1 项目简介
北京雁栖湖国际会展中心用地规模约10.8 hm2，总建筑面积约79 000 m2。建筑占地面积2.6 万m2，建筑高度32 m，地上5层，地下2层，是1个具有示范作用的标志性节能生态建筑，实景图见图1。北京雁栖湖国际会展中心在使用功能上会议及展览并重，既需要承担众多大型及重要的国际会议，也会举办各种高端展览和演出，内部区域包括5 000人主会议厅、3 000人宴会厅、新闻发布厅以及各种大、中型会议室等。
图1 北京雁栖湖国际会展中心实景图
2 复合能源系统研究
2.1 项目冷热负荷特性分析
该工程建筑外形为圆形，外墙及屋面大多为弧线形，内部有较多的复杂高大空间，为了更好地实现节能设计，采用DeST软件进行了全年逐时负荷计算。以北京怀柔地区典型年的逐时气象参数为依据，动态计算了全年8 760 h内各个房间区域的逐时空调负荷，经分析、整理、统计后，可形成设计所需的各类负荷。
该工程冷/热负荷汇总见表1。
表1 冷/热负荷汇总 kW
2.2 地源热泵系统所承担基础冷热负荷的确定
北京雁栖湖国际会展中心以承办大型会议及展览为主，在平时没有会议及展览时，空调系统仅维持其基本的运行即可，所需空调系统装机容量很低；而在会议及展览期间，人员密集，各种空间的同时使用率高，总的冷热负荷大，所需要的空调系统装机容量及运行能耗也非常高。同时，由于其承办的是各种高端会议及展览，对于空调能源系统的保障率及安全性的要求也非常高。鉴于这种空调系统使用的特殊性，笔者所在单位咨询北京雁栖湖国际会展中心的运行单位，由运营方提供该项目今后的运营规划和安排，并以此为依据来确定地源热泵系统装机容量。
计算时将该建筑的运营状况简化为基础运营和峰值运营，根据估算，基础运营的时间约占全年总天数的60％～70％，因此，可先将地源热泵系统装机容量确定为满足基础运营时的空调负荷，在峰值运营时采用常规能源系统调峰。同时，常规能源系统容量的配置也必须考虑备用性。
根据负荷计算结果，并结合运营规划，进行了冬季热负荷的分类和汇总。1）根据建筑内部空间的使用功能、使用时间，将建筑内的空调区域分为9个功能区块；2）将每个功能区块的设计热负荷及值班供暖热负荷分别计算，并分成围护结构热负荷及新风热负荷分别统计；3）在负荷汇总时，将基础运营时全部使用的功能区域的使用率设定为1，将基础运营时部分使用的功能区域的使用率设定为0.5～0.8，将平时空置仅在峰值运营使用的功能区域取其值班供暖热负荷，计算结果见表2，3。
同样，可得出夏季的冷负荷汇总，见表4，5。
表2 冬季峰值运营下的热负荷统计
注：根据冬季运营计划，餐饮宴会区新风负荷取0.5的同时使用系数。
表3 冬季基础运营下的热负荷统计
表4 夏季峰值运营下的冷负荷统计
表5 夏季基础运营下的冷负荷统计
该工程基础运营时的夏季基础冷负荷为2 892.9 kW，约占总冷负荷的35％；冬季基础热负荷为3 340.2 kW，约占总热负荷的56％，由于北京属于寒冷地区，供暖时间较长，且冬季基础运营时不使用的区域也必须考虑值班供暖，由此采用冬季基础热负荷来确定地源热泵系统装机容量。
2.3 复合能源系统的配置及设备选型
1）该工程冬季空调热源采用地源热泵系统＋燃气锅炉，其中地源热泵系统承担基础运营时的冬季基础热负荷，燃气锅炉在调节峰值热负荷时启用。冬季地源热泵机组与燃气锅炉为并联运行方式。
2）该工程夏季空调冷源采用地源热泵系统＋电制冷冷水机组，其中地源热泵系统承担基础运营时的夏季基础冷负荷，冷水机组在调节峰值冷负荷时启用。夏季地源热泵机组与冷水机组并联运行，并设置4组冷却塔，其中2台与调峰电制冷冷水机组一一对应，另2台作为备用，与地源热泵机房内的2台地源热泵机组一一对应。
3）考虑到该工程的特殊性，为保证能源系统使用上的安全性，常规能源系统的容量按设计冷／热负荷的100％考虑，即使在地源热泵系统出现故障时，常规能源系统也能完全满足该工程空调供冷/供热的使用需求，由此复合能源系统的设备选型见表6，7。
表6 冬季工况时的设备选型
表7 夏季工况时的设备选型
注：地源热泵系统在地源侧故障时，可切换成接冷却塔散热模式，以保证空调供冷需求。
2.4 复合能源系统的设计
2.4.1 冬季供热系统原理图（见图2）
注：冬季利用地源热泵机组进行冷回收，为建筑内区的空调系统供冷。
图2 冬季供热系统原理图
2.4.2 夏季供冷系统原理图（见图3）
注：夏季1台热泵主机带热回收功能，可为生活热水系统提供预热。
图3 夏季供冷系统原理图
3 复合能源系统运行及节能分析
3.1 能源系统能耗及运行费用比较（详见原文）
3.2 节能量分析
若采用燃气锅炉供暖、电制冷冷水机组供冷的常规能源方式，每年的燃气消耗量为97万m3，折合标准煤1 177.91 t，每年的用电量为155.23万kW•h，折合标准煤190.77 t，全年能源消耗量折合标准煤1 368.68 t。
若采用地源热泵、燃气锅炉、电制冷冷水机组组合的复合能源方式，每年的燃气消耗量为11.17万m3，折合标准煤135.62 t，每年的用电量为390.73万kW•h，折合标准煤480.21 t，全年能源消耗量折合标准煤615.82 t。与采用常规能源方式相比较，采用复合能源系统每年节约标准煤752.86 t。
3.3 节约运行费用及投资回收期分析
如采用燃气锅炉供暖、电制冷冷水机组供冷的常规能源方式，初投资费用约为1 630.13万元，每年的能源费用约为401.45万元，采用地源热泵、燃气锅炉、电制冷冷水机组的复合能源系统后，初投资约为2 050.8万元，全年的总运行费用为334.81万元，每年节约运行费用66.64万元，投资回收期约为6.3 a。
4 结论
1）采用地源热泵、燃气锅炉、电制冷冷水机组的复合能源系统可以有效地减少能量消耗和运行费用，特别是对于会议、会展中心这类特殊使用性质的建筑，节能效果尤为明显。
2）对类似于会议、会展中心这类存在峰值运营和基础运营的建筑，可以根据建筑的运营方式计算基础运营时的冷热负荷，并以此来确定复合能源系统中地源热泵所负担的负荷比例。
全文刊登于《暖通空调》2017年第2期
作者：
北京市建筑设计研究院有限公司 曾源 韩兆强 王毅 胡宁 靳朝红
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