水蓄冷空調在高校圖書館的節能應用

林大權 郝華杰

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水蓄冷空調在高校圖書館的節能應用

林大權 郝華杰

（廣東輕工職業技術學院 廣州 510300）

通過水蓄冷空調系統在高校圖書館工程中的實際應用來分析水蓄冷空調的節能特點與運行效益等，試驗表明水蓄冷空調在系統末端負荷需求小，過渡季節使用節能效果明顯。

水蓄冷空調；運行效益；節能與應用

0 引言

隨著國家對教育發展的投入加大，如今很多高校新建圖書館都安裝有中央空調系統，中央空調的能源消耗之大是眾所周知的，因此如何設計與選用一套比較適合和節能的中央空調系統成了很多高校圖書館建造之時被列為重點考慮的對象之一。文章中的學校圖書館綜合利用比較好，整個圖書館建筑里除了圖書館常規使用的閱覽室、書庫與借還書處外，還有電子閱覽室、學生自習室、圖書館辦公室、會議室、學術報告廳等，所使用空調的時間比較靈活，系統末端負荷變化較大，在過渡季節使用時間較長和長時間有小單元使用空調等特點，采用傳統中央空調系統存在不節能，因此選用這套水蓄冷空調系統，下面通過水蓄冷空調在這所高校圖書館中的實際應用來介紹水蓄冷空調的節能與應用。

1 水蓄冷空調原理

水蓄冷空調即將空調機組制得低溫冷凍水供給蓄冷水池進行蓄冷過程，當蓄冷水池溫度達到設定的下限值時，停止空調機組，由二級水泵抽出蓄冷水池的冷凍水供給末端供冷；當蓄冷水池溫度達到設定上限值時，停止對外供冷，啟動空調機組對蓄冷水池供低溫冷凍水，反復循環。

一般水蓄冷空調系統采用的方法是利用晚上低峰電價制得低溫冷凍水進行貯存，白天高峰電價階段停止制冷機組，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保養工作量也大，而且本工程中的單位是沒有高低峰電價差的，因此本系統在選用水蓄冷空調時做一些改動。主要是通過適度加大膨脹箱作為蓄冷水池來適應因末端設備負荷的變化從而減少空調機組的開停次數與讓空調機組保持在滿負荷高效下運行工作，從而提高運行效率達到節能的效果。

2 項目概況

廣東輕工職業技術學院圖書館是一座集閱覽室、辦公室、書庫、報告廳、電子閱覽室等功能為一體的圖書館，分A、B、C三個區，總建筑面積26000m2，建筑層高為4.5-4.8m每層。其中空調面積20500m2，空調面積占總建筑面積的78.8%。

其中：A區為四層建筑，首層功能為辦公室，報刊閱覽室，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，會議室等；三層功能為電子閱覽室，專業閱覽室等；四層功能為外文閱覽室。

B區為四層建筑，地下兩層，分1B和2B，2B負二層為自修閱覽室，2B負一層為書吧，1B負一層為書庫。首層功能為中文現刊閱覽室；二層功能為專業閱覽室等；三層功能為專業閱覽室；四層功能為專業閱覽室。

C區為三層建筑，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 空調系統的選用

3.1 冷負荷計算與室內參數設計

根據圖書館負荷估算法、樓層高度和實際環境等因素計算出總冷負荷4539kW，設備冷負荷5220kW，冷水機組制冷4025kW。夏季供冷室內空調設計參數設計如表1所示。

表1 室內夏季空調設計參數

3.2 系統布置

根據建筑的特點，空調水系統分別設置2個獨立的水系統，水系統布置與設備數量等如表2和表3所示。

表2 制冷系統

表3 空調水系統

其中：A-C為一個獨立系統機房設在A區首層，B區為另一獨立系統機房設在負一層，冷卻塔統一設在A區與B區相連處三層天面，A-C區系統蓄冷水池設在A區四層天面，B區系統蓄冷水池設在B區四層天面。

（1）冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻塔的容量與冷水機組容量相匹配。各層設二級泵房，流量與該層末端設備冷凍水量匹配，二級泵抽蓄冷水池冷水供該層未端。機房主要設備型號與參數如表4所示。

表4 機房主要設備型號與參數

（2）冷凍水供回水溫度分別為7℃和12℃。冷卻水進出水溫度分別為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 系統末端與末端設備

（1）ABC三區各層：除采用風機盤管加新風方式外，還采用全空氣系統（風柜系統），低風速風道送風，回風則利用回風口回風，如圖書館大堂。

（2）空調器（或新風空調器）

溫度控制：由設置在回風口（或送風管）處的溫度傳感器，控制水路電動二通閥動作，調節冷凍水供水量，達到回風（或送風）溫度控制。

（3）風機盤管

風機盤管采用江森自控的機械式溫控面板，有三速手動開關與10-30℃可調范圍，溫度調節是控制風機盤管冷凍水水路電動二通閥的開與關，達到控制室溫，每個溫控面板控制6-8臺風機盤管。

（4）遙測

各空調器，新風空調器，風機盤管等除設就地開關外，還在冷凍站總控制室內設置開關及運行工作顯示。

3.4 自動控制與遙測

冷水機組，冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻塔一一對應連鎖運行，根據系統冷負荷變化，自動（設有手動方式）控制冷水機組的投入運轉臺數（包括相應的冷凍水泵，冷卻水泵，冷卻塔）。主機以全負荷運行。空調系統每次開始投入運行時主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔投入運行，二級泵停止狀態，當末端負荷需要小于主機供冷時，自力式壓差旁通閥打開進行蓄冷，閥的開度是根據水壓的大小大于0.12MPa開閥。當蓄冷水池水溫降到下限值8.5℃時，主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔停止運行，裝在冷凍水供水管DN300上的電動閥關閉，有負荷需要的樓層根據負荷（末端設備電動二通打開的數量）反饋的大小開二級水泵數量，沒有負荷樓層二級水泵停止狀態，這時冷凍水只在蓄冷水池與末端之間循環，不經主機循環。當蓄冷水池水溫升到上限值16.5℃時，所有二級水泵停止工作，主機、冷凍水泵、冷卻水泵、冷卻塔投入運行，運行狀態主要是根據蓄冷水池出水溫度設定值來決定。以上運行狀態的轉換全由PLC自動控制完成轉換，無須管理人員操作與值守，實現全自動化過程，運行狀態在機房監控室網絡版組態軟件上可監控。

開機程序：冷卻塔進水電動閥-冷凍水主管電動閥-冷卻水泵-塔風機-冷凍水泵-冷水機組，停機程序則相反。而冷凍水泵，冷卻水泵亦可單獨手動投入運轉。一級泵運作時為利于管網運行正常，水池冷凍水供水管設置自力式壓差旁通裝置，保證系統壓力同時旁通水蓄冷。

3.5 空調水系統布置圖

由于A-C區和B區是兩個獨立的空調系統，但兩系統設備布置方法等均相同，不同的是設備數量與管徑等，因此下面以A-C區空調水系統圖以示空調水系統與設備的布置情況等給予說明。圖2為A-C區空調水系統布置圖。

圖2 A-C區空調水系統布置圖

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

4 運行效益分析

4.1 蓄冷能力計算

=Δ

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

因此A-C區系統蓄冷量為：

=4.2×1000×90×1000×8/3600=840kW

B區系統蓄冷為：

4.2×1000×60×1000×8/3600=560kW

根據蓄冷量，A-C區系統運行1臺主機在末端不需要冷負荷的情況下運行1小時2分36秒即可蓄滿；B區系統則只需40分15秒即可蓄滿。

4.2 理論節能

在夏季使用空調時蓄冷水池介入時間較短節能不明顯和在過渡季節使用空調時蓄冷水池介入工作時間相對長節能較明顯是業界共知，因此在此不做分析，下面主要是針對圖書館夏季使用空調時晚上和周末只有A區首層報刊閱覽室和2B區負二層自修閱覽室來做運行效益分析。表5為圖書館開放時間與空調面積。

表5 圖書館開放時間與空調面積

A區首層報刊閱覽室和2B區負二層自修閱覽室配末端設備負荷分別為215.2kW和174.85kW。按理論計算忽略水管等冷量損失，A-C區蓄冷水池蓄滿后可供A區首層報刊閱覽室使用3小時54分左右，B區蓄冷水池蓄滿后可供2B區負二層自修閱覽室使用3小時12分。表6為A-C區系統單獨使用A區首層報刊閱覽室和B區系統單獨使用2B區負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能。

表6 理論節能效率表

注：21.45kWh和12.8kWh為二級水泵運行電量，主機27%和22%負荷運行用電量按100%負荷運行時能效計算輸入功率，準確率有誤差。

A區首層報刊閱覽室和2B區負二層自修閱覽室一周內單獨開放時間為24小時，因此開放A區首層報刊閱覽室一周理論省電量為：24/3.9×148.18=911.88kWh；

開放2B區負二層自修閱覽室一周理論省電量為：24/3.2×131.99=989.93kWh；

單兩個區域合計一周理論省電量為：1901.81kWh。

一年圖書館使用空調時間約為22周，即一年單兩個區域的省電量為：22×1901.81=41839.82 kWh，按7毛一度電計算，一年可節省電費29287元。

4.3 實測節能

系統投入運行使用后，6月下旬和9月下旬各挑一個周末共4天，實測A-C區系統單獨使用A區首層報刊閱覽室和B區系統單獨使用2B區負二層自修閱覽室一天的用電量與省電量，如表7所示。

表7 實測節能效率表

注：以上用電量不含末端設備用電，因末端的工作不受蓄冷水池是否投入工作影響。

表7中實測節能效率基本上符合理論節能效率計算，在夏季時效率低點，過渡季節效率高點。當系統末端負荷需求越小時投入蓄冷水池使用節能效果越明顯，主要原因有兩個：第一在不投入蓄冷水池使用時，無論末端負荷多少，冷凍、冷卻水泵和冷卻塔都要運行的；第二螺桿冷水機組標注制冷量可以在10%-100%無級調節，在本項目使用過程中主機最小的工作電流為110A左右（滿負荷時298A）。

5 總結

通過運行效益分析，總結出水蓄冷空調不僅在過渡季節節能效果明顯，而且在一個建筑里面如果有小單元與其它單元在使用空調時間上有錯開，節能效果更為明顯，像這種情況可以配一臺制冷量小的冷水機組與變頻水泵等解決，但這樣日后不僅在設備維修時設備通用性差和工作量增加，而且初投資也大。像城市繁華區域很多高層寫字樓、高層為辦公用，夏季只是白天用空調，晚上不用。而一樓一般是商鋪等面積小經營時間長，不僅白天，而且晚上也要經營要用空調，就很適合使用這套水蓄冷空調系統，因此只需在一樓設置二級水泵即可，其它樓層不用設置，略為加大膨脹水箱，增加造價非常小，日后節能效果非常明顯。

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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（1986.1-），男，工程碩士，助理實驗師，E-mail：lindaquang@163.com

2017-3-27