深圳清华苑建筑与规划设计研究有限公司 广东深圳 518000
摘要：在科技高度发达的今天，人们追求更舒适的生活，为此空调和热水系统普遍的用于公共建筑。然而空调主要能耗之一（约占建筑总能耗的60%以上），空调将室内的热量连同其耗费的能量一同排往室外，给室外环境造成了严重的热污染，并且加重了城市的热岛效应，另外需要利用高品质能源提供热水，这造成了能力的双重浪费。面对能源日益紧张，资源严重浪费，对空调废热的二次利用及环保的重要性在经济社会的发展进程中日渐凸现。本文对空调系统回收余热系统进行介绍 结合观湖文化艺术体育场馆项目热水系统的设计，重点分析了热水几种热媒及换热方式选择、热水机房位置及热水分区、空调系统回收余热与空气源热泵联用、集中热水量计算等设计要点。
关键词：空调系统回收余热与空气源热泵联用；热水系统设计
1.空调系统回收余热系统
简单地说，就是将冷水机组运行过程中排向外界的大量废热回收再利用起来制备热水。通过一定的方式将空调制冷机组运行过程中排向外界的大量废热回收再利用，作为用户的最终热源或初级热源。热回收空调显著的节能效果现受到越来越多行业学者的关注，这与其本身具备的特点和优势是密不可分的。常规空调制冷系统中的能耗问题 业内人士都知道，“制冷”并不仅仅是一个简单的降温过程，与 自然 冷却相比，“制冷”的过程实际上是通过消耗一定的外界能量（如电能、热能、太阳能等），把热量从“低温热源”转移到“高温热源”的过程。因此，我们通过“制冷”把载冷剂的温度降低的同时，加上外功转化的热量，必然会产生比冷量更大的热量。 目前 绝大部分的空调设计，这部分热量不但没有利用，还要消耗水泵及风机动力，把热量通过冷凝器由冷却介质（水、空气等）带走。我们如果能够把这部分热量利用起来，则可以实现单向能耗，双向输出，大大提高制冷机组的能源利用率，还可以节约冷却系统的能耗。
2.结合实际项目案例
观湖文化艺术体育场馆项目位于广东省深圳市，建筑主要由一个图书馆，一个文化，一个体育馆，一个游泳馆，一个音乐厅及艺术展厅，多球类运动场及商业和一条800米长的环形漫步道组成。地上10层，地下2层，，总建筑面积约73695m2，音乐厅使用时按800座使用，平时做剧场时实际座位938座为乙等；体育比赛场为小型比赛场馆人数少于3000人、游泳馆为乙级；建筑防火类别一级、建筑高度为68.1m。
3.热水系统设计要点
3.1项目热水需求
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本项目地下室泳池淋浴、地下室体操训练馆淋浴、一层羽毛球馆淋浴、一层音乐厅演员淋浴、二层体操馆运动员淋浴、热水采用集中热水形式。五层健身房及排练室淋浴热水供水由于使用点位置较分散，无法集中供应，采用局部电热水器供热。
3.2热源选择
在节能减排的大环境下，我们首先考虑节能环保的清洁能源，主热源考虑太阳能系统、空气源热泵系统、空调系统回收余热系统。结合本项目对各热源应用分析及选择如下：
（1）太阳能系统，本项目裙房屋顶为绿化公园区域，只有塔楼屋顶可以布置太阳能集热板，除去屋顶空调设备等所需空间，布置太阳能集热板的面积仅有30平方左右，布置面积有限，远远不够本项目热水需求。本项目为公共体育服务项目，需要大量的稳定热水输出。在阳光充足的时候，太阳能热水器的优势毋庸置疑，没有其他设备可以比拟，但到了夜晚，太阳能就只能用电加热了。此外，一年365天中，还是有大部分时间是没有太阳的。因此，对于热水需求量大的本项目而言，太阳能的节能效果也非常有限。
（2）空气能热泵，主要吸收空气中的热量来制热，所以没有太阳能靠天吃饭的缺陷，环境温度越高，节能效果就越好，因此，在年气温较高的深圳非常适合空气能热泵给热水系统加热。
（3）在设计过程中，我们发现，本次设计除了地下车库外，各个场馆、音乐厅、文化馆均设置中央空调，空调面积达到了25574平方米，计算空调冷负荷5206kW，制冷主机采用电制冷冷水机组。装机容量为1504RT，选用两台600RT离心式冷水机组（L-B2-1~2）+一台304RT螺杆式冷水机组（L-B2-3），在场馆制冷时空调机组产生了大量的空调余热，本项目选用空调系统回收余热系统给热水加热非常合适。
（4）经过上述各热源的分析及比较后，最后不考虑采用太阳能系统，项目最终选用空气源热泵为主热源，空调系统回收余热系统为预热源的加热方式.
3.3热水机房位置及热水分区
（1）考虑本项目热水用水点分散，用水点标高不一，热水系统选择闭式系统，保证了同一点位冷热水压力供应均衡，且热水无二次污染的风险，减少了日常的管理、维护及保养。
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图1
（2）集中热水供水分区方式：考虑用水使用频率等原因分区如下：
分区一：将地下室泳池淋浴、地下室体操训练馆淋浴、一层羽毛球馆淋浴经常使用的区域作为一个分区（分区一），冷水直接市政供水，热水换热罐直接市政供水。
分区二：将一层及一夹层音乐厅演员淋浴、二层体操馆运动员淋浴等不经常使用的区域作为一个分区（分区二），由低区生活给水泵供给冷水和热水换热罐。
分区三：泳池初次加热及平时加热为一个区由空气源热泵热媒直接接入泳池机房，进行板换换热，用于泳池使用。
（3）热源位置及热水机房位置：
在集中供应热水系统采用高温型空气源热泵供热，热泵设于文化馆/图书馆屋顶。热回收空调制冷机组设置在地下二层制冷机房。
考虑到热媒及供热水管最优位置，在文化馆2F设置两个热水换热机房。分别放置一、二热水分区的换热水罐.。
3.4空调系统回收余热与空气源热泵联用
（1）空调系统回收余热的热量与季节，气温，开放区域、空调设备效率等都有关系，所以空调系统回收余热供热不够稳定，不能作为主热使用，设计时考虑先给一个换热水罐预热后未达到使用温度时再由空气源热泵热媒加热，其中分区一的一个换热水罐连接空调热回收的供、回水罐系统如图1。
（2）对暖通空调机组选用部分热回收（显热回收），其特点是回收量比例不大，一般不超过整体冷凝热的 20%，回收温度不高，对机组效率无影响，与常规机组相比，成本增加较少；对空调系统中的螺杆式冷水机组进行热回收，暖通专业计算得出选用冷水机组的制冷量为1200kW，热回收按制冷量的10%取值，热回收量约为120kW.在地下制冷机房内配置热媒循环泵及膨胀水箱如图2。
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图2
4.热水分区一（空调系统回收余热供热分区）集中热水量计算
（1）本项目按定时供应热水的公共浴室、剧院化妆间、体育馆（场）运动员休息室等建筑集中热水供应系统设计，
（2）集中供热水分区一热水计算结果如下：
分区一耗热量计算
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游泳池恒温加热负荷约为350kW，游泳池初次加热负荷约为850 kW，因游泳池初次加热负荷比游泳池恒温加热负荷大，所以按游泳池初次加热负荷选取机型。另外泳池维持恒温所需要的热量还可以从泳池的除湿热泵中获得。
设计空气源热泵共10台，每台热泵的名义制热量120KW/h·台，在冬季5°C时制热量温度修正系数为0.80，化霜修正系数0.97，输入功率修正为0.98，在冬季5°C时制热量为120×0.80×0.97×0.98=91.26KW/h·台，总制热量为91.26KW/h×10=912.6KW/h＞850KW/h，能满足要求。
（3）分区一热水系统计算：
a）根据前述计算分区一：Qh1-小时耗热量为392.2KW
qrh1小时热水量：Qh1/4.187/（60-10）=34m3/h
b）热泵热水供应系统应设置贮热水箱（罐），其总贮热水容积为：全日制集中热水供应系统贮热水箱（罐）总容积，应根据日耗热量、热泵持续工作时间及热泵工作时间内耗热量等因素确定，
c）现生活热泵与泳池热泵系统共用，配置10台名义制热120KW/台的热泵，在冬季5°C时总制热量为912.6KW/h，泳池恒温需求量350KW，还剩余562.6KW＞Qh1：462.9KW。
d）结合建筑的具体，考虑一定的储水缓冲高峰时期的用水，采用导流式半容积式换热器，至少储存20min的热水，约为11.3m3设置4台有效容积3m3的半容积式换热器，储水容积约12m3大于11.3m3。
e）综上所述：选用卧式导流式半容积式换热器4台；单台有效容积3m3，换热面积约15m2；单台热水循环泵流量5m3/h，循环泵扬程15米，2台，一用一备；热媒循环泵单台流量60m3/h，扬程30米，3台，二用一备；
（4）总结
根据上述计算得出分区一耗热量为392.2KW，冷水机组在负荷运行时最高能产生120KW，满负荷运行时，能满足本项目热水分区一约1/3的热能需求。
5.结语
通过本次设计看出热回收空调技术在节能方面的效果是相当显著的，而且该系统在夏季制冷时所产生的热水是完全免费的。实际运行中会给业主节省可观的电费开销， 空调热回收系统与其他稳定热源的结合也相对简单成熟，设备也及系统也简单，安装维护方便。更主要的是节约了能源，在现今节能减排的的大环境下，节能、环保已成为持续发展的主题。空调系统回收余热必定会成为建筑发展的大趋势，其显著的节能效果将受到越来越多的应用与关注。
参考文献：
[1]GB50015-2003（2009年版）《 建筑给水排水设计规范》SJG44-2018 《公共建筑节能设计规范》
[2]GB 50555-2010 《民用建筑节水设计标准》