超高层综合性建筑供热系统设计探讨

超高层综合性建筑供热系统设计探讨

1江新城核心地段建筑图14广州珠江新城西塔（以下简称西塔，原名广州国际金融中心）位于广州江湾新城中心，占地面积31.084.96米，总建筑面积44.8万平方米，总高度328.米。这是一座集高级酒店、高级办公楼、购物中心等功能于一体的综合建筑。其中需要提供热水供应的场所有酒店客房、厨房、游泳池、公共卫生间等。1.1局部热水供应系统西塔的塔楼66层以下为智能型甲级写字楼,裙楼为商场,均仅设公共卫生间,为提高使用的舒适性,以配合其高档豪华的定位,在公共卫生间洗手盆设热水供应。考虑其热水用量较小,且仅在上班时间使用,使用频率较均匀的特点,经技术经济比较,考虑节水、节能、节省使用空间的原则,决定采用局部热水供应系统,即在每组洗脸盆上方的吊顶内设置一个贮热式热水器,功率为3kW,贮水量60L,对处于华南地区,冬季温度较高的广州,该热水器可以提供足够的洗手热水。本项目的酒店式公寓也根据相同的设计原则,选用贮热式热水器提供热水,根据用水器具的数量,选择热水器的贮水容积,有120L和195L两种。1.2中央集中热媒水供应系统西塔设有两处室内恒温游泳池,塔楼69层的酒店游泳池和裙楼6层的会所游泳池,需要提供热水。其中69层的酒店游泳池由中央集中热媒水供应系统提供,即使用热水锅炉的85℃高温热媒水经板式热水交换器,循环加热游泳池水,保证池水的恒温。裙楼6层的会所游泳池,则采用了节能、节水的三集一体(即集中供热、通风、除湿三种功能)热泵热水系统。1.3酒店的热水供应系统供应塔楼66层至屋顶的酒店所有热水。本文将重点介绍西塔塔楼的酒店中央集中热水供应系统。2酒店中央的中央热水供应系统2.1酒店各层设计方案西塔塔楼66层至屋顶为五星级酒店,按白金五星级酒店标准设计。在设计后期,酒店确定由世界著名的酒店管理公司——四季酒店管理,设计除了满足我国现有设计规范,同时还要满足该酒店管理公司的设计要求,两个设计标准要求不同时,设计基本按其二者中较高标准选用。酒店各层的使用功能为:66层为设备层,设有生活、消防水池、泵房等;67、68层为设备用房、员工餐厅;69层为游泳池、健身房等;70层为酒店大堂;71～72,99～100层为厨房、餐厅;73层、81层、102层为设备层、避难层;74～80、82～98层为酒店客房,共有客房375间,床位750个。热水系统设备分设于各设备层,其中热水锅炉房设于102层,热水加热器间分设于66、73、81、101层。2.2热水规划2.2.1热水用量的确定由于本项目为白金五星级酒店,其客房卫生间使用的卫生洁具多,浴缸容量大,故热水用量按规范的最高值取值。客房的热水用量标准取160L/(人·d)(60℃),最高日热水用水量为120m3。2.2.2统一热水量计算主要为厨房用热水,同时还有餐厅的卫生间用热水。热水量按用餐人数确定,根据餐厨专业设计公司提供的数据,计算其热水量。最高日60℃热水用水量为98.4m3。2.2.3及时补充水耗热量提供保持池水恒温所需要的热量。69层游泳池使用面积为142m2,体积为192m3,根据《游泳池给水排水工程技术规程》(CJJ122—2008)7.2节,计算出游泳池的表面蒸发散热量97840kJ/h、各种传导损失热量19568kJ/h、补充水耗热量14400kJ/h,每天总耗热量相当于最高日60℃热水用水量15m3。2.2.4水干衣洗衣机热水量按洗衣量计算,60℃热水用量标准取25L/kg干衣,最高日热水用水量102m3。由于洗衣机房设于地下2层,远离酒店热水供应系统,故其热水由设于地下1层的蒸汽锅炉提供。2.2.5热水60的水量见表12.3供热利用阳能热水热源的确定是热水系统设计的重要环节,关系到系统的节能、节地、环保及今后运行、维护的支出,也关系到系统供热的可靠性、稳定性、安全性,应根据工程项目的特点、当地的气候条件、有关政策法规等因素,进行综合技术经济比较,才能对其做出正确的选择。故此,在热源的选择问题上,本设计组进行了大量的资料收集及调研工作。根据《建筑给水排水设计规范》5.2条,热源的选择次序为:a.利用工业余废热或地热;b.太阳能;c.各种类型热泵;d.热力管网;e.热水机组。在本项目中不存在利用工业余废热、地热的可能性,也没有城市公共热力管网可供利用,太阳能作为可持续利用的清洁能源,应给以充分的重视,但因为是超高层建筑,屋面无法设置足够面积的太阳能集热板,经与建筑专业设计人员探讨,认为也不可能采用建筑太阳能一体化设计,故不考虑利用太阳能。可行的热源只能从热泵、空调废热回收及热水或蒸汽锅炉这几项中选择。在选择的过程中,设计人员参观调研了热泵、锅炉生产厂家,以及多个使用这些设备的宾馆。经比较,认为热泵是一种比较节能的热源,特别是在广州地区,因常年环境温度较高,最冷月平均气温不低于10℃,空气源热泵可以取得较高的能效比,COP值可以在3.5以上(厂家提供的名义工况热泵能效比),如果利用空调的冷却水或冷冻水作为水源而选用水源热泵,可获得更高的能效比,COP值可以达到4.5～5.5(厂家提供的名义工况热泵能效比)。使用热泵作为热源的缺点是:需要很大容积的水箱并且提供的热水温度相对较低;对于超豪华顶级酒店,目前尚无很充分的实际应用经验;并且本项目中可以设置热泵的位置有限,不能满足负荷要求,所以本设计放弃选用热泵作为热源。在有些工程中,采用热泵式空调机组,在制冷的同时制取热水,是一种节能的选择,但该系统对空调机组的工作效率有影响,热水系统的可靠性受空调机组的运转情况影响较大,并不适用于本工程。鉴于热回收空调制冷机组在运行中会产生大量的废热,其冷却水的温度可达45℃以上,经与空调专业设计人员探讨,确定采用以燃气锅炉作为主热源,利用热回收空调制冷机组产生的高温冷却水为冷水预热的加热方式。经计算,最高日需经预热水量约为330m3,若按年平均水温20℃,预热至35℃,需要耗热量为20725MJ,天然气的燃烧值为36000kJ/Nm3,故可节省燃气606m3(锅炉效率95%),约合2424元/d,按全年酒店75%入住率计算,每年可节省燃料费66.36万元,即便扣除增加的动力费用及设备折旧费,其经济效益还是很可观。2.4锅炉采用热水量计算和热回收技术热源可选用蒸汽锅炉或热水锅炉。考虑到如果选用蒸汽锅炉,其安全要求高,设置位置受限制,不可以设置于屋面层,所以选择采用热水锅炉,根据国内的锅炉安全规范选用常压式热水锅炉,出水温度不大于85℃。根据热水量计算,最高时热水用量为40.5m3(60℃),设计小时耗热量为2355kW。该锅炉同时作为空调采暖的热源,根据空调专业提供的设计数据,采暖的耗热量为1900kW,考虑当有一台锅炉需检修时尚有80%的供热保障,选用3台1900kW的常压式热水锅炉,以天然气为燃料。锅炉选用了热效率高的进口名牌产品,由于进口的锅炉均为承压式,为满足国家规范要求,做了相应的改动,设置直通软水补水箱的通气管,使锅炉内工作压力不大于0.1MPa。为达到更高的节能标准,锅炉的排气口设有热回收装置,使锅炉的燃烧效率最高可以达到95%。锅炉烟气排放远高于周围建筑,不会造成污染。2.5锅炉及热媒循环泵锅炉房设置于102层(屋面层),与安全出口的距离大于6m,设有泄爆口。根据使用要求,设有控制室、天然气进气间(安装有天然气供给系统的控制阀、减压阀、计量仪器等设备)、软水处理设备及软水水箱、锅炉及热回收装置、热媒循环泵组等。锅炉的工作状况采用智能化控制,根据供热系统的实际耗热量,确定锅炉的工作台数和工况,以及相应的热媒循环泵工作台数,以保障系统的运行为最节能的状态。热媒的出水温度为85℃,回水温度为65℃。2.6管网热交换器热交换器根据其蓄水量可分为容积式、半容积式、半即热式、即热式;按外形可分为立式与卧式;综合考虑了运行的稳定性和可靠性,以及热交换效率,根据规范要求及酒店管理公司的设计标准,选用了S31603不锈钢外壳,紫铜管T3U形换热管的半容积式卧式热交换器。热交换器热媒进水控制阀采用三通式温控阀,可以更精确地控制热交换器的出水温度,且保证运行的稳定。热交换器的进水最低温度为10℃,出水温度为55℃,回水温度为50℃,设有热水循环泵,当回水温度降至50℃时启动,以保证系统的水温。预热水加热器的进水最低温度为10℃,出水温度35℃,热媒为空调制冷机的冷却水,进水温度45℃,回水温度40℃。热交换器采用橡塑泡棉保温,保温层厚度50mm。2.7热交换器的设置热水供水系统的压力分区与冷水的压力分区相同,共分为5个压力分区,故需设置5套热水交换器组,分别设于66、73、81、101层,其中81层设有2个压力分区的热交换器。为保证检修时不间断供水,每组均设有2套热交换器。另外在66、73、81层的热交换器间,还设有利用空调机组高温冷却水作为热媒的预热热交换器,冷水经其预热至35℃。预热热交换器设有跨越管道,通过阀门的切换,冷水可不经预热直接进入热交换器。膨胀罐及热水循环泵也设于热交换器间内。2.8保证热媒系统平衡供给各加热器本系统由3台常压热水锅炉作为热源,由设于104层的软水补水箱供水,水箱与锅炉高差小于10m,保证锅炉压力不大于0.1MPa。热媒经锅炉加热至出水温度后,启动热媒循环泵,供至各热交换器,加热冷水后回流至锅炉。该系统需供给热水加热系统、空调采暖系统、游泳池加热系统,其规模大(共5700kW,供给16台加热器)、高差大(最高与最低热水器高差约为130m)、供水管道长、加热器类型多(包括空调采暖加热器,半容积式热交换器,板式热交换器,不同类型加热器阻力降各异),所以如何保证热媒系统平衡供给各加热器,是比较复杂的问题。经研究,采用以下措施:①加大热媒供水管径;②加热器出水管设带测试调节阀,该阀门经调试后,可保证各个水加热器加热热媒流量的平衡。③板式热交换器自带加压泵。系统原理见图1。2.9tl—热水供水系统热水供水系统的压力分区同冷水的压力分区,共分为5个压力区。半容积式水加热器的设计小时供热量按设计小时耗热量计算:Qh=mqrC(tr−tl)ρrTQh=mqrC(tr-tl)ρrΤ(1)式中Qh——设计小时耗热量,kJ/h;m——用水计算单位数,人数或床位数;qr——热水用水定额,L/(人·d)或L/(床·d),按规范表5.1.1选用;C——水的比热,取C=4.187kJ/(kg·℃);tr——热水温度,tr=60℃;tl——冷水温度,tl=10℃;ρr——热水密度,kg/L;T——每日使用时间,h,按规范表5.1.1采用;Kh——小时变化系数,可按规范表5.3.1采用。半容积式水加热器的加热面积:Fjr=CrQgεKΔtjFjr=CrQgεΚΔtj(2)式中Fjr——水加热器的加热面积,m2;Qg——设计小时供热量,kJ/h;K——传热系数,kJ/(m2·℃·h);ε——由于水垢和热媒分布不均匀影响传热效率的系数,采用0.6～0.8;Δtj——热媒与被加热水的计算温度差,℃,按规范5.4.7条的规定确定;Cr——热水供应系统的热损失系数,取1.10～1.15。本项目的主要设计数据见表2。另酒店Ⅰ～Ⅳ区设有利用热回收空调机组高温冷却水作为热媒的预热热水器,型号数量同主加热热水器。在68层游泳池循环水处理间设2套板式换热器,100kW/套,供室内游泳池池水加热。各分区均自成系统,采用上行下给式管网。鉴于本项目作为超豪华酒店的定位,为提高使用的舒适性,热水出水应基本达到瞬间即有的要求,所以采用了支管循环的方式,即热水循环支管从卫生间的最末端用水点接出,再接至循环立管,即使该卫生间没有用水,其支管中的水仍保持循环,保证了用水点的水温。该循环方式也最大限度达到节水的目的,基本没有冷水的浪费。同时在设计中根据用水点在建筑物平面上的位置,合理布置供水干管、立管及循环回水干管的位置,尽可能做到供回水管路基本同程,保证循环水的均匀分配。热水供水系统原理见图2。2.10管道和阀门热水管的管材采用S30408不锈钢管,壁厚根据管径和工作压力确定;卡环或卡箍连接;阀门采用不锈钢阀门;管道、阀门和加热器均采用橡塑泡棉保温,保温材料厚度经计算确定;热媒和热水管道设有伸缩节,设置距离由计算确定,并按施工规范要求设置滑动支架和固定支架。2.11热水系统的安全对策2.11.自动点火系统由于采用常压热水锅炉,其安全性比较高,但对其运行安全仍应重视。锅炉房设有气体泄漏探测系统及火灾自动报警系统,并设自动喷水灭火系统。锅炉具备自动熄火保护,低水位连锁、高压连锁、锅炉超高温保护连锁、高低燃气压力连锁保护,燃气泄漏保护等,保证运行安全。控制系统与屋宇设备管理系统连接,输出所需监控讯号。2.11.减压阀串联系统由于是采用承压式热水器的闭式系统,需要设置安全阀、膨胀罐等设施,保证系统压力正常,在由减压阀减压供水的分区,为避免减压阀失效引起系统超压,采用减压阀串联的方式。并且设有电动阀门,当系统压力超过设定值时,关闭阀门,停止供水。2.11.3.防止烧伤的安全保障根据酒店管理集团的技术标准,采用比较低的热水温度,并选用具有恒温元件的恒温混合水龙头、淋浴龙头。2.11.军团菌感染军团菌是存在于空调系统和热水系统的病原体,一般认为军团菌最适合生长温度为36～42℃,水温在70℃时军团菌立即死亡,在50℃以上时90%的军团菌在2h内死亡。在本工程中,采用以下措施防止滋生军团菌:①采用高级的防腐蚀、防结垢的管材和热水器材料,在系统上安装过滤器及排污阀,定期清洗,保证整个系统的清洁卫生。②采用完善的循环系统,保持整个系统的温度在50℃以上,并消除可能出现滞水的区域。③必要时,采用高温灭菌的方法,配合保证安全、防止烫伤的相关措施,临时提高系统的水温至70℃,杀灭军团菌。3设计与创新3.1热泵的能耗本工程虽然选择了热水锅炉作为主要热源,但在调研中发现以热泵作为热源,也有其独特的优点。如前所述,热泵具有较高的能效比,特别是水源热泵,利用酒店建筑的中央空调系统冷却水或冷冻水作为水源,可取得5以上的COP值。热泵消耗的电能为清洁能源,不会造成酒店周围的环境污染,其运行不存在高温高压的工况条件,不存在易燃易爆的燃料,更加安全可靠。所以在适当的使用条件下,热泵是一种值得考虑的热源选择。3.2热水同程设计为了保持热水系统各用水点的温度,需要在热水系统中维持一定的循环水量,以补充管网的热损失。为保证循环水量在各立管中均匀分配,一般要求热水的每个循环管路有相似的长度,即所谓的同程设计。在本设计,虽然精心布置热水供回水主立管位置,但为了热水循环管路的长度基本一致,回水管路相当复杂,增加了吊顶内管道的安装及维修难度,所以对于平面布置较为复杂的系统,可以在各个分支循环管路安装带流量控制的调节阀,利用阀门的调节来保证循环水的均匀分配,而不是通过同程布置来实现。3.3系统同程布置的设计用水点的水温一般情况下是由循环水来保持,但由于酒店的规模大,需要热水供应的点多,有些用水点需要很长的支管,比如淋浴间、公共卫生间的用水;而有些用水点需要计量,比如厨房热水供应。如果用同程布置来保证循环水的有效均匀分配,将会使整个系统非常复杂,甚至无法做到。同时当需要计量热水用量时,还需要计量循环水量,才能确定实际的热水使用量。在设计过程中,设计者认为这些用水点可以采用电伴热的方式来保持管网的水温,其工作原理是在热水管道及保温层之间敷设电热带,由温控器控制电热带的加热,保持管道的水温。电伴热保温是一项成熟的技术,特别适合上述的使用情况,且厨房、公共卫生间、淋浴间在某些时段是停止使用的,这时可以停止加热保温,当再次使用时提前通电加热,使管网的水温达到要求,这样既节约用水又节约能量,且管路简单,使用可靠。3.4中国酒店机电设备的应用在设计过程中,由于酒店管理公司的介入,引入了管理公司自己的设计标准。管理公司标准是根据其自身运营高级酒店的经验而制订的,涉及酒店机电设备的各方面,内容详尽细致,有些条款与国内的设计规范标准有异。为满足其要求,设计人员需要将国家现有设计规范与其设计标准进行比较,对于存在不同要求的项目,尽可能按其中要求较高的设计标准设计。现仅取其中几点对系统设计有较大影响的标准进行分析。3.4.1高级酒店排放控制国家规范为0.1～0.35MPa,规范同时规定当卫生器具给水配件所需额定流量和最低工作压