蘇州市某高職院校圖書館空調系統設計方案比較研究

湯添鈞，沈巧明，吳悠洋，薛冬杰

（1蘇州經貿職業技術學院，江蘇蘇州 215009；2艾默生環境優化技術（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

我國公用建筑中，空調能耗占建筑總能耗的比例逐步增大[1]。圖書館作為公共建筑中的代表，空調系統設計不僅決定了其舒適程度，還直接影響到這個建筑能耗的高低。在高校圖書館設計中考慮能耗因素，不僅有助于提高師生的節能意識，也有助于公用建筑節能減排工作在高校中的展開[2]。在空調設計中，末端形式、冷熱源的選擇是關鍵因素，蘇州位于夏熱冬冷地區，四季鮮明，需同時滿足夏季供冷與冬季供熱的設計要求。對于冷熱源形式的選擇，文獻[3]對比了嚴寒地區，冷水機組+燃氣鍋爐、冷水機組+市政熱網和水源熱泵機組三種不同冷熱源改造方案的經濟性和可行性，文獻[4]基于峰谷電價，考察了地源熱泵搭配電蓄熱、多聯機、冷水機組搭配鍋爐三種空調方案的經濟性。本文基于蘇州某高職院校圖書館空調設計項目，針對風冷式冷水機組+燃氣鍋爐與地源熱泵兩種不同的技術方案，采用蘇州地區典型日BIN參數法對方案進行經濟性分析，通過對運行費用的比較，最終確定技術方案。

1 工程概況

該圖書館位于蘇州市西南側的上方山附近，建于2006年，圖書館處于學校中心湖畔，是學校的標志性建筑。圖書館總建筑面積21812.56m2，地上建筑面積16562.56m2，地下建筑面積5250m2，其中空調面積9339.96m2。圖書館共有五層，總建筑高度23.4m，其中一至三層為文獻室、借閱室、自修室與報告廳，四層為計算機機房，五層為圖書館辦公室，圖書館二層平面圖見圖1。由于圖書館原空調系統損壞嚴重，無法正常使用，現為圖書館設計滿足其功能性、舒適性與節能性要求的空調系統，以確保師生正常的工作、學習要求。

圖1 圖書館二層平面圖

2 室內參數設計與負荷指標

2.1 設計參數

該項目設置集中空調系統，空調的室內外設計參數依據《公共建筑節能設計標準》[5]和《江蘇省公共建筑節能設計標準》來確定。蘇州地區的夏季空調室外計算干球溫度為34.6℃，濕球溫度為28.2℃；冬季空調室外計算干球溫度為-1.2℃，室外相對濕度為74%。圖書館各房間的具體設計參數見表1，各房間新風量按照人員數量確定。

表1 主要功能房間室內設計參數

2.2 負荷計算

用諧波法計算圖書館各房間的逐時冷負荷值，考慮到實際利用率情況，圖書館人員的時間指派設置如下：0∶00—8∶00為0；8∶00—12∶00為65%；12∶00—13∶00為55%；13∶00—17∶00為90%；17∶00—21∶00為70%。將各設計參數代入負荷計算軟件，得到了圖書館各房間的逐時負荷與總冷熱負荷。據計算，圖書館設計冷負荷為996.98kW，該冷負荷出現在夏季典型日的14∶00，冷負荷指標為106.75W/m2；采暖季熱負荷為525.84kW，熱負荷指標為56.3W/m2。以圖書館二層為例，各功能房間的負荷參數見表2。

表2 圖書館二層房間負荷指標

3 空調方案分析

3.1 空調系統末端形式選擇

在空調末端形式的選擇上，考慮到圖書館各房間的功能性以及防火分區情況，宜選擇風機盤管+新風與全空氣系統的形式?？照{水系統采用兩管制，節約建設成本。圖書館各層的借閱室屬于大空間區域，并且為獨立的防火分區。而自修室、報告廳以及休閑閱覽室建筑面積較小，使用時間較長，空調啟停頻次較高，可單獨作為一個分區。此外，從空調負荷情況分析，圖書館一至三層借閱室與四層計算機房總負荷為571.1kW，其余房間總負荷為425.88kW，將圖書館分為兩個區域分別供冷較為合理。

在空調末端系統設計中，將整個圖書館分為兩個區域，區域Ⅰ為一至三層的借閱室以及四層計算機房，區域Ⅰ采用一次回風全空氣系統，每層單獨設置一臺獨立的全空氣處理機組，負責該區域內的冷熱負荷。經計算，一層借閱室一次回風系統AHU-1的送風量為31528.9m3/h，其中新風量為3300m3/h，送風溫度為13.4℃，送風溫差12.6℃，換氣次數為3.9h-1。

區域Ⅱ為各層的自修室、休閑閱覽室、辦公室等空間較小但人員較密集的區域，區域Ⅱ采用風機盤管+新風的形式，室內機根據裝飾需要設置天花板內藏風管式。每層設置一臺新風機組，經新風機組處理后送至室內每個房間以滿足新風處理需求，該圖書館空調末端系統設計如圖2所示。

圖2 圖書館空調末端系統圖

3.2 冷熱源設計

圖書樓空調系統的冷熱源的選擇有兩套方案，方案一為兩臺風冷式冷水機組，單臺制冷量為520kW，制冷輸入功率為152kW，夏季滿負荷運行能效比（COP）為3.42。機組放置在圖書館四樓外屋頂。采用變流量一級泵系統[6]，水泵額定流量90m3/h，揚程29m，兩用一備，額定功率8.5kW，夏季的供回水溫度為7/12℃。水系統中設置分集水器，分別供區域Ⅰ與區域Ⅱ，冷源系統如圖3所示。在采暖季時，利用學校南區的燃氣鍋爐提供的85℃熱水，經過4塊板式換熱器后為空調末端提供熱量，換熱后的供回水溫度為60/55℃。

圖3 方案一冷源系統圖

圖4 方案二冷熱源系統圖

表3 制冷季能耗與費用對比

表4 采暖季能耗與費用對比

方案二選擇兩臺制冷量為520kW的螺桿式地源熱泵機組，單臺的制冷輸入功率為109.9kW，夏季滿負荷運行COP為4.73，供回水溫度為7/12℃；冬季制熱量為280kW，制熱輸入功率為96.2kW，冬季滿負荷運行COP為2.91，供回水溫度為45/40℃，機組安裝在圖書館地下一層的熱泵機房內，分別供給區域Ⅰ與區域Ⅱ的冷熱量。考慮到該項目周圍土質中巖石層較厚，地源熱泵地下換熱管不易采用深埋方式，建議采用單U型淺埋方式[7]，具體的埋管方案需要進行巖土導熱性測試后確定，該方案的冷熱源系統如圖4所示。

與方案一相比，方案二具有以下優點：①利用了校園的地熱資源，機組COP比風冷機組高。②冬季不需要燃氣鍋爐提供熱水，省去板換換熱過程。③冬季運行更加穩定，供回水溫度較低，管道熱損失小。但同時，方案二也有不足之處，如：地源熱泵的建設過程需安裝地埋管，使得初投資高；系統維護復雜，維修成本較高等。

4 冷熱源方案經濟性分析

為確定技術方案，利用經濟性分析比較方案特點。據統計，校園圖書館空調的制冷時間一般為5月27日至10月16日，扣除暑期后的實際運行時間約為1264h；采暖季一般為1月1日至3月21日，11月16日至12月31日，扣除寒假時間后的實際運行時間為1211h。利用蘇州地區典型日BIN參數，得到不同負荷率下的空調的運行時間，在回水溫度一定的前提下，計算出實際負荷下的供水溫度，并參考某型號機組在不同供水溫度下對應的COP值，從而得到兩套方案在不同負荷率下的理論用電量，表3為制冷季兩方案能耗與費用對比。

從表3可以看出，在整個制冷季，圖書館負荷率主要集中在30%～50%，約有620h，該階段的風冷冷水機組平均COP與地源熱泵機組的平均COP分別為3.06與3.89；地源熱泵的最大COP接近4.65，而風冷冷水機組的最高COP僅為3.36，可見地源熱泵的COP比風冷機組高。比較二者運行費用可知，制冷季方案二的用電量較方案一減少44650.76kWh，平均電費取0.5383元/kWh，方案二可節省電費2.4萬元。

在采暖工況下，方案一的熱源為燃氣鍋爐+板換，燃氣鍋爐效率取0.9，板換效率取0.9，燃氣熱值取9000kcal/m3，同樣利用蘇州地區典型日BIN參數法，計算出兩種方案的能耗與運行費用情況，如表4所示。

從表4可以看出，在采暖工況下，圖書館負荷率主要集中在40%～70%，此時地源熱泵的平均COP為2.69，方案二采暖季消耗電能132976.18kWh，電費為7.16萬元。方案一燃氣鍋爐消耗天然氣42365.97 m3，天然氣價格取2.48元/m3，則采暖季費用共計10.51萬元，方案二較方案一節省費用3.35萬元。

表5為兩方案單位空調面積運行費用，方案一的單位面積的運行費用為24.05元/m2，方案二的運行費用為19.46元/m2。從運行費用角度看，方案二的運行費用更低。但考慮到地源熱泵較高的初投資，需要較長時間才能收回比方案一多投入的資金。因此，在初投資資金充裕，運行管理制度完善，后勤保障經費充足的條件下，可以選擇地源熱泵的熱源形式。

表5 單位空調面積運行費用對比

5 結論

圖書館作為公共建筑的代表，不僅是學校的標志性建筑，也是師生學習的重要場所。圖書館空調系統為師生的學習工作提供舒適的環境，起到了至關重要的作用，同時也直接影響了整棟建筑的能耗。基于蘇州市某院校的空調系統設計與方案選擇，可以得出以下結論：

（1）根據圖書館防火分區與房間功能特點，將圖書館劃分為區域Ⅰ與區域Ⅱ，大空間區域Ⅰ采用一次回風全空氣系統；空間較小、人員密集且啟停頻繁的區域Ⅱ采用風機盤管+新風的空調形式。

（2）圖書館冷熱源形式可以選擇風冷式冷水機組+燃氣鍋爐或地源熱泵的形式，運用BIN參數方法測算出前者的年運行費用為22.46萬元，地源熱泵的年運行費用為18.18萬元，地源熱泵的年運行成本比冷水機組+燃氣鍋爐少4.28萬元。

（3）冷水機組+燃氣鍋爐的單位面積的運行費用為24.05元/m2，地源熱泵的單位面積的運行費用為19.46元/m2。在初投資資金充足，運行管理制度完善，后勤保障經費充足的條件下，宜選擇地源熱泵的冷熱源形式，有利于降低建筑能耗。