引言随着人们生活水平的提高，公共设施的建设成为城镇建设工作的重点，其中包括剧场、篮球馆、档案馆、图书馆、科技馆等功能为一体的综合性建筑——社区文体中心[1]。因此，社区文体中心的建筑设计，应重视舒适性、健康性，以满足国家绿色建筑的要求[2-4]。冷热源的选择对于建筑能耗影响较大，本设计主要从舒适性、经济性、先进性及绿色性等方面进行暖通空调冷热源方案比选。1工程概况及设计参数本工程为天津市某社区文体中心，属寒冷地区，夏季炎热、冬季寒冷，且过渡季时间较长。本项目总用地面积为3 875 m2，总建筑面积为11 660 m2。主要设计参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.T001表1天津某社区文体中心围护结构热工参数K围护结构部位传热系数屋面光伏板屋面0.257不上人屋面0.246上人屋面0.243外墙（包括非透明外墙）0.237底面接触室外空气的架空或外挑楼板0.230非采暖空调房间与采暖空调房间的隔墙或楼板、变形缝非采暖与采暖空调房间的楼板0.642非采暖与采暖空调房间的隔墙0.599外窗（包括透明幕墙）1.5采光顶1.5W/（m2·K）依据《民用建筑供暖通风与空调设计规范》（GB 50736—2012）[3]确定空调供暖室内设计参数。2负荷计算与分析2.1负荷计算本栋建筑属于间歇性运行供冷供热建筑。从其文体中心的性质来看，一般运营时间为8：30～21：30。本次设计及计算均设定每天运行时长13 h。本工程夏季总冷负荷为612.786 kW，冬季总热负荷为608.736 kW，夏季总湿负荷为427.26 kg/h，夏季冷指标为75.44 W/m2，冬季热指标为74.94 W/m2。2.2DeST全年负荷模拟通过使用DeST软件可计算文体中心全年逐时负荷变化趋势，预测能耗使用的情况；同时可以将负荷变化的规律应用到方案的比选当中，让方案比选更为真实，为后期的运行策略提供了可靠的依据。结合DeST进行全年8 760 h逐时负荷计算，进行空调季的划分、逐时负荷比的筛选，为整个系统的运行与控制提出了初步构想。DeST计算整栋建筑全年动态冷热负荷如图1所示。通过与DeST负荷的全年负荷模拟特征来看，将对全年划分区间冬季供暖日期为11月15日～3月15日，夏季空调季时间为5月24日～9月10日，其余时间为过渡季节。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.F001图1空调季划分根据 IPLV 的计算方法，将全年负荷比小时数数筛选为4个段位，其筛选数据如表2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.T002表2负荷占比小时数段位/%冬季夏季0～2513926425～5055562250～7582244575～100178161h3冷热源方案设计通过详细的经济性探讨对比，结合DeST负荷模拟量与机组COP曲线，对机组进行详细的、动态的经济性计算，如初投资、运行费用及回收年限的计算。根据建筑物的周边配套设施，现提出3种冷热源方案进行比选：方案一为螺杆冷水机组+市政热网，方案二为冷水机组+燃气锅炉，方案三为地源热泵+冷却塔复合系统。3.1螺杆冷水机组+市政热网本方案为最常规方案，夏季通过冷却塔降低冷却水温度，冬季以市政热网经换热后的二次网为热源，夏季以冷却塔作为冷源，通过螺杆机组换出 7 ℃/12 ℃的供回水。（1）机组设备选型。根据DeST负荷模拟结果筛选出的数据，根据运行负荷率及运行小时数，选择两台螺杆冷水机组，一台作为主要使用，另一台作为调峰使用选择板式换热器作为冬季的换热装置。选择两台冷却塔，分别对应两台冷水螺杆机组。同时，根据本次负荷计算结果可知负荷量并不大，因此冷却水立管共用1套，至屋顶再分别进两台冷却塔。按负荷比例分配选择机组如表3所示。配置3台变频冷冻水泵，2用1备；3台冷却水泵，2用1备。水泵按制冷量440 kW机组选取，一台满负荷运行，另一台随小机组变化调节。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.T003表3方案一初投资估算项目设备规格数量单价总投资/万元总计207.26SLBLG340/MCF340 kW1450元/kW15.30SLBLG440/MCF440 kW1450元/kW19.80城市热网配套费——35元/m226.02板式换热器—10.02万元/kW15.47冷却塔80 m³/h2500元/（m³/h）8.00管道、控制、系统定压——30元/m222.30建筑物末端——110元/m281.77冷冻水泵—32.7万元/台8.10冷却水泵—33.5万元/台10.50（2）经济性分析。方案一初投资估算如表3所示。由表3可知，初投资估算为207.26万元。另外，安装费主要按照占设备费百分比计算，热泵系统取15%，锅炉系统取25%。则本方案的安装费为：207.26×15%=31.089万元。因此本方案总投资费用238.349万元。运行费用该方案冬季采用市政热网，因此冬季费用与换热量相关，故该方案只对夏季负荷进行划分，对应不同机组在负荷不同负荷占比下的负荷量，确定不同机组COP效率，对方案进行运行费用的详细计算如表4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.T004表4方案一年运行费用计算（螺杆冷水机组+市政热网）项目夏季冬季能源形式电供热网价格1.076元/kWh28.94元/m2机组型号LSBLG440MCFLSBLG340MCF—负荷累计/kWh318 1548 62112 79734 48667 7174 781 38性能系数5.685.206.806.605.60—总费用/元60 2701 7842 0255 62213 011—单位燃料费用/（元/m2）8.10.20.30.81.828.9机房运行费用4元/（m2·两季）冷却塔运行费用3.5元/（m2·季·两台）全年运行费用（元/m2）47.63.2冷水机组+燃气锅炉该方案与方案一大致相同，不同点只在于替换了冬季的热源，将板式换热器更换为一台燃气锅炉；但热源形式由集中供热转变为单独供热，必然导致对污染物排放浓度控制程度程度不同。单个的锅炉污染相对较大，市政热网排放的污染物会经过统一处理，相对较好。因此，设计此方案主要用于观察燃气锅炉在运行期间是否具有明显的经济效益，如无，则将放弃本方案。（1）机组设备选型。冷水机组COP与方案一相同，根据热负荷对燃气锅炉选型。（2）经济性分析。方案二的年运行费用计算如表5所示，方案二初投资估算如表6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.T005表5方案二年运行费用（螺杆冷水机组+燃气锅炉）项目夏季冬季能源形式电供热网价格1.076元/kWh3.4元/m2机组型号LSBLG440MCFLSBLG340MCFYHZRQ60负荷累计/kWh318 1548 62112 79734 48667 7176 3316 719528 746性能系数5.685.206.806.605.600.800.890.93总费用/元60 2701 7842 0255 62213 0112 8522 721204 903单位燃料费用/（元/m2）8.10.20.30.81.80.40.427.6机房运行费用/[元/（m2·2季）]4冷却塔运行费用/[元/（m2·季·2台）]3.5全年运行费用/（元/m2）46.910.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.T006表6方案二初投资估算项目设备规格数量单价总投资/万元总计177.99SLBLG340/MCF340 kW1450元/kW15.30SLBLG440/MCF440 kW1450元/kW19.80燃气锅炉—1150元/kW11.60冷却塔80 m³/h2500元/（m³/h）8.00管道、控制、系统定压——30元/m222.30建筑物末端——110元/m281.77冷冻水泵—32.7万元/台8.10冷却水泵—33.5万元/台10.50由表6可知，初投资为177.99万元。而本方案的安装费为270.05×15%=39.578万元，因此本方案总投资费用310.56万元。3.3地源热泵+冷却塔复合系统根据负荷特征，地埋管地源热泵的系统主要有3种布置方式：第一种按冬夏季负荷较小的负荷值进行设计，对于不满足的负荷点采用辅助补偿冷源或热源的形式；第二种按照冬夏季负荷较大的负荷值进行设计，这样虽然能够满足设计要求，但会造成土地不平衡温升或温降，随着运行时间的增加，系统的效果会越来越差，减少了系统的寿命；第三种则是增加辅助设备，使冬夏季平衡。因此在设计选型前，首先结合动态负荷对冬夏季期间土地的吸放热不平衡率进行计算。（1）机组设备选型。根据设计负荷占比，按照6∶4比选择2台地源热泵机组[5]，不平衡率为15.8%。选用1台冷却塔平衡冷却水端吸热放热不平衡问题。（2）经济性分析。方案三初投资估算如表7所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.T007表7方案三初投资估算项目设备规格数量单价总投资/万元总计270.05LSBLGHP360/MCF351 kW1550元/kW19.30LSBLGHP460/MCF445 kW1550元/kW24.48地埋管换热器622.33 kW—1 500元/kW93.40冷却塔80 m³/h1500元/（m³/h）4.00管道、控制、系统、定压——30元/m222.30建筑物末端——110元/m281.77冷冻水泵—42.7万元/台10.80冷却水泵—63.5万元/台20.00由表7可知，初投资为270.05万元。而本方案的安装费为270.05×15%=39.578万元，因此本方案总投资费用310.56万元。方案三的年运行费用计算如表8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.T008表8方案三年运行费用计算（螺杆冷水机组+燃气锅炉）项目夏季冬季能源形式电电价格1.076元/kWh1.076元/kWh机组型号LSBLG360HP/MCFLSBLG460HP/MCFLSBLG360HP/MCFLSBLG460HP/MCF负荷累计/kWh7 70012 24134 14067 282320 40925 2066 39821 39339 697425 441性能系数5.936.486.446.136.194.805.335.275.005.19总费用/元1 3972 0335 70411 81055 6965 6501 2924 3688 54388 203单位燃料费用/（元/m2）0.20.30.81.67.50.80.20.61.111.9机房运行费用/[元/（m2·2季）]2冷却塔运行费用/[元/（m2·季·2台）]2全年运行费合计/（元/m2）28.84冷热源方案确定三种方案初投资、运行费用计算结果如图2及图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.F002图2方案初投资对比10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.F003图3运行费用对比由图2及图3可以看出，初投资方面：地源热泵+冷却塔＞冰蓄冷+市政热网＞冷水机组+市政热网。运行费用方面：地源热泵+冷却塔成本较低。现根据以上计算结果，以初投资最便宜的冷水机组+燃气锅炉为对比对象，以寿命周期 （20 a）系统运行对3个方案进行回收年限计算，如表9所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.T009表9回收年限计算项目方案一方案二方案三初投资/万元238.4222.5310.6系统增量成本/万元*15.9—88.1全年空调运行费用/万元35.434.921.4寿命周期总运行费用/万元707.7697.3428.220年节省运行费用/万元-10.4—269.1投资回收期/a——6.5注：*表示系统增量成本以方案二：冷水机组+燃气锅炉为基准，对比其他方案的初投资增量费用。同时为了更直观的观察总投资随运行年限的变化情况，初投资+20年运行费用对比如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2021.03.013.F004图4初投资+20 a运行费用对比图由图4可以看出，方案一的初投资和运行费用都高于方案二；方案三相比方案二只需6.5 a即可收回初投资，6.5 a后，每年可节约费用：34.9－21.4=13.5万元。因此方案三和相对较优，最终推荐采用方案三地源热泵复合系统。地源热泵的制冷、制热效果都明显高于传统空调，且运行费用低，环境污染少[6-10]。