秦振春 魏 霖 袁小清

（江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計研究院，江蘇 南京 210024）

江蘇省園藝博覽會展館暖通空調(diào)設(shè)計

秦振春 魏 霖 袁小清

（江蘇省城市規(guī)劃設(shè)計研究院，江蘇 南京 210024）

介紹了江蘇省園藝博覽會的空調(diào)冷熱源、水系統(tǒng)、空調(diào)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)設(shè)計，分析探討了花鳥餐廳大空間玻璃穹頂建筑內(nèi)如何布置合理的氣流形式避免對生態(tài)餐廳中花卉生物的影響、地源熱泵系統(tǒng)冷源的設(shè)置及地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化控制以實現(xiàn)地埋管側(cè)冬夏熱平衡和系統(tǒng)的節(jié)能運行。

展覽館建筑；花鳥餐廳；分層空調(diào)；地源熱泵；優(yōu)化控制

0 引言

江蘇省園藝博覽會園區(qū)用地面積137 hm2。主體建筑由主展館、副展館和濱水休閑館組成，三館建筑總面積22 987.6 m2。其中主展館建筑面積7 226.7 m2，共4層，建筑總高度30.37 m，主要建筑功能為展廳；副展館7 453.9 m2，共4層，建筑總高度30.37 m，主要建筑功能為展廳、多功能廳；濱水休閑館8 307 m2，共4層，建筑總高度22.45 m，主要建筑功能為餐廳、包間。三館建筑空調(diào)夏季總冷負荷為3 902 kW，冬季總熱負荷為1 910 kW。生活熱水溫度為55 ℃，用水量60 m3/日。三館主體采用“鋼筋混凝土＋鋼結(jié)構(gòu)”混合結(jié)構(gòu)，主展館、副展館屋頂為弧形坡屋面，濱水休閑館主體屋頂為穹頂屋面，如圖1所示。

圖1 三館建筑平面圖

1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

三館建筑室內(nèi)設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)表

2 空調(diào)冷熱源

三棟建筑空調(diào)冷熱源采用地源熱泵機組，集中布置在副展館一層制冷機房內(nèi)。地源熱泵機組設(shè)計選用3臺螺桿式高溫型地源熱泵冷熱水機組，其中1臺為全熱回收型機組，全年制備生活熱水供給濱水休閑館。生活熱水系統(tǒng)常年取用地下熱量，熱水用量較小。空調(diào)系統(tǒng)夏季排熱量大于冬季取熱量，本工程選用2臺300 t/h閉式冷卻塔確保對土壤冬季取熱量與夏季排熱量基本能達到平衡。

2.1 制冷機組配置

制冷機房內(nèi)的機組配置參數(shù)如表2所示。

表2 制冷機組配置表

2.2 地埋管

根據(jù)本地塊巖土體熱物性測試報告，地埋管系統(tǒng)土壤換熱參數(shù)：土壤原始溫度 17.2 ℃，單U管（De32），單井夏季換熱指標45.5 W/m井深，單井冬季換熱指標 32.2 W/m井深。建議設(shè)計換熱井深為60 m。經(jīng)計算，單U管換熱井?dāng)?shù)為951口。換熱管采用垂直埋管并聯(lián)方式連接，每個換熱井采用大致同程的并聯(lián)方式直接接至檢查井集分水器。設(shè)計按滿足地源熱泵系統(tǒng)冬季最大取熱量確定地埋管換熱器的數(shù)量，夏季放熱不足時由閉式冷卻塔作為調(diào)峰方式。冷卻塔系統(tǒng)亦可調(diào)節(jié)地下土壤熱平衡。換熱管井的布置按區(qū)域分為3個部分，相應(yīng)連接成3個系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 地埋管井位布置圖

2.3 空調(diào)水系統(tǒng)

冷水機組依靠水路閥門切換冬夏季工況。水泵采用變頻控制，實現(xiàn)在空調(diào)部分負荷下線性調(diào)節(jié)空調(diào)水量。系統(tǒng)中設(shè)置2臺閉式冷卻塔確保對土壤冬季取熱量與夏季排熱量基本能達到平衡，如圖3所示。

地埋管分3個系統(tǒng)，每個水系統(tǒng)的回水管上安裝靜態(tài)平衡閥，確保系統(tǒng)的水力平衡。

空調(diào)末端系統(tǒng)冷熱媒的設(shè)計參數(shù)：冬季供回水溫度為 50 ℃/45 ℃；夏季供回水溫度為 7 ℃/12 ℃風(fēng)機盤管設(shè)恒溫器和動態(tài)平衡電動二通閥，空氣處理機組（新風(fēng)處理機組）設(shè)動態(tài)平衡電動調(diào)節(jié)閥和溫控裝置系統(tǒng)。

3 空調(diào)系統(tǒng)

3.1 空調(diào)形式

3.1.1 主展館、副展館

展廳、多功能廳等大空間區(qū)域采用變風(fēng)量空調(diào)機組并配以余熱回收式的轉(zhuǎn)輪新風(fēng)換氣機，小會議室、休息室、辦公室及門廳等小空間均采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

3.1.2 濱水休閑館

餐廳為大空間區(qū)域，采用變風(fēng)量空調(diào)機組并配以余熱回收式的轉(zhuǎn)輪新風(fēng)換氣機，包間、休息室、備餐室及門廳等小空間均采用風(fēng)機盤管加新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)。

3.2 氣流組織

主展館、副展館建筑內(nèi)的展廳和多功能等高大空間采用旋流風(fēng)口送風(fēng)的方式。

濱水休閑館建筑內(nèi)的簡易餐廳采用旋流風(fēng)口送風(fēng)?；B餐廳，為了體現(xiàn)生態(tài)餐廳的特色，玻璃穹頂鋼網(wǎng)架下面將懸掛各種有特色的花卉植物，為了避免送風(fēng)管道對花卉植物采光和送風(fēng)氣流對花卉植物生長的影響，花鳥餐廳靠通道的內(nèi)側(cè)采用噴口送風(fēng)的方式，噴口高度略低于花卉高度，外側(cè)玻璃穹頂與餐廳地面交界處附近設(shè)置可調(diào)百葉風(fēng)口地面送風(fēng)的方式，另外由于餐廳頂部為玻璃穹頂，會產(chǎn)生溫室效應(yīng)，集聚大量的熱量，為此我們在花鳥餐廳輔助用房的平臺上設(shè)置排風(fēng)機，排出花鳥餐廳頂部的余熱。采用這樣的分層送風(fēng)系統(tǒng)使空調(diào)系統(tǒng)與植物花卉互不干擾，如圖4所示。

圖3 地源熱泵水系統(tǒng)流程圖

圖4 花鳥餐廳送風(fēng)示意圖

4 自動控制

4.1 空調(diào)末端自動控制

4.1.1 變風(fēng)量空氣處理機組（帶余熱回收）

本控制系統(tǒng)風(fēng)系統(tǒng)調(diào)節(jié)優(yōu)先，水系統(tǒng)微調(diào)。根據(jù)回風(fēng)溫度信號控制變頻送風(fēng)機轉(zhuǎn)速，風(fēng)量最小值不小于總風(fēng)量的80%。然后水系統(tǒng)控制比例積分動態(tài)流量平衡閥，調(diào)節(jié)冷/熱水量，使回風(fēng)溫度保持在所要求的范圍內(nèi)。過渡季節(jié)，電動調(diào)節(jié)閥1最大開度，旁通閥2打開，回風(fēng)閥3關(guān)閉，電動調(diào)節(jié)閥與風(fēng)機連鎖，全新風(fēng)工況運行，如圖5所示。

4.1.2 變風(fēng)量空氣處理機組（新風(fēng)型）

根據(jù)送風(fēng)溫度信號控制電動閥，調(diào)節(jié)冷/熱水量，使房間溫度保持在所要求的范圍內(nèi)。裝于冷/熱水進水管上的恒溫器可進行系統(tǒng)冬/夏季節(jié)轉(zhuǎn)換。夏季時，系統(tǒng)供冷水，當(dāng)送風(fēng)溫度高于設(shè)定值時，電動閥開大，使送風(fēng)溫度下降；冬季時，系統(tǒng)供熱水，當(dāng)送風(fēng)溫度低于設(shè)定值時，電動閥開大，使送風(fēng)溫度上升，如圖6所示。

圖5 變風(fēng)量空氣處理機組（帶余熱回收）控制原理圖

圖6 變風(fēng)量空氣處理機組(新風(fēng)型)控制系統(tǒng)圖

4.1.3 風(fēng)機盤管

溫控器具有通/斷2個工作位置，溫控器的通斷可控制電動閥的動作，使室內(nèi)溫度保持在需要的范圍內(nèi)。溫控器內(nèi)的三速開關(guān)用于手動調(diào)節(jié)風(fēng)機的風(fēng)速。當(dāng)溫控器內(nèi)的三速開關(guān)置于“關(guān)”位置時，風(fēng)機電路被切斷，同時電動閥必須關(guān)閉。如圖7所示。

圖7 風(fēng)機盤管控制系統(tǒng)圖

4.2 冷熱源自動控制

冷熱源自動控制系統(tǒng)應(yīng)能實現(xiàn)冷熱源系統(tǒng)的自動監(jiān)控，確保系統(tǒng)在安全可靠、高效運行的前提下滿足末端用戶供冷（供熱）需求。系統(tǒng)從冷熱源站制冷制熱、生活熱水，用戶側(cè)、地源側(cè)泵管網(wǎng)穩(wěn)定輸冷輸熱和末端用戶穩(wěn)定供冷供熱3個環(huán)節(jié)進行控制，在滿足用戶需求的前提下，使系統(tǒng)運行于最佳工況，實現(xiàn)經(jīng)濟運行。

熱回收型地源熱泵冷熱水機組控制：除機組自帶的控制功能外，自控系統(tǒng)應(yīng)對機組的啟停、進出水溫度及流量、最佳運行工況以及冬夏季接管轉(zhuǎn)換等進行監(jiān)控，并對整個系統(tǒng)中的設(shè)備在不同的模式下運行的工況進行優(yōu)化。自控系統(tǒng)對生活熱水箱的進出水溫度、水箱內(nèi)溫度梯度進行監(jiān)控。

換熱井水系統(tǒng)控制：共有3組換熱井系統(tǒng)，在系統(tǒng)部分負荷時，關(guān)閉部分井水系統(tǒng)及其對應(yīng)的水泵，控制系統(tǒng)設(shè)置自定義、負荷計算2種控制方式。負荷計算方式：根據(jù)安裝在總管的供回水溫度傳感器及流量傳感器，自動計算出末端用戶負荷需求，以此確定開啟水泵及換熱井的組數(shù)。并自動累積換熱井運行時間，從而確定哪一組開啟與關(guān)閉。

設(shè)備運行時間控制：各熱泵機組、水泵、冷卻塔、換熱井系統(tǒng)必須注意均衡使用，除盡量均衡同組設(shè)備的使用時間外，還需均衡設(shè)備的啟動次數(shù)，同時避免設(shè)備停用過久。

水泵變頻控制：與熱泵機組對應(yīng)的循環(huán)水泵設(shè)置變頻控制，根據(jù)供回水壓差自動調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速，以實現(xiàn)在空調(diào)部分負荷下線性調(diào)節(jié)空調(diào)水量，達到節(jié)約能源的目的。但水泵流量不能低于熱泵機組的最低限。

冷卻塔控制：冷卻塔系統(tǒng)對土壤源換熱水系統(tǒng)進行冷量補充?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)自動計量的冬夏季冷熱量進行計算，自動開啟冷卻塔進行冷量補充，以達到全年系統(tǒng)冷熱量平衡。夏季工況時，當(dāng)室外溫度濕球溫度較低，有利于冷卻塔換熱時，優(yōu)先啟動冷卻塔系統(tǒng)，開啟冷卻塔閥門，關(guān)閉相應(yīng)組數(shù)地源換熱井。天氣炎熱時，地源側(cè)優(yōu)先啟動。整個過程記錄地源側(cè)、空調(diào)側(cè)冷熱量交換量，通過上述原則，平衡冬夏季換熱量。

5 結(jié)語

本項目中采用的地源熱泵系統(tǒng)，如何通過自控控制系統(tǒng)達到地源熱泵的節(jié)能運行目的且實現(xiàn)地埋管側(cè)冬夏季熱平衡尤其重要。對于高大空間、有特殊要求建筑內(nèi)如何實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)與建筑內(nèi)部有機融合且滿足空調(diào)系統(tǒng)舒適、節(jié)能的要求以及過渡季節(jié)采用全新風(fēng)節(jié)能運行是我們設(shè)計中需要考慮的問題。為了實現(xiàn)以上目的，我們在設(shè)計中采用了包括：對地源熱泵系統(tǒng)地源側(cè)及用戶側(cè)運行溫度、能耗等數(shù)據(jù)進行自動監(jiān)測，優(yōu)化了系統(tǒng)控制；帶熱回收的空氣處理機組過渡季節(jié)直接引入室外空氣全新風(fēng)運行；配合室內(nèi)裝飾的要求合理布置好空調(diào)氣流組織，使空調(diào)系統(tǒng)與室內(nèi)裝飾有機融合。通過這些手段使空調(diào)系統(tǒng)在滿足室內(nèi)所需溫度、濕度等要求的前提下，為我們提供舒適的室內(nèi)環(huán)境，且達到整個空調(diào)系統(tǒng)安全、節(jié)能運行的目的。

[1] GB50736—2012 民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計規(guī)范

[2] GB50366—2005（2009年版） 地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范

[3]建設(shè)部工程質(zhì)量安全監(jiān)督與行業(yè)發(fā)展司，中國建筑標準設(shè)計研究院編.全國民用建筑工程設(shè)計技術(shù)措施節(jié)能專篇：暖通空調(diào)·動力.中國計劃出版社，2007

2014-07-09

秦振春（1981—），男，江蘇高郵人，碩士研究生，工程師，研究方向：中央空調(diào)設(shè)計與優(yōu)化。