前提下，节约能源。该项目在舞台顶部设置了机械排风排出余热，保证顶部操作人员的工作环境。空间紧张时，合理合用补风和送风、排烟和排风管，节省空间。
本文引用格式：康亚盟，孟凡兵，朱晓山，等 .西藏话剧院供暖空调系统自然能源的利用[J].暖通空调，2021，51（8）：97-101
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