唐志華

上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司

1 項(xiàng)目概況

該工程位于安徽省滁州市，屬于夏熱冬冷地區(qū)，該圖書館共兩棟建筑（A館+B館），總建筑面積約26180.69m2，圖書館外觀效果圖見圖1。其中，A館無地下室，地上四層，建筑面積約15179.1m2，主要功能為閱覽室、報(bào)告廳、基藏書庫、古籍典藏室、自習(xí)室、辦公室等。B館地下一層，主要功能為地下汽車庫（戰(zhàn)時(shí)為人防工程）、制冷機(jī)房等設(shè)備用房，地上四層，主要功能為兒童閱覽室、文化藝術(shù)中心、辦公室、咖啡廳等，建筑面積約11001.59m2。該圖書館設(shè)計(jì)藏書量約48萬冊，讀者座位約1000個(gè)，日接待讀者能力2000人次。

圖1 圖書館外觀效果圖

2 空調(diào)系統(tǒng)形式

該工程是集閱覽、辦公、文化藝術(shù)中心為一體的綜合圖書館，各區(qū)域空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間有所區(qū)別。其中，閱覽區(qū)、文化藝術(shù)區(qū)的空調(diào)系統(tǒng)根據(jù)圖書館的開放時(shí)間確定運(yùn)行時(shí)間。而辦公區(qū)域（包括夜間開放的自習(xí)室等）在開館時(shí)間之外、甚至周末仍然有空調(diào)使用的需求。為方便工作人員能夠隨時(shí)獨(dú)立、靈活地運(yùn)行和使用空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)根據(jù)不同區(qū)域設(shè)置不同的空調(diào)系統(tǒng)形式。對于辦公區(qū)域，采用多聯(lián)機(jī)空調(diào)系統(tǒng)，配置獨(dú)立的新風(fēng)系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)機(jī)房等區(qū)域需要一天24 h連續(xù)運(yùn)行，故設(shè)置獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，并考慮一定的空調(diào)容量冗余。消防控制室、值班室等也需要一天24 h連續(xù)運(yùn)行，均預(yù)留分體空調(diào)。而對于閱覽室、報(bào)告廳等其他區(qū)域，則采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，本文重點(diǎn)介紹地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

3 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

3.1 空調(diào)室內(nèi)、外設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50736-2012）、《圖書館建筑設(shè)計(jì)規(guī)范》（JGJ 38-2015），確定室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)[1]，如表1、表2。由HDY-SMAD 4.0負(fù)荷計(jì)算軟件，可以導(dǎo)出滁州地區(qū)逐時(shí)干球溫度和日平均干球溫度，如圖2、圖3所示。

表1 室外設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 滁州地區(qū)逐時(shí)干球溫度

圖3 滁州地區(qū)日平均干球溫度

3.2 空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間

圖書館各功能房間的開放時(shí)間，如表3所示。針對不同的房間功能特性，參照《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB50189-2015）附錄B中表B.0.4-1～表B.0.4-10的要求，對建筑的空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，室內(nèi)溫度，照明功率密度值及開關(guān)時(shí)間，房間人均占有的使用面積及在室率，人員新風(fēng)量及新風(fēng)機(jī)組運(yùn)行時(shí)間表，電氣設(shè)備功率密度及使用率等參數(shù)進(jìn)行分項(xiàng)設(shè)置，以兒童閱覽室，文化藝術(shù)中心的人員逐時(shí)在室率為例，則如圖4、圖5所示。

表3 圖書館各閱覽室開放時(shí)間

圖4 兒童閱覽室人員逐時(shí)在室率

圖5 文化藝術(shù)中心人員逐時(shí)在室率

3.3 全年動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

利用HDY-SMAD 4.0空調(diào)負(fù)荷計(jì)算軟件，對該工程進(jìn)行全年8760 h動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷模擬計(jì)算。A館、B館的空調(diào)全年動(dòng)態(tài)逐時(shí)負(fù)荷曲線見圖6、圖7，分系統(tǒng)的空調(diào)最大冷負(fù)荷、熱負(fù)荷見表4。由全年動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算可知，建筑中出現(xiàn)空調(diào)滿負(fù)荷的比例極低，大部分時(shí)間內(nèi)，空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷低于最大負(fù)荷的50%，因此在配置空調(diào)冷熱源時(shí)，需充分考慮冷熱負(fù)荷的全年分布狀況和全年冷熱不平衡問題。

表4 圖書館分系統(tǒng)的空調(diào)負(fù)荷

圖6 A館全年8760 h動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷曲線圖

圖7 B館全年8760 h動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷曲線圖

4 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 地源熱泵主機(jī)選型

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果可知，由地源熱泵空調(diào)主機(jī)承擔(dān)的空調(diào)總冷負(fù)荷為2655 kW，總熱負(fù)荷為1735 kW。該工程制冷機(jī)房設(shè)置在B館地下一層，共選用3臺(tái)制冷量/制熱量為975 kW/954.3 kW的螺桿式地源熱泵冷熱水機(jī)組，夏季空調(diào)供回水溫度6/12℃，冬季空調(diào)供回水溫度45/40℃，冷卻水系統(tǒng)采用垂直地埋管土壤換熱系統(tǒng)。由于該工程夏季/冬季空調(diào)負(fù)荷差別較大，考慮到土壤熱平衡的問題，設(shè)置了冷卻塔輔助冷卻系統(tǒng)，以排除夏季冷卻水中多余的熱量，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

圖8 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)原理圖

4.2 冷凍水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)冷凍水系統(tǒng)采用閉式循環(huán)兩管制變流量一級(jí)泵系統(tǒng)（空調(diào)主機(jī)定流量運(yùn)行，末端變流量），可根據(jù)末端負(fù)荷自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)主機(jī)開啟臺(tái)數(shù)。供、回水總管間設(shè)壓差旁通閥組，可根據(jù)供、回水總管間的壓差變化自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入末端系統(tǒng)的水量。冷凍水通過分(集)水器分為二路，分別供A館和B館使用，每一路冷凍水總管上均設(shè)冷熱量計(jì)量裝置，以便于分別計(jì)量A館和B館的空調(diào)系統(tǒng)用能情況?？照{(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組的水系統(tǒng)采用兩管制同程式，空調(diào)機(jī)組、新風(fēng)機(jī)組的回水管上均設(shè)置動(dòng)態(tài)平衡電動(dòng)調(diào)節(jié)閥。水系統(tǒng)的定壓均采用定壓補(bǔ)水真空脫氣機(jī)組。

4.3 冷卻水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)冷卻水系統(tǒng)采用地埋管換熱系統(tǒng)為主，冷卻塔散熱為輔。地埋管側(cè)、冷卻塔側(cè)單獨(dú)設(shè)置水泵，均采用變頻控制，可根據(jù)建筑負(fù)荷變化進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，以節(jié)省運(yùn)行電耗。地埋管側(cè)、冷卻塔側(cè)均設(shè)冷熱量計(jì)量裝置，以監(jiān)控地埋管全年總釋熱量與總吸熱量是否平衡。冷卻塔通過板式換熱器與地埋管側(cè)冷卻水系統(tǒng)間接連接，以方便冷卻水系統(tǒng)單獨(dú)定壓。同時(shí)，將地埋管側(cè)、冷卻塔側(cè)水系統(tǒng)分隔開，也能防止開式冷卻水系統(tǒng)影響地埋管換熱管內(nèi)的水質(zhì)。

4.3.1 巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)

業(yè)主委托第三方專業(yè)公司對項(xiàng)目區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘察，并進(jìn)行了巖土熱響應(yīng)試驗(yàn)。根據(jù)巖土熱響應(yīng)測試報(bào)告，場地土層自上而下分為：（1）0m～-10m，泥土層，黃色。（2）-10m～-105m，細(xì)沙層+粗砂層，黃黑色。場地周圍地層的原始地溫為17.42℃。雙U型DN25地埋管冬季單位井深換熱量為49.1W/m，雙U型DN25地埋管夏季單位井深換熱量為64.2W/m。

4.3.2 土壤換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

垂直埋管深度較深，土壤溫度相對恒定，?。ㄉⅲ崮芰^強(qiáng)，通常是淺層土壤埋管方式的5倍以上[2，3]。文獻(xiàn)[4]用軟件模擬運(yùn)行10年的情況，得到地埋管換熱器的年換熱效率曲線和整個(gè)系統(tǒng)的用電量。隨著鉆孔深度的減小，換熱效率降低，同時(shí)占地面積增加，在相同的流速下流量加大，管路接頭也較多，導(dǎo)致環(huán)路總阻力增大，水泵耗電量顯著升高。鉆孔深度并不是越大越好，60m以內(nèi)孔深時(shí)鉆機(jī)成本小，初投資低。80m以內(nèi)孔深時(shí)，可用普通型承壓塑料管，當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況較為有利時(shí)，應(yīng)采用較大的鉆孔深度以降低運(yùn)行費(fèi)用[4]。

該工程建筑單體周邊的草地、道路下方可供埋管使用。為盡量減少占地面積，采用垂直地埋管土壤換熱器。根據(jù)相關(guān)規(guī)范[5]，并結(jié)合區(qū)域內(nèi)相關(guān)項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)埋管間距為5m×5m，采用雙U型地埋管土壤換熱器，鉆孔直徑φ=150mm。地埋管管材采用高密度HDPE100型De25x2.3雙U型，有效深度為100m。根據(jù)負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，以冬季熱負(fù)荷作為地埋管換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算依據(jù)，夏季多余的釋熱量通過冷卻塔進(jìn)行輔助冷卻，以滿足夏季空調(diào)及土壤熱平衡要求。地埋管冬季最大吸熱量為1735×（1-1/COP）=1380 kW，地埋管管群附加系數(shù)取0.9，同時(shí)考慮一定的安全裕量，可計(jì)算得出，該工程設(shè)計(jì)地埋管打井?dāng)?shù)量為360口，地埋管換熱系統(tǒng)所需占地面積約為9000m2。

圖9 地埋管管道平面布置圖

制冷機(jī)房內(nèi)設(shè)地源側(cè)總分集水器，室外設(shè)5套二級(jí)分、集水器（設(shè)檢查井），每套連接72個(gè)孔。每9個(gè)孔采用同程式連接，水平橫管埋管于地下2.0m以下，二級(jí)分、集水器的主管通過水平埋管接至地下室制冷機(jī)房。地埋管換熱系統(tǒng)工作溫度如下：夏季制冷工況下，供/回水溫度為32/37℃。冬季制熱工況下，供/回水溫度為10/5℃。地埋管管道平面布置圖如圖9所示。

4.3.3 冷卻塔輔助冷卻系統(tǒng)

該工程以冬季熱負(fù)荷作為地埋管的設(shè)計(jì)依據(jù)，夏季散熱不足的部分通過冷卻塔進(jìn)行輔助冷卻，同時(shí)也應(yīng)滿足土壤的熱平衡要求。設(shè)計(jì)選用開式機(jī)械循環(huán)的超低噪聲橫流冷卻塔，設(shè)置在B館屋面，冷卻塔采用變頻風(fēng)機(jī)，冷卻水供/回水溫度為32/37℃。

4.4 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大廳、無障礙閱覽區(qū)、多功能廳、綜合借閱室等大空間區(qū)域均采用全空氣定風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)機(jī)組均采用變頻調(diào)速風(fēng)機(jī)，可與排風(fēng)機(jī)配合，在過渡季節(jié)可實(shí)現(xiàn)50%風(fēng)量全新風(fēng)運(yùn)行。對于討論室等小房間，均采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)。在大廳上空，還設(shè)置了排風(fēng)系統(tǒng)，平時(shí)空調(diào)季節(jié)或過渡季節(jié)開啟對應(yīng)的風(fēng)機(jī)排風(fēng)，以保持空調(diào)區(qū)內(nèi)的風(fēng)量平衡。

5 運(yùn)行與控制策略

地源熱泵系統(tǒng)作為一種節(jié)能環(huán)保的空調(diào)形式，其應(yīng)用越來越廣泛。該工程為了更好地解決土壤熱平衡問題，采用冷卻塔輔助冷卻的地埋管地源熱泵系統(tǒng)，但仍需要以較為合理的運(yùn)行與控制策略作為保障，這其中的關(guān)鍵在于冷卻塔的運(yùn)行策略。一些研究者通過模擬的方法比較了冷卻塔的五種基本運(yùn)行策略[6]：

1）當(dāng)熱泵機(jī)組的進(jìn)口水溫超過某一設(shè)定值時(shí)，開啟冷卻塔輔助冷卻。

2）當(dāng)熱泵機(jī)組的進(jìn)口水溫與室外干球溫度的差值大于設(shè)定值時(shí)，開啟冷卻塔。

3）當(dāng)熱泵機(jī)組的進(jìn)口水溫與室外濕球溫度的差值大于設(shè)定值時(shí)，開啟冷卻塔。

4）在過渡季非空調(diào)時(shí)段，熱泵機(jī)組停運(yùn)，利用冷卻塔來降低土壤溫度。

5）冷卻塔定時(shí)運(yùn)行，根據(jù)建筑物內(nèi)部的負(fù)荷情況設(shè)定開啟冷卻塔的時(shí)間段。

相比之下，策略1）僅需控制熱泵機(jī)組的進(jìn)口水溫，操作起來更為便捷，筆者推薦采用此控制策略，建議初始的溫度設(shè)定值取32℃。同時(shí)，該工程還在地埋管側(cè)、冷卻塔側(cè)的冷卻水主管上設(shè)置了冷熱量計(jì)量裝置。隨著熱泵機(jī)組的運(yùn)行，管理人員可以根據(jù)往年累積在土壤中的散熱量（或取熱量）數(shù)據(jù)，逐年調(diào)整此溫度設(shè)定值，以期能夠更好地保持土壤中的熱平衡。當(dāng)累年在土壤中的散熱量大于累年從土壤中的取熱量時(shí)，可降低此溫度設(shè)定值；反之，則應(yīng)該調(diào)高此溫度設(shè)定值。

6 設(shè)計(jì)總結(jié)

本文結(jié)合工程實(shí)踐，從空調(diào)系統(tǒng)形式選擇、空調(diào)負(fù)荷計(jì)算、熱泵主機(jī)選型、冷凍水系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)等幾個(gè)方面，簡要介紹了地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。根據(jù)圖書館的開放時(shí)間、不同功能房間的人員逐時(shí)在室率等條件，對圖書館進(jìn)行了全年8760 h動(dòng)態(tài)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算，并分析了圖書館空調(diào)負(fù)荷的特點(diǎn)。介紹了地埋管土壤換熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要應(yīng)從鉆井深度、埋管間距、地埋管換熱量計(jì)算等幾方面考慮，并設(shè)置了冷卻塔輔助冷卻系統(tǒng)，以排除熱泵機(jī)組夏季多余的熱量，并保持土壤中的熱平衡。推薦了適合該工程的冷卻塔運(yùn)行策略，即：當(dāng)熱泵機(jī)組的進(jìn)口水溫超過某一設(shè)定值（建議初始的溫度設(shè)定值取32℃）時(shí)，開啟冷卻塔進(jìn)行輔助冷卻，并通過分析冷熱量計(jì)量裝置記錄的往年累積在土壤中的散熱量（或取熱量）數(shù)據(jù)，逐年調(diào)整此溫度設(shè)定值。

[1] 中國建筑科學(xué)研究院.民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50736-2012)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012

[2] 郭二寶,宣玲娟,李嵐.土壤源熱泵在合肥某工程中的應(yīng)用[J].低溫與超導(dǎo),2009,(11):70-74

[3] 李娟,寇秀培,趙建成.垂直埋管式地源熱泵的實(shí)例應(yīng)用及經(jīng)濟(jì)性分析[J].建筑熱能,2008,26(3):41-44

[4] 謝鸝,徐菱虹,胡平放.混合式地源熱泵系統(tǒng)的優(yōu)化研究[J].建筑熱能通風(fēng)空調(diào),2008,(4):53-55

[5] 中國建筑設(shè)計(jì)研究院.地源熱泵系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范 (2009年版)(GB 50366-2005)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[6] 花莉.基于熱平衡的復(fù)合式地埋管地源熱泵系統(tǒng)運(yùn)行策略[J].暖通空調(diào),2013,43(12):148-153