高阳洋 孟凡兵

中国航空国际建设投资有限公司

体育建筑作为全民健身运动和竞技场所，广受民众关注。体育建筑通常体量大、空间高、能耗大，因此体育建筑的节能显得尤为重要。尤其是冷热源系统，占整个空调采暖能耗的50%以上。冷热源的选择与节能非常关键。本工程冷热源利用电厂蒸汽余热，以驱动溴化锂吸收式冷水机组及作为汽水换热机组的一次热源，可以提高能源利用率，达到节约能源、降低生产成本的目的。同时，对冷热源及输配系统节能运行方式的分析，有利于在实际运营阶段真正实现设计意图，达到运行节能的目的。

0 工程概况

兰州奥体中心项目（见图1）位于兰州市七里河区崔家大滩片区，南滨河西路以南，分为南北两区。北区包括体育场，综合馆，游泳馆三个主要建筑以及一些零散的商业用房，南区主要包括运动员公寓与体育产业用房，网球馆以及网球场看台下零散商业用房。本文主要介绍项目南区。

图1 兰州奥体中心项目效果图

运动员公寓与体育产业用房，位于整个项目用地的南区西侧，总建筑面积约265000 m2，其中地上建筑面积约145500 m2，地下建筑面积约120000 m2。建筑主体在地上分为两部分，北侧为运动员公寓（A 栋）、南侧为体育产业用房（B 栋），A、B 栋为连体建筑，地下为2层的整体大底盘地下室。A 栋参照五星级旅馆的标准设计，地上建筑面积约95000 m2，建筑最高点99.9 m，地上21 层，主要功能为运动员公寓、公寓配套用房、配套商业用房。B 栋地上建筑面积约48000 m2，建筑总高度84 m，地上17 层，主要功能为体育产业用房、配套商业用房。地下2 层，主要功能为运动员公寓的配套体能训练用房，员工餐厅及厨房，内部办公及物业用房，汽车库，设备用房及附属库房。

网球馆位于整个项目用地的南区东侧，总建筑面积约11500 m2，使用功能最高点建筑高度为23.95 m，设3000 个坐席，为甲级体育场馆，能满足全国运动会和国际单项比赛的要求。

1 市政汽源系统配置

本项目用地东南方约1.5 km 的范坪热电厂可提供常年、稳定、充足、优质的高温高压饱和蒸汽，饱和蒸汽的绝对压力为0.4 MPa。因地制宜，在具备条件的情况下，优先利用余热回收，符合《公共建筑节能设计标准》的优选节能原则。因此，本项目优先利用电厂余热蒸汽作为建筑能源，冷源采用溴化锂吸收式冷水机组。电厂提供的蒸汽管线敷设至本工程南北区之间市政路，本工程南、北区分别由市政路将蒸汽管线接入。

2 电厂余热的利用

运动员公寓与体育产业用房的空调冷负荷11000 kW，空调热负荷12600 kW，地板采暖热负荷70 kW；网球馆空调冷负荷1200 kW，空调热负荷150 kW，散热器和热水辐射板采暖热负荷230 kW。

蒸汽需求时段、场所及用量如下：

夏季：蒸汽用于吸收式冷水机组，洗衣房和生活热水。蒸汽最大需求用量为19 t/h。

冬季：蒸汽用于换热机组的一次热源，洗衣房和生活热水。蒸汽最大需求用量为25 t/h。

2.1 蒸汽余热应用于冷源系统

蒸汽管线引至运动员公寓与体育产业用房地下一层换热站内，经总计量后引至分汽缸，其中一支路供给制冷站内的吸收式冷水机组，详见图2。设蒸汽型双效吸收式冷水机组4 台，制冷量3050 kW/台，蒸汽耗量3443kg/h.台，分别为运动员公寓与体育产业用房以及网球馆提供冷冻水。制冷系统夏季冷水供水温度7 ℃，回水温度12 ℃。制冷系统需设置冷却塔，冷却水水温30/36 ℃。

图2 电厂余热利用情况示意图

2.2 蒸汽余热应用于热源系统

蒸汽管线引至运动员公寓与体育产业用房地下一层换热站内，经总计量后引至分汽缸，一支路供给换热站内的汽-水换热机组，作为供暖一次热源，再置换成符合各系统使用需求的热水，详见图2。汽-水换热机组为成套设备，含换热器，水泵，疏水器，各种阀门，仪表，控制柜及控制系统。换热机组工作压力在0.4 MPa 至0.8 MPa 之间。换热机组总热负荷为13000 kW，一次侧热媒为绝对压力0.4 MPa 的饱和蒸汽，饱和温度144 ℃，循环侧供回水温度为55/40 ℃。换热器采用模块组合式布局，选6 台汽水换热器共同使用。换热机组通过调节一次侧电动调节阀的开度，来保持供水温度稳定。二次侧回水设有超压保护阀门，压力超过设定值，此阀门开启泄压，二次侧供水设有超温报警保护功能，若二次持续高温，系统会自动停止并报警。

2.3 蒸汽余热应用于其他系统

本项目蒸汽除供给制冷系统、供热系统外，还供给运动员公寓与体育产业用房的洗衣房和生活热水机房，满足运动员公寓洗衣房工艺需求及生活热水的热源需求。详见图2。

2.4 冷凝水系统余热利用

各用汽设备的凝结水排水温度较高，为65～80 ℃，且水质较好，对其加以利用是节水节能之举。凝结水经汽动型凝结水回收机组汇集后，引至用水、用热点：即作为空调热水系统的补水以及供生活热水做热源使用，详见图2。经以上利用后最终排放的蒸汽凝结水温度可降至40 ℃以下，由给排水接入中水系统进一步加以利用。

3 溴化锂吸收式冷水机组节能运行

溴化锂吸收式冷水机组是能耗大户，蒸汽、冷却水消耗量大，通过对制冷系统的操作优化和性能改进，可以稳定溴化锂吸收式冷水机组的运行状况，达到节能降耗的目的。

3.1 溴化锂吸收式冷水机组连锁、连动控制

本项目冷源采用的溴化锂吸收式冷水机组，其自控系统提供了一套冷水系统和冷却水系统的联锁信号、连动信号接点以及一个冷却塔风机的简易温控开关接点。溴化锂制冷机组运行时，按图3 的时序进行起动和停止。

图3 溴化锂吸收式冷水机组及水泵起停时序图

起动时，机组首先发出冷水泵的连动信号，起动冷水泵，等待联锁信号返回，判断冷水泵起动完成后，发出冷却水泵的连动信号，起动冷却水泵，等待联锁信号返回，判断冷却水泵运转成后，起动溴化锂冷水机组开始制冷运行，同时，按冷却水入口温度控制冷却塔的起停。

停止时，机组首先关断蒸汽驱动热源的输入，保持冷水泵，冷却水泵，冷却塔及机组继续运行一段时间，这个过程一般称为“稀释运转过程”，使机组整体快速降温，并使机组内部的浓溶液与冷剂水充分混合，确保机组内溶液不会发生结晶故障。等待机组降到一定温度后，通过联锁、连动信号停止冷水泵、冷却水泵、冷却塔等附属设备，再继续运行一段时间，让机组内部的溶液充分稀释后，机组完全停止[2]。

3.2 溴化锂吸收式冷水机组节能运行中的控制措施

1）蒸汽压力波动的控制

本项目蒸汽是由热电厂提供，用户多，用量范围大，会出现压力波动。在其它条件不变时，机组的制冷量随着加热蒸汽压力的升高而增大。但是蒸汽压力过高时，机组容易结晶，制冷量反而会严重下降。本工程在蒸汽管路上设置三个阀门，联合控制蒸汽压力，分别为蒸汽切断阀防止压力波动，自力式调节阀控制总压力范围，蒸汽调节阀做精细调整，其中蒸汽调节阀的灵敏度是运行中监测的重点，确保其满负荷时全开，无负荷时全关。另外开机通蒸汽时，要监测蒸汽压力的变化，防止供热过快，使发生器传热管受热不匀，造成传热管变形和胀管处泄漏。通过和蒸汽压力和蒸汽用量的控制，既保护了机组又达到了节能的目的。

2）冷水出口温度的控制

在其它条件不变的情况下，机组的制冷量随着冷水出口温度升高而提高。冷水出口温度每升高1 ℃，机组制冷量提高4%～7%。所以当空调负荷降低时，适当提高冷水供水温度，可提高机组制冷量，而不必一定控制冷水温度在7 ℃，变冷水出口温度调节，是溴化锂吸收式冷水机组节能降耗的重要措施。

3）冷却水进口温度的控制

在其它条件不变的情况下，机组的制冷量随着冷却水进口温度降低而提高。冷却水进口温度降低1 ℃，制冷量增加3%左右。但是冷却水温度过低或用量过大，将造成浓溶液结晶和冷剂水污染现象的发生，所以从机组安全运行角度考虑，不允许冷却水进口温度过低。本工程地处兰州地区，气候干燥，采用的冷却水进出水温度为30/36 ℃，这种适当降低冷却水进水温度和加大冷却水温差的设计，可提高热交换效率，减少循环水量，达到节能运行的效果。

4）溶液循环量的控制

采用合适的溶液循环量，不仅能提高机组的制冷量，而且还能节约蒸汽和循环水用量。本项目通过以下两种方式对溶液循环量进行控制：其一，通过调节溶液泵出口溶液阀和中间溶液阀来实现机组液位和溶液循环量的调整。其二，通过改变高发温度或压力的设定值，从而改变变频器的频率来调节。在调节过程中要注意保持高低压发生器液位的稳定，防止因液位波动而造成冷剂水污染。

4 输配系统节能运行

本工程结合建筑布局和功能需求，空调冷水系统采用二次泵变流量系统，南区按运动员公寓与体育产业用房、网球馆单体分别配置二次泵，采用变频泵变速控制。详见图4。二次泵变流量系统是在传统的一次泵系统的基础上在负荷侧增加一组循环水泵,将冷冻水系统分为制备和输送两个部分,一次泵负责冷水机组侧的阻力，二次泵用来克服末端的阻力，相对于一次泵系统降低了各自管路的承压。当负荷侧系统较大、阻力较高时,如果采用一次泵系统，需要根据冷水机组的流量和系统最不利环路的阻力选择水泵，配置功率大，且大部分时间在部分负荷时运行，导致系统能量利用率低、能耗高。采用二次泵系统时，当负荷侧水量变化时,二次水泵的运行频率根据能够反映用户侧实际水量需求的信号进行调整,用水泵的变频控制作用来取代部分或全部调节阀节流作用,减少了能量的消耗。在负荷侧和冷、热源侧之间设平衡管用以平衡一、二次冷冻水量的差异[3]。

图4 空调冷水二次泵变流量系统原理图

1）冷水机组及对应冷冻水泵的控制

控制系统根据冷冻水供、回水温度和制冷机组运行的电流及冷媒压力、温度等参数，自动准确计算出空调系统实际所需要的冷负荷，自动调整制冷机组运行工况，从而达到最佳节能的目的。

当空调系统负荷增加时，若负荷大于运行中冷水机组提供的最大负荷，且此状态持续10～15 min，控制系统将采用“软启动”的模式进行加机运行。即首先降低正在运行机组的负荷，然后启动下一台冷水机组及对应的冷水泵，最后使得所有运行的机组按照相同的负荷工作。当空调系统负荷减小时，若减少某台冷水机组后，剩余机组提供的最大负荷满足空调负荷要求，且此状态持续10～15 min，控制系统将采用“软关机”的模式进行减载运行。即首先降低机组的运行工况，直至使系统负荷减少到可以停止一台冷水机组及对应的冷水泵。通过“软启动”和“软关机”可以避免机组在启动和停止时对电网造成的冲击确保机组和配电站的安全。

2）冷冻水泵频率以及旁通阀门的控制

控制系统根据集分水器上的压差传感器提供的压差信号，与设定值进行比较，并自动调节冷冻水泵的转速，从而在保持系统压力平衡的同时充分发挥二次泵变流量的节能特性。控制系统随时检测系统冷冻水的实际流量，当实际流量接近单台冷水机组最低流量要求的时候，冷冻水系统的旁通阀门将会被逐步打开，以弥补系统流量的需要。同时在冷冻水流量发生变化的时候，控制系统将调节冷水机组内部装置的运行，使之满足低流量状态时的需要，同时保证机组的正常运行效率。

5 结论

1）因地制宜，结合项目市政条件，充分利用电厂余热作为建筑能源，可以提高能源利用率，达到节约能源、降低生产成本的目的。

2）优化溴化锂吸收式冷水机组节能运行中的控制措施，通过控制蒸汽压力，冷水出口温度，冷却水进口温度以及溶液循环量等，保证机组的安全和系统的节能运行。

3）优化输配系统的运行方案，实现二次泵变流量系统的节能运行。

4）注重系统节能运行和调试，有利于在实际运营阶段真正实现设计意图，实现真正意义上的节能。