滁州市某圖書館地源熱泵空調設計

唐志華

上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司

1 項目概況

該工程位于安徽省滁州市，屬于夏熱冬冷地區，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、報告廳、基藏書庫、古籍典藏室、自習室、辦公室等。B館地下一層，主要功能為地下汽車庫（戰時為人防工程）、制冷機房等設備用房，地上四層，主要功能為兒童閱覽室、文化藝術中心、辦公室、咖啡廳等，建筑面積約11001.59m2。該圖書館設計藏書量約48萬冊，讀者座位約1000個，日接待讀者能力2000人次。

圖1 圖書館外觀效果圖

2 空調系統形式

該工程是集閱覽、辦公、文化藝術中心為一體的綜合圖書館，各區域空調系統的運行時間有所區別。其中，閱覽區、文化藝術區的空調系統根據圖書館的開放時間確定運行時間。而辦公區域（包括夜間開放的自習室等）在開館時間之外、甚至周末仍然有空調使用的需求。為方便工作人員能夠隨時獨立、靈活地運行和使用空調系統，應根據不同區域設置不同的空調系統形式。對于辦公區域，采用多聯機空調系統，配置獨立的新風系統。網絡機房等區域需要一天24 h連續運行，故設置獨立的空調系統，并考慮一定的空調容量冗余。消防控制室、值班室等也需要一天24 h連續運行，均預留分體空調。而對于閱覽室、報告廳等其他區域，則采用地源熱泵空調系統，本文重點介紹地源熱泵空調系統設計。

3 空調負荷計算

3.1 空調室內、外設計參數

根據《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB50736-2012）、《圖書館建筑設計規范》（JGJ 38-2015），確定室內外設計參數[1]，如表1、表2。由HDY-SMAD 4.0負荷計算軟件，可以導出滁州地區逐時干球溫度和日平均干球溫度，如圖2、圖3所示。

表1 室外設計參數

表2 室內設計參數

圖2 滁州地區逐時干球溫度

圖3 滁州地區日平均干球溫度

3.2 空調系統運行時間

圖書館各功能房間的開放時間，如表3所示。針對不同的房間功能特性，參照《公共建筑節能設計標準》（GB50189-2015）附錄B中表B.0.4-1～表B.0.4-10的要求，對建筑的空調系統運行時間，室內溫度，照明功率密度值及開關時間，房間人均占有的使用面積及在室率，人員新風量及新風機組運行時間表，電氣設備功率密度及使用率等參數進行分項設置，以兒童閱覽室，文化藝術中心的人員逐時在室率為例，則如圖4、圖5所示。

表3 圖書館各閱覽室開放時間

圖4 兒童閱覽室人員逐時在室率

圖5 文化藝術中心人員逐時在室率

3.3 全年動態空調負荷計算

利用HDY-SMAD 4.0空調負荷計算軟件，對該工程進行全年8760 h動態空調負荷模擬計算。A館、B館的空調全年動態逐時負荷曲線見圖6、圖7，分系統的空調最大冷負荷、熱負荷見表4。由全年動態空調負荷計算可知，建筑中出現空調滿負荷的比例極低，大部分時間內，空調系統負荷低于最大負荷的50%，因此在配置空調冷熱源時，需充分考慮冷熱負荷的全年分布狀況和全年冷熱不平衡問題。

表4 圖書館分系統的空調負荷

圖6 A館全年8760 h動態空調負荷曲線圖

圖7 B館全年8760 h動態空調負荷曲線圖

4 地源熱泵空調系統設計

4.1 地源熱泵主機選型

根據負荷計算結果可知，由地源熱泵空調主機承擔的空調總冷負荷為2655 kW，總熱負荷為1735 kW。該工程制冷機房設置在B館地下一層，共選用3臺制冷量/制熱量為975 kW/954.3 kW的螺桿式地源熱泵冷熱水機組，夏季空調供回水溫度6/12℃，冬季空調供回水溫度45/40℃，冷卻水系統采用垂直地埋管土壤換熱系統。由于該工程夏季/冬季空調負荷差別較大，考慮到土壤熱平衡的問題，設置了冷卻塔輔助冷卻系統，以排除夏季冷卻水中多余的熱量，地源熱泵空調系統原理圖如圖8所示。

圖8 地源熱泵空調系統原理圖

4.2 冷凍水系統設計

空調冷凍水系統采用閉式循環兩管制變流量一級泵系統（空調主機定流量運行，末端變流量），可根據末端負荷自動調節空調主機開啟臺數。供、回水總管間設壓差旁通閥組，可根據供、回水總管間的壓差變化自動調節進入末端系統的水量。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冷熱量計量裝置，以便于分別計量A館和B館的空調系統用能情況。空調機組、新風機組的水系統采用兩管制同程式，空調機組、新風機組的回水管上均設置動態平衡電動調節閥。水系統的定壓均采用定壓補水真空脫氣機組。

4.3 冷卻水系統設計

空調冷卻水系統采用地埋管換熱系統為主，冷卻塔散熱為輔。地埋管側、冷卻塔側單獨設置水泵，均采用變頻控制，可根據建筑負荷變化進行流量調節，以節省運行電耗。地埋管側、冷卻塔側均設冷熱量計量裝置，以監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冷卻水系統間接連接，以方便冷卻水系統單獨定壓。同時，將地埋管側、冷卻塔側水系統分隔開，也能防止開式冷卻水系統影響地埋管換熱管內的水質。

4.3.1 巖土熱響應試驗

業主委托第三方專業公司對項目區域進行地質勘察，并進行了巖土熱響應試驗。根據巖土熱響應測試報告，場地土層自上而下分為：（1）0m～-10m，泥土層，黃色。（2）-10m～-105m，細沙層+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 土壤換熱系統設計

垂直埋管深度較深，土壤溫度相對恒定，取（散）熱能力較強，通常是淺層土壤埋管方式的5倍以上[2，3]。文獻[4]用軟件模擬運行10年的情況，得到地埋管換熱器的年換熱效率曲線和整個系統的用電量。隨著鉆孔深度的減小，換熱效率降低，同時占地面積增加，在相同的流速下流量加大，管路接頭也較多，導致環路總阻力增大，水泵耗電量顯著升高。鉆孔深度并不是越大越好，60m以內孔深時鉆機成本小，初投資低。80m以內孔深時，可用普通型承壓塑料管，當地質情況較為有利時，應采用較大的鉆孔深度以降低運行費用[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。根據相關規范[5]，并結合區域內相關項目經驗，設計埋管間距為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。根據負荷計算結果，以冬季熱負荷作為地埋管換熱系統的設計計算依據，夏季多余的釋熱量通過冷卻塔進行輔助冷卻，以滿足夏季空調及土壤熱平衡要求。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取0.9，同時考慮一定的安全裕量，可計算得出，該工程設計地埋管打井數量為360口，地埋管換熱系統所需占地面積約為9000m2。

圖9 地埋管管道平面布置圖

制冷機房內設地源側總分集水器，室外設5套二級分、集水器（設檢查井），每套連接72個孔。每9個孔采用同程式連接，水平橫管埋管于地下2.0m以下，二級分、集水器的主管通過水平埋管接至地下室制冷機房。地埋管換熱系統工作溫度如下：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

該工程以冬季熱負荷作為地埋管的設計依據，夏季散熱不足的部分通過冷卻塔進行輔助冷卻，同時也應滿足土壤的熱平衡要求。設計選用開式機械循環的超低噪聲橫流冷卻塔，設置在B館屋面，冷卻塔采用變頻風機，冷卻水供/回水溫度為32/37℃。

4.4 空調風系統設計

大廳、無障礙閱覽區、多功能廳、綜合借閱室等大空間區域均采用全空氣定風量空調系統，空調機組均采用變頻調速風機，可與排風機配合，在過渡季節可實現50%風量全新風運行。對于討論室等小房間，均采用風機盤管加新風系統。在大廳上空，還設置了排風系統，平時空調季節或過渡季節開啟對應的風機排風，以保持空調區內的風量平衡。

5 運行與控制策略

地源熱泵系統作為一種節能環保的空調形式，其應用越來越廣泛。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，但仍需要以較為合理的運行與控制策略作為保障，這其中的關鍵在于冷卻塔的運行策略。一些研究者通過模擬的方法比較了冷卻塔的五種基本運行策略[6]：

1）當熱泵機組的進口水溫超過某一設定值時，開啟冷卻塔輔助冷卻。

2）當熱泵機組的進口水溫與室外干球溫度的差值大于設定值時，開啟冷卻塔。

3）當熱泵機組的進口水溫與室外濕球溫度的差值大于設定值時，開啟冷卻塔。

4）在過渡季非空調時段，熱泵機組停運，利用冷卻塔來降低土壤溫度。

5）冷卻塔定時運行，根據建筑物內部的負荷情況設定開啟冷卻塔的時間段。

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

6 設計總結

本文結合工程實踐，從空調系統形式選擇、空調負荷計算、熱泵主機選型、冷凍水系統、冷卻水系統、空調風系統等幾個方面，簡要介紹了地源熱泵空調系統設計。根據圖書館的開放時間、不同功能房間的人員逐時在室率等條件，對圖書館進行了全年8760 h動態空調負荷計算，并分析了圖書館空調負荷的特點。介紹了地埋管土壤換熱系統的設計，主要應從鉆井深度、埋管間距、地埋管換熱量計算等幾方面考慮，并設置了冷卻塔輔助冷卻系統，以排除熱泵機組夏季多余的熱量，并保持土壤中的熱平衡。推薦了適合該工程的冷卻塔運行策略，即：當熱泵機組的進口水溫超過某一設定值（建議初始的溫度設定值取32℃）時，開啟冷卻塔進行輔助冷卻，并通過分析冷熱量計量裝置記錄的往年累積在土壤中的散熱量（或取熱量）數據，逐年調整此溫度設定值。

[1] 中國建筑科學研究院.民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范(GB 50736-2012)[S].北京:中國建筑工業出版社,2012

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

[3] 李娟,寇秀培,趙建成.垂直埋管式地源熱泵的實例應用及經濟性分析[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的優化研究[J].建筑熱能通風空調,2008,(4):53-55

[5] 中國建筑設計研究院.地源熱泵系統工程技術規范 (2009年版)(GB 50366-2005)[S].北京:中國建筑工業出版社,2005

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