超高層綜合性建筑供熱系統設計探討

1江新城核心地段建筑圖14廣州珠江新城西塔（以下簡稱西塔，原名廣州國際金融中心）位于廣州江灣新城中心，占地面積31.084.96米，總建筑面積44.8萬平方米，總高度328.米。這是一座集高級酒店、高級辦公樓、購物中心等功能于一體的綜合建筑。其中需要提供熱水供應的場所有酒店客房、廚房、游泳池、公共衛生間等。1.1局部熱水供應系統西塔的塔樓66層以下為智能型甲級寫字樓,裙樓為商場,均僅設公共衛生間,為提高使用的舒適性,以配合其高檔豪華的定位,在公共衛生間洗手盆設熱水供應。考慮其熱水用量較小,且僅在上班時間使用,使用頻率較均勻的特點,經技術經濟比較,考慮節水、節能、節省使用空間的原則,決定采用局部熱水供應系統,即在每組洗臉盆上方的吊頂內設置一個貯熱式熱水器,功率為3kW,貯水量60L,對處于華南地區,冬季溫度較高的廣州,該熱水器可以提供足夠的洗手熱水。本項目的酒店式公寓也根據相同的設計原則,選用貯熱式熱水器提供熱水,根據用水器具的數量,選擇熱水器的貯水容積,有120L和195L兩種。1.2中央集中熱媒水供應系統西塔設有兩處室內恒溫游泳池,塔樓69層的酒店游泳池和裙樓6層的會所游泳池,需要提供熱水。其中69層的酒店游泳池由中央集中熱媒水供應系統提供,即使用熱水鍋爐的85℃高溫熱媒水經板式熱水交換器,循環加熱游泳池水,保證池水的恒溫。裙樓6層的會所游泳池,則采用了節能、節水的三集一體(即集中供熱、通風、除濕三種功能)熱泵熱水系統。1.3酒店的熱水供應系統供應塔樓66層至屋頂的酒店所有熱水。本文將重點介紹西塔塔樓的酒店中央集中熱水供應系統。2酒店中央的中央熱水供應系統2.1酒店各層設計方案西塔塔樓66層至屋頂為五星級酒店,按白金五星級酒店標準設計。在設計后期,酒店確定由世界著名的酒店管理公司——四季酒店管理,設計除了滿足我國現有設計規范,同時還要滿足該酒店管理公司的設計要求,兩個設計標準要求不同時,設計基本按其二者中較高標準選用。酒店各層的使用功能為:66層為設備層,設有生活、消防水池、泵房等;67、68層為設備用房、員工餐廳;69層為游泳池、健身房等;70層為酒店大堂;71～72,99～100層為廚房、餐廳;73層、81層、102層為設備層、避難層;74～80、82～98層為酒店客房,共有客房375間,床位750個。熱水系統設備分設于各設備層,其中熱水鍋爐房設于102層,熱水加熱器間分設于66、73、81、101層。2.2熱水規劃2.2.1熱水用量的確定由于本項目為白金五星級酒店,其客房衛生間使用的衛生潔具多,浴缸容量大,故熱水用量按規范的最高值取值。客房的熱水用量標準取160L/(人·d)(60℃),最高日熱水用水量為120m3。2.2.2統一熱水量計算主要為廚房用熱水,同時還有餐廳的衛生間用熱水。熱水量按用餐人數確定,根據餐廚專業設計公司提供的數據,計算其熱水量。最高日60℃熱水用水量為98.4m3。2.2.3及時補充水耗熱量提供保持池水恒溫所需要的熱量。69層游泳池使用面積為142m2,體積為192m3,根據《游泳池給水排水工程技術規程》(CJJ122—2008)7.2節,計算出游泳池的表面蒸發散熱量97840kJ/h、各種傳導損失熱量19568kJ/h、補充水耗熱量14400kJ/h,每天總耗熱量相當于最高日60℃熱水用水量15m3。2.2.4水干衣洗衣機熱水量按洗衣量計算,60℃熱水用量標準取25L/kg干衣,最高日熱水用水量102m3。由于洗衣機房設于地下2層,遠離酒店熱水供應系統,故其熱水由設于地下1層的蒸汽鍋爐提供。2.2.5熱水60的水量見表12.3供熱利用陽能熱水熱源的確定是熱水系統設計的重要環節,關系到系統的節能、節地、環保及今后運行、維護的支出,也關系到系統供熱的可靠性、穩定性、安全性,應根據工程項目的特點、當地的氣候條件、有關政策法規等因素,進行綜合技術經濟比較,才能對其做出正確的選擇。故此,在熱源的選擇問題上,本設計組進行了大量的資料收集及調研工作。根據《建筑給水排水設計規范》5.2條,熱源的選擇次序為:a.利用工業余廢熱或地熱;b.太陽能;c.各種類型熱泵;d.熱力管網;e.熱水機組。在本項目中不存在利用工業余廢熱、地熱的可能性,也沒有城市公共熱力管網可供利用,太陽能作為可持續利用的清潔能源,應給以充分的重視,但因為是超高層建筑,屋面無法設置足夠面積的太陽能集熱板,經與建筑專業設計人員探討,認為也不可能采用建筑太陽能一體化設計,故不考慮利用太陽能。可行的熱源只能從熱泵、空調廢熱回收及熱水或蒸汽鍋爐這幾項中選擇。在選擇的過程中,設計人員參觀調研了熱泵、鍋爐生產廠家,以及多個使用這些設備的賓館。經比較,認為熱泵是一種比較節能的熱源,特別是在廣州地區,因常年環境溫度較高,最冷月平均氣溫不低于10℃,空氣源熱泵可以取得較高的能效比,COP值可以在3.5以上(廠家提供的名義工況熱泵能效比),如果利用空調的冷卻水或冷凍水作為水源而選用水源熱泵,可獲得更高的能效比,COP值可以達到4.5～5.5(廠家提供的名義工況熱泵能效比)。使用熱泵作為熱源的缺點是:需要很大容積的水箱并且提供的熱水溫度相對較低;對于超豪華頂級酒店,目前尚無很充分的實際應用經驗;并且本項目中可以設置熱泵的位置有限,不能滿足負荷要求,所以本設計放棄選用熱泵作為熱源。在有些工程中,采用熱泵式空調機組,在制冷的同時制取熱水,是一種節能的選擇,但該系統對空調機組的工作效率有影響,熱水系統的可靠性受空調機組的運轉情況影響較大,并不適用于本工程。鑒于熱回收空調制冷機組在運行中會產生大量的廢熱,其冷卻水的溫度可達45℃以上,經與空調專業設計人員探討,確定采用以燃氣鍋爐作為主熱源,利用熱回收空調制冷機組產生的高溫冷卻水為冷水預熱的加熱方式。經計算,最高日需經預熱水量約為330m3,若按年平均水溫20℃,預熱至35℃,需要耗熱量為20725MJ,天然氣的燃燒值為36000kJ/Nm3,故可節省燃氣606m3(鍋爐效率95%),約合2424元/d,按全年酒店75%入住率計算,每年可節省燃料費66.36萬元,即便扣除增加的動力費用及設備折舊費,其經濟效益還是很可觀。2.4鍋爐采用熱水量計算和熱回收技術熱源可選用蒸汽鍋爐或熱水鍋爐。考慮到如果選用蒸汽鍋爐,其安全要求高,設置位置受限制,不可以設置于屋面層,所以選擇采用熱水鍋爐,根據國內的鍋爐安全規范選用常壓式熱水鍋爐,出水溫度不大于85℃。根據熱水量計算,最高時熱水用量為40.5m3(60℃),設計小時耗熱量為2355kW。該鍋爐同時作為空調采暖的熱源,根據空調專業提供的設計數據,采暖的耗熱量為1900kW,考慮當有一臺鍋爐需檢修時尚有80%的供熱保障,選用3臺1900kW的常壓式熱水鍋爐,以天然氣為燃料。鍋爐選用了熱效率高的進口名牌產品,由于進口的鍋爐均為承壓式,為滿足國家規范要求,做了相應的改動,設置直通軟水補水箱的通氣管,使鍋爐內工作壓力不大于0.1MPa。為達到更高的節能標準,鍋爐的排氣口設有熱回收裝置,使鍋爐的燃燒效率最高可以達到95%。鍋爐煙氣排放遠高于周圍建筑,不會造成污染。2.5鍋爐及熱媒循環泵鍋爐房設置于102層(屋面層),與安全出口的距離大于6m,設有泄爆口。根據使用要求,設有控制室、天然氣進氣間(安裝有天然氣供給系統的控制閥、減壓閥、計量儀器等設備)、軟水處理設備及軟水水箱、鍋爐及熱回收裝置、熱媒循環泵組等。鍋爐的工作狀況采用智能化控制,根據供熱系統的實際耗熱量,確定鍋爐的工作臺數和工況,以及相應的熱媒循環泵工作臺數,以保障系統的運行為最節能的狀態。熱媒的出水溫度為85℃,回水溫度為65℃。2.6管網熱交換器熱交換器根據其蓄水量可分為容積式、半容積式、半即熱式、即熱式;按外形可分為立式與臥式;綜合考慮了運行的穩定性和可靠性,以及熱交換效率,根據規范要求及酒店管理公司的設計標準,選用了S31603不銹鋼外殼,紫銅管T3U形換熱管的半容積式臥式熱交換器。熱交換器熱媒進水控制閥采用三通式溫控閥,可以更精確地控制熱交換器的出水溫度,且保證運行的穩定。熱交換器的進水最低溫度為10℃,出水溫度為55℃,回水溫度為50℃,設有熱水循環泵,當回水溫度降至50℃時啟動,以保證系統的水溫。預熱水加熱器的進水最低溫度為10℃,出水溫度35℃,熱媒為空調制冷機的冷卻水,進水溫度45℃,回水溫度40℃。熱交換器采用橡塑泡棉保溫,保溫層厚度50mm。2.7熱交換器的設置熱水供水系統的壓力分區與冷水的壓力分區相同,共分為5個壓力分區,故需設置5套熱水交換器組,分別設于66、73、81、101層,其中81層設有2個壓力分區的熱交換器。為保證檢修時不間斷供水,每組均設有2套熱交換器。另外在66、73、81層的熱交換器間,還設有利用空調機組高溫冷卻水作為熱媒的預熱熱交換器,冷水經其預熱至35℃。預熱熱交換器設有跨越管道,通過閥門的切換,冷水可不經預熱直接進入熱交換器。膨脹罐及熱水循環泵也設于熱交換器間內。2.8保證熱媒系統平衡供給各加熱器本系統由3臺常壓熱水鍋爐作為熱源,由設于104層的軟水補水箱供水,水箱與鍋爐高差小于10m,保證鍋爐壓力不大于0.1MPa。熱媒經鍋爐加熱至出水溫度后,啟動熱媒循環泵,供至各熱交換器,加熱冷水后回流至鍋爐。該系統需供給熱水加熱系統、空調采暖系統、游泳池加熱系統,其規模大(共5700kW,供給16臺加熱器)、高差大(最高與最低熱水器高差約為130m)、供水管道長、加熱器類型多(包括空調采暖加熱器,半容積式熱交換器,板式熱交換器,不同類型加熱器阻力降各異),所以如何保證熱媒系統平衡供給各加熱器,是比較復雜的問題。經研究,采用以下措施:①加大熱媒供水管徑;②加熱器出水管設帶測試調節閥,該閥門經調試后,可保證各個水加熱器加熱熱媒流量的平衡。③板式熱交換器自帶加壓泵。系統原理見圖1。2.9tl—熱水供水系統熱水供水系統的壓力分區同冷水的壓力分區,共分為5個壓力區。半容積式水加熱器的設計小時供熱量按設計小時耗熱量計算:Qh=mqrC(tr?tl)ρrTQh=mqrC(tr-tl)ρrΤ(1)式中Qh——設計小時耗熱量,kJ/h;m——用水計算單位數,人數或床位數;qr——熱水用水定額,L/(人·d)或L/(床·d),按規范表5.1.1選用;C——水的比熱,取C=4.187kJ/(kg·℃);tr——熱水溫度,tr=60℃;tl——冷水溫度,tl=10℃;ρr——熱水密度,kg/L;T——每日使用時間,h,按規范表5.1.1采用;Kh——小時變化系數,可按規范表5.3.1采用。半容積式水加熱器的加熱面積:Fjr=CrQgεKΔtjFjr=CrQgεΚΔtj(2)式中Fjr——水加熱器的加熱面積,m2;Qg——設計小時供熱量,kJ/h;K——傳熱系數,kJ/(m2·℃·h);ε——由于水垢和熱媒分布不均勻影響傳熱效率的系數,采用0.6～0.8;Δtj——熱媒與被加熱水的計算溫度差,℃,按規范5.4.7條的規定確定;Cr——熱水供應系統的熱損失系數,取1.10～1.15。本項目的主要設計數據見表2。另酒店Ⅰ～Ⅳ區設有利用熱回收空調機組高溫冷卻水作為熱媒的預熱熱水器,型號數量同主加熱熱水器。在68層游泳池循環水處理間設2套板式換熱器,100kW/套,供室內游泳池池水加熱。各分區均自成系統,采用上行下給式管網。鑒于本項目作為超豪華酒店的定位,為提高使用的舒適性,熱水出水應基本達到瞬間即有的要求,所以采用了支管循環的方式,即熱水循環支管從衛生間的最末端用水點接出,再接至循環立管,即使該衛生間沒有用水,其支管中的水仍保持循環,保證了用水點的水溫。該循環方式也最大限度達到節水的目的,基本沒有冷水的浪費。同時在設計中根據用水點在建筑物平面上的位置,合理布置供水干管、立管及循環回水干管的位置,盡可能做到供回水管路基本同程,保證循環水的均勻分配。熱水供水系統原理見圖2。2.10管道和閥門熱水管的管材采用S30408不銹鋼管,壁厚根據管徑和工作壓力確定;卡環或卡箍連接;閥門采用不銹鋼閥門;管道、閥門和加熱器均采用橡塑泡棉保溫,保溫材料厚度經計算確定;熱媒和熱水管道設有伸縮節,設置距離由計算確定,并按施工規范要求設置滑動支架和固定支架。2.11熱水系統的安全對策2.11.自動點火系統由于采用常壓熱水鍋爐,其安全性比較高,但對其運行安全仍應重視。鍋爐房設有氣體泄漏探測系統及火災自動報警系統,并設自動噴水滅火系統。鍋爐具備自動熄火保護,低水位連鎖、高壓連鎖、鍋爐超高溫保護連鎖、高低燃氣壓力連鎖保護,燃氣泄漏保護等,保證運行安全。控制系統與屋宇設備管理系統連接,輸出所需監控訊號。2.11.減壓閥串聯系統由于是采用承壓式熱水器的閉式系統,需要設置安全閥、膨脹罐等設施,保證系統壓力正常,在由減壓閥減壓供水的分區,為避免減壓閥失效引起系統超壓,采用減壓閥串聯的方式。并且設有電動閥門,當系統壓力超過設定值時,關閉閥門,停止供水。2.11.3.防止燒傷的安全保障根據酒店管理集團的技術標準,采用比較低的熱水溫度,并選用具有恒溫元件的恒溫混合水龍頭、淋浴龍頭。2.11.軍團菌感染軍團菌是存在于空調系統和熱水系統的病原體,一般認為軍團菌最適合生長溫度為36～42℃,水溫在70℃時軍團菌立即死亡,在50℃以上時90%的軍團菌在2h內死亡。在本工程中,采用以下措施防止滋生軍團菌:①采用高級的防腐蝕、防結垢的管材和熱水器材料,在系統上安裝過濾器及排污閥,定期清洗,保證整個系統的清潔衛生。②采用完善的循環系統,保持整個系統的溫度在50℃以上,并消除可能出現滯水的區域。③必要時,采用高溫滅菌的方法,配合保證安全、防止燙傷的相關措施,臨時提高系統的水溫至70℃,殺滅軍團菌。3設計與創新3.1熱泵的能耗本工程雖然選擇了熱水鍋爐作為主要熱源,但在調研中發現以熱泵作為熱源,也有其獨特的優點。如前所述,熱泵具有較高的能效比,特別是水源熱泵,利用酒店建筑的中央空調系統冷卻水或冷凍水作為水源,可取得5以上的COP值。熱泵消耗的電能為清潔能源,不會造成酒店周圍的環境污染,其運行不存在高溫高壓的工況條件,不存在易燃易爆的燃料,更加安全可靠。所以在適當的使用條件下,熱泵是一種值得考慮的熱源選擇。3.2熱水同程設計為了保持熱水系統各用水點的溫度,需要在熱水系統中維持一定的循環水量,以補充管網的熱損失。為保證循環水量在各立管中均勻分配,一般要求熱水的每個循環管路有相似的長度,即所謂的同程設計。在本設計,雖然精心布置熱水供回水主立管位置,但為了熱水循環管路的長度基本一致,回水管路相當復雜,增加了吊頂內管道的安裝及維修難度,所以對于平面布置較為復雜的系統,可以在各個分支循環管路安裝帶流量控制的調節閥,利用閥門的調節來保證循環水的均勻分配,而不是通過同程布置來實現。3.3系統同程布置的設計用水點的水溫一般情況下是由循環水來保持,但由于酒店的規模大,需要熱水供應的點多,有些用水點需要很長的支管,比如淋浴間、公共衛生間的用水;而有些用水點需要計量,比如廚房熱水供應。如果用同程布置來保證循環水的有效均勻分配,將會使整個系統非常復雜,甚至無法做到。同時當需要計量熱水用量時,還需要計量循環水量,才能確定實際的熱水使用量。在設計過程中,設計者認為這些用水點可以采用電伴熱的方式來保持管網的水溫,其工作原理是在熱水管道及保溫層之間敷設電熱帶,由溫控器控制電熱帶的加熱,保持管道的水溫。電伴熱保溫是一項成熟的技術,特別適合上述的使用情況,且廚房、公共衛生間、淋浴間在某些時段是停止使用的,這時可以停止加熱保溫,當再次使用時提前通電加熱,使管網的水溫達到要求,這樣既節約用水又節約能量,且管路簡單,使用可靠。3.4中國酒店機電設備的應用在設計過程中,由于酒店管理公司的介入,引入了管理公司自己的設計標準。管理公司標準是根據其自身運營高級酒店的經驗而制訂的,涉及酒店機電設備的各方面,內容詳盡細致,有些條款與國內的設計規范標準有異。為滿足其要求,設計人員需要將國家現有設計規范與其設計標準進行比較,對于存在不同要求的項目,盡可能按其中要求較高的設計標準設計。現僅取其中幾點對系統設計有較大影響的標準進行分析。3.4.1高級酒店排放控制國家規范為0.1～0.35MPa,規范同時規定當衛生器具給水配件所需額定流量和最低工作壓