上海港国际客运中心空调设计

提要：介绍了江水水源热泵空调系统在上海港国际客运中心的应用情况以及冬季所采取的措施，并介绍办公楼所采用的通风双层玻璃幕墙、地板送风空调系统以及地道新风预处理方式等节能方式。

关键词：江水水源热泵系统，通风双层玻璃幕墙，地板送风空调系统，地道新风预处理

1 工程概况

上海港国际客运中心位于上海黄浦江中心地带，基地沿江长度达850米，总建筑面积40万平方米，包括国际客运站、公寓式酒店、办公楼、艺术画廊、地下商业步行街以及文化休闲等相关建筑共12幢。地下室总建筑面积为24万平米，共设三层，地下三层及地下二层均为停车库、设备用房，地下一层设有客运站、办公、会议、商业、休闲等功能区域。地上总建筑面积为16万平米，地上建筑均为高层，最高为100米。

国际客运站按第四代国际邮轮母港的要求进行设计，码头可同时停靠三艘大型豪华邮轮，客运站可同时容纳2000人。由地下候船区、联检大厅、行李提取区以及地上观光候船楼组成，地上观光候船楼为一个“漂浮”在绿化带上造型独特的不规则玻璃球体。

国际客运中心鸟瞰效果图

2 冷热源及空调水系统

由于建筑面积大、功能复杂、单体较多，设计采用了区域集中供冷、供热的空调方式，以节约空调设备初投资，提高设备使用效率。同时，基地位于黄浦江边，具有取水方便的优势，经环保部门、水务部门的环保评估、水资源利用分析，空调冷热源采用江水水源热泵空调系统。

在地下二层靠近黄浦江侧设置水源热泵机房，机房内布置有二台大型离心式冷水机组和六台螺杆式水源热泵机组。离心式冷水机组单台制冷量为4563kW；螺杆式水源热泵机组中，其中五台单台制冷量均为2572kW，制热量为2522kW，一台制冷量为1286kW，制热量为1261kW。冷冻水供回水温度分别为6.5℃/12.5℃，空调热水供回水温度分别为45℃/40℃。

2.1 空调冷却水系统

2.1.1 空调冷热源采用江水方式的优势

传统冷却方式一般采用冷却塔冷却，冷却塔体形较大，影响建筑的布置及视觉效果，噪音一般在65分贝以上，并且冷却塔漂水可能传播军团菌，影响卫生条件。

如采用江水冷却，则可减少噪音的污染，改善建筑的视觉效果，无运行卫生条件之忧，并且根据水文站资料，江水温度一般不高于30℃，与冷却塔传统冷却方式相比，冷水机组冷却水进水温度低，运行效率高，冷水机组耗电量可节约10%以上。根据历年水文资料，黄浦江江水冬季温度在4℃～8℃之间，可采用水源热泵机组代替热水锅炉采暖，热泵机组COP可达到4.0左右，一次能源利用率约1.2左右，比燃油/燃气锅炉高30%以上。

2.1.2 江水冷却水系统流程

江水冷却系统由江水引入装置、江水输送泵站、输送管路、制冷站换热器组成。

江水冷却系统图

1)江水引入装置 江水引入装置设有二套，每套均由取水口、引水管、吸水池组成，此二套装置可互为备用。取水口入口部设置两道活动式格栅，第一道格栅为30毫米的中格栅，第二道格栅为5毫米的细格栅，两道格栅的作用是阻隔江水中较大的飘浮物和颗粒较大的泥沙进入吸水池。取水口位置及高度的确定特别重要，靠近岸边区域则漂浮物较多，易阻塞取水口，如深入江心则施工难度、维修难度加大，设置高度则应根据江水的水位历史记录来确定。在本工程中，利用邮轮停靠码头重新修建的机会，将取水口设置于码头下面，随着码头从岸边延伸至江中达30多米，高度则比设计低水位低1.0米。引水管末端接入吸水池的位置设置有一组电动铸铁镶铜方水闸，在检修期间或设备故障时可以启动水闸，关闭取水隧道，水闸设有电动及手动功能。吸水池的容积按输送水泵5分钟的流量计算，池中设有挡板，其用途是减缓池中的水流流速，将江水中的细沙等细小颗粒沉淀下来。

黄浦江水质主要特征值年统计

2)江水输送泵站 江水输送泵站设有六台立式水泵，其中一台作为备用，水泵平均分为两组，每组与一套江水引入装置相对应。水泵均采用变频调速控制系统进行变流量运行，以节约水泵运行能耗。

3) 输送管路 输送管路采用二根DN500球墨铸铁管埋地敷设，采用柔性承插方式进行管道连接。球墨铸铁管是一种广泛应用于压力供水、煤气管路、输油管路的优质管材，其机械性能接近于钢管，但耐腐蚀性更好，使用寿命可达五十年以上，柔性接口安装简便。

4) 制冷站换热器

江水冷却方式通常采用冷水机组冷凝器直接冷却和间接冷却，直接冷却方式是将江水不通过任何换热设备直接输送至冷水机组冷凝器进行冷却的方式，而间接冷却则是江水通过换热器间接冷却冷凝器。采用直接冷却方式，冷却水没有温差损失，水泵扬程相对较低，但冷水机组换热盘管只能采用换热效率低的光管，不能采用高效螺纹管，机组制冷效率不一定高，并且需要采用一定的清洗措施(如加入清洗小球等)，以定期对盘管进行清洗。而采用间接冷却方式，虽然冷却水具有1℃的换热温差损失，但水质可得到控制，机组换热盘管不需经常清洗，可采用高效螺纹管。因此，采用间接冷却成为首选方式。

空调系统中常用的水-水换热器主要为管壳式和板式换热器。管壳式换热器传热系数一般为1000～3000 w/(m2.k)，一般冷却水量和被冷却水量之比为1.2～2.5∶1，且容易结垢。而板式换热器换热机理为喘流换热，换热效率高，其传热系数一般为3500～5500 w/(m2.k)，换热板间水流速度大，从而可抑制污垢在传热面上形成，一般冷却水量和被冷却水量之比为0.8～1.1∶1。故针对本项目，采用板式换热器比管壳式换热器可以节约用水量约33%~56%。但板式换热器对水质过滤要求比较高，采用江水冷却时需要对江水水质进行了解，并采取一些有效的措施。

黄浦江近三年(2000年~2002年)的水质主要特征值年统计见下表。

板式热交换器主要水质要求

经咨询国内外著名的生产厂家，对于敞开式板式热交换器的冷却水的主要水质要求可以参考表2中所列指标。

比较以上两表可知，黄浦江的水质已经能满足板式热交换器的水质要求，在板式热交换器进水管上设置过滤器，同时板式热交换器的分水管内加装不锈钢过滤网，确保进入热交换器的江水水质。

5)排水口

黄浦江水由本基地中段引入，经过水处理及热交换后，经基地末段排出，排水口位于取水口下游约153m处，以防止涨潮时排水倒灌至取水口。

6)排水热污染

经换热后的江水温度升高5℃，经计算分析出在全年最高空调负荷日，在最不利情况下(绝热且不考虑河水流动)，河水冷却系统运行一日24小时，该黄浦江段温升为0.37℃。事实上，依据黄浦江水文资料，黄浦江为半日型强感潮河道，河口每天有两次潮汐，涨潮5小时，退潮7小时，平潮0.5小时，潮差平均在2.3米左右，江水处于频繁的流动中，再加上江水表面因风力、温差等因素而达到散热效果，所以温升将更低甚至可以达到温升前的状态。根据我国《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)中对水温的规定，人为造成的环境温度的变化应限制在：周平均最大温升1℃，周平均最大温降2℃。通过上面的分析，本工程对黄浦江的水温影响，完全满足国家规定的要求。

2.1.3 热泵机组侧冷却水循环系统

热泵机组侧冷却水循环系统由热泵机组蒸发器(冬季使用)或冷凝器(夏季使用)、循环水泵、板式换热器组成。

黄浦江江水冬季温度在4℃～8℃之间，冬季江水进、出水设计温度确定为4℃/1℃，热泵机组侧冷却水进、出水设计温度为3℃/0℃。

2008年初实测得取水口位置江水最低温度为2.5℃，热泵机组蒸发器进水温度将更低，为保证热泵机组的正常运行，采用20%乙二醇水溶液作为换热介质，以降低水溶液冰点温度。江水侧出水温度将为-0.5℃左右，通常0℃以下的清水将结冰，但江水溶解了很多物质，水的凝固点降低，同时，板式换热器、管道内水流速较高，并且，根据有关过冷却水结冰条件的研究结果： 只要过冷却器出口处内管内壁面的温度保持在该表面的最低不结冰温度(-5.4℃)以上，过冷却器内总不会发生结冰，过冷却器出口水温最低可降至-3.2℃。因此，虽然江水排放温度可能处于0℃以下，但可以保证不会产生结冰现象。

2.2 空调水系统

上海地区夏热冬冷、四季温度分明，本工程功能主要为办公，且无明显内区，因而采用二管制空调系统。由于基地面积大，建筑单体多，循环管路长，空调冷热水系统为二次泵变流量系统，一次泵为定流量水泵，二次泵为变频水泵。各建筑单体均设有一套二次泵，二次泵房设均各建筑地下室内。在一次侧与二次泵连接的支管上设置一套智能能量计费装置，以便于能量管理。

3 空调系统

根据房间使用功能的不同采用不同的空调系统，在获得较好的舒适度同时，还需考虑节能效果最大化、使用的灵活性。

3.1国际客运站

3.1.1 候船大厅、联检大厅空调系统

候船大厅、联检大厅建筑面积约8000平方米，层高6米，顶部局部设有大面积的采光玻璃顶。相对汽车、列车客运站及机场航站楼，邮轮客运站的人员流动特性比较特殊，客运站人员密度差异悬殊，在邮轮到港时，一艘邮轮的乘客约2000人在2小时左右的时间段内进关离开港口，此时人员密度最大，而乘客进入客运站办理上船手续时间相对不集中，人员密度稍小，在以上两个时间段之外的时间内，人员可能特别少，空调系统设计时应充分考虑人员密度变化的特殊性。因此，行李提取区、候船大厅、联检大厅均采用了全空气低速风道送风、回风系统，空调箱可根据室内温度采取变频控制调节总风量，并且新风量可根据室内二氧化碳浓度进行调节，从而达到良好的节能效果。

3.1.2 地上观光候船楼空调系统

观光候船楼是游客观光、餐饮、商业购物区域，一层商业营业厅、休息区等房间采用变风量地板送风空调系统，空调冷/热风直接进入400mm高架空地板内，并由地板内的送风末端装置通过送风口以慢速传至室内，回风口设在顶部，将回风带回空调箱内降温或加热及除尘等，从而使室内保持较高的空气品质。外区地板送风装置设电加热器，以满足冬季采暖要求。

3.2 办公楼空调系统

办公楼地下一层设有办公区、会议室、餐厅，地上均为办公区。办公楼沿黄浦江侧围护结构为通风式双幕墙结构(见图3)，双幕墙由内层的中空玻璃幕墙、外层的单层玻璃及中间的通风空腔组成，空腔由建筑底层延伸至屋顶，底部敞开，顶部设有电动百叶风口。夏季，百叶打开，促进腔内空气自然对流，降低幕墙表面温度。冬季，百叶关闭，形成一种温室效应，以提高幕墙表面温度。

地下室区域围护结构负荷比较稳定，受气象条件影响较小，因此采用全空气定风量低速风道送风、回风系统。地上区域则均采用地板送风空调系统，其新风经地道降温、升温后由集中新风空调箱进行处理。

3.2.1 地板送风空调系统

地板送风空调系统利用架空地板作为送风静压箱，将经过空调箱处理后的一次风(温度为14～18℃)，送入架空地板内，再由安装在地板内的带送、回风口的地板风机将一次风或混合后的空气从房间下部送入房间内。地板风机一般具有三档及以上风量调节功能，并设有一次风电动阀门进行连续调节一次风风量，以控制室内设定点温度。空调箱采用变频控制调节总风量，控制策略为：根据送风温度控制空调回水管上的电动调节阀开度，根据回风温度控制变频器频率，调节风机转速。与控制架空地板内静压的策略相比，其控制系统简单，投资少，运行可靠，但节能效果稍差些。

3.2.2 地道新风预处理方式

每栋办公楼在地下三层设有一台新风空调箱，空调箱将经过地道降温或升温的室外新风进行冷热处理，再送至每层空调机房内。

由于土壤的隔热性能，土壤一年四季的温度变化幅度均小于外界的气温。地道新风预处理主要是利用地下室建筑防水夹墙作为新风预处理地道，利用外界空气温度和地底土壤温度的温差，将室外空气通过地道进行热交换，对空气流进行夏季降温或冬季升温，从而达到节约能耗的目的。上海地区，在地层深度为5.5米时，地层温度已趋向稳定，全年温度变化介乎15 – 19 °C之间。对于确定尺寸的地道，通风温度下降或上升的程度与通风量、地道长度均有密切关系，通过计算分析，对于5000mm×500mm的地道，长度150米，通风量为5 m3/s时，空气温度由34 °C下降至29 °C左右。实际上，运行时间长短将会影响温降效果，如一天24小时长时间运行，温降会越来越小，对于办公楼每天运行8～10小时，温降影响有限。此外，地道虽然可进行防水处理，但仍然较潮湿，对新风的卫生条件将产生一定的影响，因此设有纳米光子空气净化装置对新风进行净化、杀菌处理，以提高新风的空气品质。

4 结语

上海港国际客运中心是上海第一个采用江水冷却方式制冷供热的大型综合民用建筑，工程仍处于施工过程中，江水冷却水系统的水质处理效果、节能效果、冬季运行效果有待于运行中进行检验。近年来，各种送风方式、控制方式的地板送风空调系统在国内的使用越来越多，找到一种控制简单、投资少、节能效果好并且满足较高的舒适度要求的系统是空调设计的最终目的。另外，几十年前电影院常用的地道送风空调方式，与带有表冷器的新风空调箱相结合，尝试运用于本工程中，其运行效果也有待于在使用中得到检验。

参考文献：

[1] 江亿，曲凯阳. 圆管内流动水发生结冰的影响因素研究[J]. 太阳能学报, 2001,03

[2] 曲凯阳，江亿.日本过冷水动态制冰研究开发现状[J] .暖通空调，1998，28(3)：31-36.