林大權(quán) 郝華杰

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水蓄冷空調(diào)在高校圖書館的節(jié)能應(yīng)用

林大權(quán) 郝華杰

（廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣州 510300）

通過水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)在高校圖書館工程中的實(shí)際應(yīng)用來(lái)分析水蓄冷空調(diào)的節(jié)能特點(diǎn)與運(yùn)行效益等，試驗(yàn)表明水蓄冷空調(diào)在系統(tǒng)末端負(fù)荷需求小，過渡季節(jié)使用節(jié)能效果明顯。

水蓄冷空調(diào)；運(yùn)行效益；節(jié)能與應(yīng)用

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)教育發(fā)展的投入加大，如今很多高校新建圖書館都安裝有中央空調(diào)系統(tǒng)，中央空調(diào)的能源消耗之大是眾所周知的，因此如何設(shè)計(jì)與選用一套比較適合和節(jié)能的中央空調(diào)系統(tǒng)成了很多高校圖書館建造之時(shí)被列為重點(diǎn)考慮的對(duì)象之一。文章中的學(xué)校圖書館綜合利用比較好，整個(gè)圖書館建筑里除了圖書館常規(guī)使用的閱覽室、書庫(kù)與借還書處外，還有電子閱覽室、學(xué)生自習(xí)室、圖書館辦公室、會(huì)議室、學(xué)術(shù)報(bào)告廳等，所使用空調(diào)的時(shí)間比較靈活，系統(tǒng)末端負(fù)荷變化較大，在過渡季節(jié)使用時(shí)間較長(zhǎng)和長(zhǎng)時(shí)間有小單元使用空調(diào)等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)中央空調(diào)系統(tǒng)存在不節(jié)能，因此選用這套水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，下面通過水蓄冷空調(diào)在這所高校圖書館中的實(shí)際應(yīng)用來(lái)介紹水蓄冷空調(diào)的節(jié)能與應(yīng)用。

1 水蓄冷空調(diào)原理

水蓄冷空調(diào)即將空調(diào)機(jī)組制得低溫冷凍水供給蓄冷水池進(jìn)行蓄冷過程，當(dāng)蓄冷水池溫度達(dá)到設(shè)定的下限值時(shí)，停止空調(diào)機(jī)組，由二級(jí)水泵抽出蓄冷水池的冷凍水供給末端供冷；當(dāng)蓄冷水池溫度達(dá)到設(shè)定上限值時(shí)，停止對(duì)外供冷，啟動(dòng)空調(diào)機(jī)組對(duì)蓄冷水池供低溫冷凍水，反復(fù)循環(huán)。

一般水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)采用的方法是利用晚上低峰電價(jià)制得低溫冷凍水進(jìn)行貯存，白天高峰電價(jià)階段停止制冷機(jī)組，由蓄冷水池給末端供冷，但這樣蓄冷水池要做得很大，不僅所占面積過大，而且初投資大，日后使用過程中水池維護(hù)保養(yǎng)工作量也大，而且本工程中的單位是沒有高低峰電價(jià)差的，因此本系統(tǒng)在選用水蓄冷空調(diào)時(shí)做一些改動(dòng)。主要是通過適度加大膨脹箱作為蓄冷水池來(lái)適應(yīng)因末端設(shè)備負(fù)荷的變化從而減少空調(diào)機(jī)組的開停次數(shù)與讓空調(diào)機(jī)組保持在滿負(fù)荷高效下運(yùn)行工作，從而提高運(yùn)行效率達(dá)到節(jié)能的效果。

2 項(xiàng)目概況

廣東輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院圖書館是一座集閱覽室、辦公室、書庫(kù)、報(bào)告廳、電子閱覽室等功能為一體的圖書館，分A、B、C三個(gè)區(qū)，總建筑面積26000m2，建筑層高為4.5-4.8m每層。其中空調(diào)面積20500m2，空調(diào)面積占總建筑面積的78.8%。

其中：A區(qū)為四層建筑，首層功能為辦公室，報(bào)刊閱覽室，入口大堂，休息廳等；二層功能為中文閱覽室，辦公室，研究室，信息中心，會(huì)議室等；三層功能為電子閱覽室，專業(yè)閱覽室等；四層功能為外文閱覽室。

B區(qū)為四層建筑，地下兩層，分1B和2B，2B負(fù)二層為自修閱覽室，2B負(fù)一層為書吧，1B負(fù)一層為書庫(kù)。首層功能為中文現(xiàn)刊閱覽室；二層功能為專業(yè)閱覽室等；三層功能為專業(yè)閱覽室；四層功能為專業(yè)閱覽室。

C區(qū)為三層建筑，首層為檢索室及電子閱覽室，二層為電子閱覽室，三層為報(bào)告廳。

圖書館建筑平面圖如圖1所示。

圖1 圖書館建筑平面圖

3 空調(diào)系統(tǒng)的選用

3.1 冷負(fù)荷計(jì)算與室內(nèi)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)圖書館負(fù)荷估算法、樓層高度和實(shí)際環(huán)境等因素計(jì)算出總冷負(fù)荷4539kW，設(shè)備冷負(fù)荷5220kW，冷水機(jī)組制冷4025kW。夏季供冷室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 室內(nèi)夏季空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 系統(tǒng)布置

根據(jù)建筑的特點(diǎn)，空調(diào)水系統(tǒng)分別設(shè)置2個(gè)獨(dú)立的水系統(tǒng)，水系統(tǒng)布置與設(shè)備數(shù)量等如表2和表3所示。

表2 制冷系統(tǒng)

表3 空調(diào)水系統(tǒng)

其中：A-C為一個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)機(jī)房設(shè)在A區(qū)首層，B區(qū)為另一獨(dú)立系統(tǒng)機(jī)房設(shè)在負(fù)一層，冷卻塔統(tǒng)一設(shè)在A區(qū)與B區(qū)相連處三層天面，A-C區(qū)系統(tǒng)蓄冷水池設(shè)在A區(qū)四層天面，B區(qū)系統(tǒng)蓄冷水池設(shè)在B區(qū)四層天面。

（1）冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻塔的容量與冷水機(jī)組容量相匹配。各層設(shè)二級(jí)泵房，流量與該層末端設(shè)備冷凍水量匹配，二級(jí)泵抽蓄冷水池冷水供該層未端。機(jī)房主要設(shè)備型號(hào)與參數(shù)如表4所示。

表4 機(jī)房主要設(shè)備型號(hào)與參數(shù)

（2）冷凍水供回水溫度分別為7℃和12℃。冷卻水進(jìn)出水溫度分別為32℃和37℃。

（3）冷凍水，冷卻水立管布置成異程式，各層水平干管布置成異程式。

3.3 系統(tǒng)末端與末端設(shè)備

（1）ABC三區(qū)各層：除采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)方式外，還采用全空氣系統(tǒng)（風(fēng)柜系統(tǒng)），低風(fēng)速風(fēng)道送風(fēng)，回風(fēng)則利用回風(fēng)口回風(fēng)，如圖書館大堂。

（2）空調(diào)器（或新風(fēng)空調(diào)器）

溫度控制：由設(shè)置在回風(fēng)口（或送風(fēng)管）處的溫度傳感器，控制水路電動(dòng)二通閥動(dòng)作，調(diào)節(jié)冷凍水供水量，達(dá)到回風(fēng)（或送風(fēng)）溫度控制。

（3）風(fēng)機(jī)盤管

風(fēng)機(jī)盤管采用江森自控的機(jī)械式溫控面板，有三速手動(dòng)開關(guān)與10-30℃可調(diào)范圍，溫度調(diào)節(jié)是控制風(fēng)機(jī)盤管冷凍水水路電動(dòng)二通閥的開與關(guān)，達(dá)到控制室溫，每個(gè)溫控面板控制6-8臺(tái)風(fēng)機(jī)盤管。

（4）遙測(cè)

各空調(diào)器，新風(fēng)空調(diào)器，風(fēng)機(jī)盤管等除設(shè)就地開關(guān)外，還在冷凍站總控制室內(nèi)設(shè)置開關(guān)及運(yùn)行工作顯示。

3.4 自動(dòng)控制與遙測(cè)

冷水機(jī)組，冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻塔一一對(duì)應(yīng)連鎖運(yùn)行，根據(jù)系統(tǒng)冷負(fù)荷變化，自動(dòng)（設(shè)有手動(dòng)方式）控制冷水機(jī)組的投入運(yùn)轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)（包括相應(yīng)的冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻塔）。主機(jī)以全負(fù)荷運(yùn)行。空調(diào)系統(tǒng)每次開始投入運(yùn)行時(shí)主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔投入運(yùn)行，二級(jí)泵停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)末端負(fù)荷需要小于主機(jī)供冷時(shí)，自力式壓差旁通閥打開進(jìn)行蓄冷，閥的開度是根據(jù)水壓的大小大于0.12MPa開閥。當(dāng)蓄冷水池水溫降到下限值8.5℃時(shí)，主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔停止運(yùn)行，裝在冷凍水供水管DN300上的電動(dòng)閥關(guān)閉，有負(fù)荷需要的樓層根據(jù)負(fù)荷（末端設(shè)備電動(dòng)二通打開的數(shù)量）反饋的大小開二級(jí)水泵數(shù)量，沒有負(fù)荷樓層二級(jí)水泵停止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)冷凍水只在蓄冷水池與末端之間循環(huán)，不經(jīng)主機(jī)循環(huán)。當(dāng)蓄冷水池水溫升到上限值16.5℃時(shí)，所有二級(jí)水泵停止工作，主機(jī)、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔投入運(yùn)行，運(yùn)行狀態(tài)主要是根據(jù)蓄冷水池出水溫度設(shè)定值來(lái)決定。以上運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)換全由PLC自動(dòng)控制完成轉(zhuǎn)換，無(wú)須管理人員操作與值守，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化過程，運(yùn)行狀態(tài)在機(jī)房監(jiān)控室網(wǎng)絡(luò)版組態(tài)軟件上可監(jiān)控。

開機(jī)程序：冷卻塔進(jìn)水電動(dòng)閥-冷凍水主管電動(dòng)閥-冷卻水泵-塔風(fēng)機(jī)-冷凍水泵-冷水機(jī)組，停機(jī)程序則相反。而冷凍水泵，冷卻水泵亦可單獨(dú)手動(dòng)投入運(yùn)轉(zhuǎn)。一級(jí)泵運(yùn)作時(shí)為利于管網(wǎng)運(yùn)行正常，水池冷凍水供水管設(shè)置自力式壓差旁通裝置，保證系統(tǒng)壓力同時(shí)旁通水蓄冷。

3.5 空調(diào)水系統(tǒng)布置圖

由于A-C區(qū)和B區(qū)是兩個(gè)獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，但兩系統(tǒng)設(shè)備布置方法等均相同，不同的是設(shè)備數(shù)量與管徑等，因此下面以A-C區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)圖以示空調(diào)水系統(tǒng)與設(shè)備的布置情況等給予說明。圖2為A-C區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)布置圖。

圖2 A-C區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)布置圖

通過圖2可清晰的看出相比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，多出了樓層的二級(jí)水泵和膨脹水箱加大而已，因此比傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)增加的工程量并不大，造價(jià)增加較小。

4 運(yùn)行效益分析

4.1 蓄冷能力計(jì)算

=Δ

式中，為吸收的熱量（或放出的熱量）；為水比熱容，4.2×103J/(kg·℃)；為水質(zhì)量kg；Δ為水的溫差值，℃。

因此A-C區(qū)系統(tǒng)蓄冷量為：

=4.2×1000×90×1000×8/3600=840kW

B區(qū)系統(tǒng)蓄冷為：

4.2×1000×60×1000×8/3600=560kW

根據(jù)蓄冷量，A-C區(qū)系統(tǒng)運(yùn)行1臺(tái)主機(jī)在末端不需要冷負(fù)荷的情況下運(yùn)行1小時(shí)2分36秒即可蓄滿；B區(qū)系統(tǒng)則只需40分15秒即可蓄滿。

4.2 理論節(jié)能

在夏季使用空調(diào)時(shí)蓄冷水池介入時(shí)間較短節(jié)能不明顯和在過渡季節(jié)使用空調(diào)時(shí)蓄冷水池介入工作時(shí)間相對(duì)長(zhǎng)節(jié)能較明顯是業(yè)界共知，因此在此不做分析，下面主要是針對(duì)圖書館夏季使用空調(diào)時(shí)晚上和周末只有A區(qū)首層報(bào)刊閱覽室和2B區(qū)負(fù)二層自修閱覽室來(lái)做運(yùn)行效益分析。表5為圖書館開放時(shí)間與空調(diào)面積。

表5 圖書館開放時(shí)間與空調(diào)面積

A區(qū)首層報(bào)刊閱覽室和2B區(qū)負(fù)二層自修閱覽室配末端設(shè)備負(fù)荷分別為215.2kW和174.85kW。按理論計(jì)算忽略水管等冷量損失，A-C區(qū)蓄冷水池蓄滿后可供A區(qū)首層報(bào)刊閱覽室使用3小時(shí)54分左右，B區(qū)蓄冷水池蓄滿后可供2B區(qū)負(fù)二層自修閱覽室使用3小時(shí)12分。表6為A-C區(qū)系統(tǒng)單獨(dú)使用A區(qū)首層報(bào)刊閱覽室和B區(qū)系統(tǒng)單獨(dú)使用2B區(qū)負(fù)二層自修閱覽室在蓄冷水池一次蓄冷周期的理論用電量與節(jié)能。

表6 理論節(jié)能效率表

注：21.45kWh和12.8kWh為二級(jí)水泵運(yùn)行電量，主機(jī)27%和22%負(fù)荷運(yùn)行用電量按100%負(fù)荷運(yùn)行時(shí)能效計(jì)算輸入功率，準(zhǔn)確率有誤差。

A區(qū)首層報(bào)刊閱覽室和2B區(qū)負(fù)二層自修閱覽室一周內(nèi)單獨(dú)開放時(shí)間為24小時(shí)，因此開放A區(qū)首層報(bào)刊閱覽室一周理論省電量為：24/3.9×148.18=911.88kWh；

開放2B區(qū)負(fù)二層自修閱覽室一周理論省電量為：24/3.2×131.99=989.93kWh；

單兩個(gè)區(qū)域合計(jì)一周理論省電量為：1901.81kWh。

一年圖書館使用空調(diào)時(shí)間約為22周，即一年單兩個(gè)區(qū)域的省電量為：22×1901.81=41839.82 kWh，按7毛一度電計(jì)算，一年可節(jié)省電費(fèi)29287元。

4.3 實(shí)測(cè)節(jié)能

系統(tǒng)投入運(yùn)行使用后，6月下旬和9月下旬各挑一個(gè)周末共4天，實(shí)測(cè)A-C區(qū)系統(tǒng)單獨(dú)使用A區(qū)首層報(bào)刊閱覽室和B區(qū)系統(tǒng)單獨(dú)使用2B區(qū)負(fù)二層自修閱覽室一天的用電量與省電量，如表7所示。

表7 實(shí)測(cè)節(jié)能效率表

注：以上用電量不含末端設(shè)備用電，因末端的工作不受蓄冷水池是否投入工作影響。

表7中實(shí)測(cè)節(jié)能效率基本上符合理論節(jié)能效率計(jì)算，在夏季時(shí)效率低點(diǎn)，過渡季節(jié)效率高點(diǎn)。當(dāng)系統(tǒng)末端負(fù)荷需求越小時(shí)投入蓄冷水池使用節(jié)能效果越明顯，主要原因有兩個(gè)：第一在不投入蓄冷水池使用時(shí)，無(wú)論末端負(fù)荷多少，冷凍、冷卻水泵和冷卻塔都要運(yùn)行的；第二螺桿冷水機(jī)組標(biāo)注制冷量可以在10%-100%無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，在本項(xiàng)目使用過程中主機(jī)最小的工作電流為110A左右（滿負(fù)荷時(shí)298A）。

5 總結(jié)

通過運(yùn)行效益分析，總結(jié)出水蓄冷空調(diào)不僅在過渡季節(jié)節(jié)能效果明顯，而且在一個(gè)建筑里面如果有小單元與其它單元在使用空調(diào)時(shí)間上有錯(cuò)開，節(jié)能效果更為明顯，像這種情況可以配一臺(tái)制冷量小的冷水機(jī)組與變頻水泵等解決，但這樣日后不僅在設(shè)備維修時(shí)設(shè)備通用性差和工作量增加，而且初投資也大。像城市繁華區(qū)域很多高層寫字樓、高層為辦公用，夏季只是白天用空調(diào)，晚上不用。而一樓一般是商鋪等面積小經(jīng)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，不僅白天，而且晚上也要經(jīng)營(yíng)要用空調(diào)，就很適合使用這套水蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，因此只需在一樓設(shè)置二級(jí)水泵即可，其它樓層不用設(shè)置，略為加大膨脹水箱，增加造價(jià)非常小，日后節(jié)能效果非常明顯。

[1] 李志生.中央空調(diào)設(shè)計(jì)與審圖[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[2] 戈海燕.空調(diào)節(jié)能技術(shù)在上海某區(qū)圖書館設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].發(fā)電與空調(diào),2007,28(6):51-53.

[3] 董泊,王瑞婷.蓄冷率對(duì)水蓄冷空調(diào)的經(jīng)濟(jì)性影響分析[J].建筑節(jié)能,2014(3):15-21.

[4] 孫一堅(jiān).簡(jiǎn)明通風(fēng)設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1988.

[5] 郭慶堂,曹偉生,姚馨甲.制冷工程設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1988

[6] 薛殿華.空氣調(diào)節(jié)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1991.

Energy Saving Application of Water Storage Air-Conditioning in the Library of a College

Lin Daquan Hao Huajie

( Guangdong Industry Polytechnic, Guangzhou, 510300 )

Based on the practical application of the water storage air-conditioning system in the library of a college, the characteristics of energy saving and operation benefits of the system are analyzed. The study concluded that energy-saving effect of the system is remarkable when the system terminal load changes greatly and it is used in transitional season.

water storage air-conditioning system; operation benefits; energy saving and application

1671-6612（2017）06-602-06

TU831.3+1

B

林大權(quán)（1986.1-），男，工程碩士，助理實(shí)驗(yàn)師，E-mail：lindaquang@163.com

2017-3-27