地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在圖書館建筑中的節(jié)能運用

摘 要：隨著社會的發(fā)展，人口數(shù)量持續(xù)增加，導(dǎo)致對能源的需求呈現(xiàn)出與日劇增的趨勢，能源問題得到了人們的廣泛關(guān)注。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)是經(jīng)濟效益和環(huán)保效益的結(jié)合體，對促進節(jié)能減排，防止環(huán)境污染具有重要作用，具有良好的發(fā)展前景和廣闊的發(fā)展空間。

關(guān)鍵詞：地源熱泵；圖書館；節(jié)能

我國當(dāng)前的大多數(shù)中央空調(diào)主要采用煤和油等化石能源進行供應(yīng)，環(huán)保性較差，不利于環(huán)境保護，無法促進能源的可持續(xù)發(fā)展。而地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)利用了地下土壤巨大的蓄熱蓄冷能力，冬季地源把熱量從地下土壤中轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，夏季再把地下的冷量轉(zhuǎn)移到建筑物內(nèi)，一個年度形成一個冷熱循環(huán)，具有穩(wěn)定性強、壽命長和舒適度高等特點。

湖北省圖書館新館作為湖北省“十一五”期間文化建設(shè)的重點工程，中央空調(diào)冷熱源系統(tǒng)采用地源熱泵與冰蓄冷系統(tǒng)相結(jié)合的方式，空氣處理系統(tǒng)采用大溫差低溫送風(fēng)系統(tǒng)，空調(diào)水系統(tǒng)采用大溫差變流量系統(tǒng)，計算機房、特藏書庫等采用獨立恒溫恒濕機組，該系統(tǒng)和常規(guī)的空調(diào)系統(tǒng)相比大約節(jié)能30%。

一、地源熱泵空調(diào)前期準備之樁埋管系統(tǒng)

樁埋管是地源熱泵一種新的埋管方式，樁埋管換熱器將地源熱泵系統(tǒng)地埋管換熱器的PE管安裝在建筑物混凝土樁基中，使其與建筑結(jié)構(gòu)相結(jié)合，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的地埋管換熱器，樁埋管地?zé)釗Q熱器中的灌注樁相當(dāng)于豎直埋管換熱系統(tǒng)中的鉆孔回填材料。由于樁埋管的回填材料完全是混凝土，混凝土的導(dǎo)熱性能相比于其他材料較好，并且埋管與樁、樁與土壤接觸緊密，減少了熱阻，強化了循環(huán)介質(zhì)與土壤之間傳熱，使得它的換熱效果比起其他回填材料要好。而且樁與樁之間距離較大，換熱管的相互影響較小，地下?lián)Q熱器的換熱工況更為穩(wěn)定。

湖北省圖書館新館地埋管系統(tǒng)以雙U型垂直管為主，輔以工程樁埋管形式。地下側(cè)埋管鉆孔間距為5m×5m，孔徑Φ150，有效利用深度為90m，共鉆孔996個；工程樁內(nèi)埋管208根（104對），有效深度為19m，夏季排熱量為6123kW，冬季吸熱量為3680kW。地埋管采用二級集水器單井的分塊連接方式，能最大限度地減少地埋管的接頭數(shù)量和熱熔連接操作次數(shù)，提高地埋管地下?lián)Q熱系統(tǒng)的可靠性。

為保持地下埋管換熱器冬夏熱平衡，本系統(tǒng)同時配置2臺閉式冷卻塔，單臺散熱量為2050kW。在白天主機以制冷工況運行時，地源熱泵系統(tǒng)能基本滿足制冷主機的換熱要求，無需開啟冷卻塔，在夜間主機蓄冰時，冷卻塔才投入運行。這種運行模式不僅能減少冷卻塔的噪聲與振動對環(huán)境的干擾，而且能充分利用夜間相對較低的環(huán)境溫度，提高冷卻系統(tǒng)的效率。湖北省圖書館新館空調(diào)冷卻塔設(shè)置在主體建筑室外東側(cè)的綠化帶區(qū)域，隱藏于竹林中，可減少在日間運行時噪聲對周圍環(huán)境的干擾；其風(fēng)機采用變頻控制，在充分利用冷卻塔的散熱面積，提高換熱效率的同時也降低了噪聲。

二、地源熱泵空調(diào)中期設(shè)備安裝之復(fù)合式系統(tǒng)

湖北省圖書館新館空調(diào)系統(tǒng)配備有四臺國際品牌的三工況制冷機組、一臺熱回收主機、九臺美國最新技術(shù)的蓄冰盤管、二十七臺德國威樂水泵和四臺板式換熱器。根據(jù)建筑物空調(diào)負荷特點和場地條件，采用了制冷主機、冰蓄冷、低溫送風(fēng)相結(jié)合的復(fù)合式地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)。

用冰蓄冷系統(tǒng)配合三工況地源熱泵機組。與常規(guī)空調(diào)相比，冰蓄冷系統(tǒng)只需增加一個蓄冷裝置，在夜間用電低谷期使用電制冷機制冷，將制得冷量以冰的形式儲存起來；在白天電價高峰期將冰融化釋放冷量，用以滿足供冷需求。湖北省圖書館新館空調(diào)冰蓄冷系統(tǒng)的蓄冰能力按35%設(shè)計，主要作用是“移峰填谷”，既可以減少裝機容量和節(jié)省運行費用，又具有明顯的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢。

為冰蓄冷輔以低溫送風(fēng)系統(tǒng)。冰蓄冷系統(tǒng)雖然實現(xiàn)了用電負荷與空調(diào)負荷的“移峰填谷”，但同時增加了用戶冷源系統(tǒng)的工程造價，為緩解這一矛盾，美國能源部于1983年提出了“低溫送風(fēng)能夠進一步發(fā)揮冰蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)勢，在初期投資上可以和非冰蓄冷系統(tǒng)相競爭”的觀點。實踐表明，將低溫送風(fēng)和冰蓄冷相結(jié)合，可進一步減少空調(diào)系統(tǒng)的運行費用，降低一次性投資，提高空調(diào)品質(zhì)，改善儲冷空調(diào)系統(tǒng)的整體效能，對于高溫高濕的武漢地區(qū)有著明顯效果。湖北省圖書館新館空調(diào)低溫送風(fēng)系統(tǒng)，在施工上減少了風(fēng)管尺寸，提高了吊頂高度，不僅節(jié)省了設(shè)備用房面積，而且減少了空氣處理機組的風(fēng)量，從而更有效控制空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)的噪聲，進而為圖書館提供更為安靜的閱覽空間。

三、地源熱泵空調(diào)后期調(diào)試運行之節(jié)能控制系統(tǒng)

在沒有使用具備負載隨動調(diào)節(jié)特性的空調(diào)控制系統(tǒng)中，無論季節(jié)、晝夜和用戶負荷的變化，各電機都長期固定在工頻狀態(tài)下全速運行，其用能的浪費是顯而易見的。而采用變頻調(diào)速技術(shù)后，提高了系統(tǒng)自動化控制水平，使空調(diào)系統(tǒng)達到更加理想的工作狀態(tài)，體現(xiàn)出巨大的性能優(yōu)越性和經(jīng)濟性。

湖北省圖書館新館空調(diào)變頻節(jié)能系統(tǒng)采用模糊控制理論，在不影響空調(diào)舒適感要求并確保空調(diào)末端服務(wù)質(zhì)量的前提下，根據(jù)對空調(diào)系統(tǒng)負荷變化的跟蹤，系統(tǒng)全變頻自動調(diào)節(jié)各水泵的轉(zhuǎn)速，并動態(tài)修正系統(tǒng)的運行參數(shù)，對空調(diào)水系統(tǒng)進行優(yōu)化，從而達到制冷主機節(jié)約能源，空調(diào)循環(huán)水泵、乙二醇循環(huán)水泵、地源水循環(huán)泵、冷卻塔風(fēng)機節(jié)約電能（與工頻運行狀態(tài)進行比較）的效果。

除了空調(diào)設(shè)備的節(jié)能控制，湖北省圖書館新館還設(shè)計了樓宇自控系統(tǒng)，對整個圖書館智能建筑的所有公用機電設(shè)備，包括建筑的中央空調(diào)系統(tǒng)、給排水系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電梯系統(tǒng)，進行集中監(jiān)測和遠程控制，以提高建筑的管理水平，降低設(shè)備故障率，減少維護及營運成本。

綜上所述，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在大型公共建筑供熱制冷節(jié)能環(huán)保系統(tǒng)的應(yīng)用中，具有良好的實踐效果，在節(jié)約能源、保護環(huán)境、提升經(jīng)濟效益等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。隨著能源應(yīng)用結(jié)構(gòu)的改革，類似地源熱泵這種清潔的可再生能源應(yīng)用將會成為未來發(fā)展的主流。

參考文獻

[1]史先斌.《淺析地源熱泵中央空調(diào)節(jié)能控制系統(tǒng)》，建筑節(jié)能，

[2]高鑫.《地埋管地源熱泵系統(tǒng)施工工藝初探》，山西建筑。

作者簡介

王輝（1979.05--），性別：男；學(xué)歷：本科；現(xiàn)有職稱：館員；研究方向：圖書館建筑。

（作者單位：湖北省圖書館）