世博軸江水源+地源熱泵復(fù)合中央空調(diào)系統(tǒng)

韓敏霞 董瑞芬

摘要：世博軸工程采用了多項環(huán)保、節(jié)能新技術(shù)，江水源+地源熱泵的復(fù)合式中央空調(diào)系統(tǒng)很好的響應(yīng)了世博會“節(jié)能，環(huán)保，生態(tài)”的要求。本文對應(yīng)用于世博軸的江水源熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。

關(guān)鍵詞：世博軸 江水源熱泵系統(tǒng) 地源熱泵系統(tǒng) 自動控制系統(tǒng)

中圖分類號：TU831.3+5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)文化的不斷發(fā)展，世博會的開展也是如火如荼。而世博會的開展需要依托一定的建筑物和相關(guān)的系統(tǒng)才能正常運行。上海世博會中最大的單體建筑就是世博軸，世博軸的重要性是不可言喻的，世博會的各個展館和公共場合都與其息息相關(guān)，密不可分。而世博軸的江水源熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)的綜合應(yīng)用，充分體現(xiàn)出了世博會的節(jié)能、環(huán)保以及生態(tài)等方面的特征。所以我們很有必要對世博軸的江水源熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行研究。

一、工程概況

1、建筑概況

世博軸是上海世博會最大的單體建筑，南起耀華路，北至黃浦江臨江平臺，是聯(lián)系各軌道交通、磁懸浮車站的主要通道，與中國館、聯(lián)合展館、演藝中心、公共活動中心合成為世博軸園區(qū)內(nèi)核心部位的一軸四館，是世博會入園主要通道，并集交通集散、商業(yè)旅游等功能于一體。世博軸南北長約1000m，東西寬80-110m，地下地上各二層，建筑膜頂高度約22m，基地面積約130000m2，總建筑面積約248000m2，建筑采用南北貫通的玻璃頂棚和中間通向地下室的玻璃陽光谷，以環(huán)保、節(jié)能的理念為世博人流提供了舒適的入園環(huán)境，又以輕盈、挺直的新型結(jié)構(gòu)形象成為世博園區(qū)內(nèi)的一大標(biāo)志性建筑。

2、空調(diào)系統(tǒng)概況

世博軸采用江水源+地源熱泵的復(fù)合式冷熱源中央空調(diào)系統(tǒng)，利用江水和土壤作為熱泵系統(tǒng)的熱源或熱匯。江水源系統(tǒng)采用直接式系統(tǒng)，通過抽取黃浦江江水與熱泵機(jī)組和離心冷水機(jī)組進(jìn)行換熱，江水源系統(tǒng)機(jī)房位于世博軸地下二層最北端，配置5臺螺桿式熱泵機(jī)組和3臺離心式冷水機(jī)組；地源熱泵系統(tǒng)通過與埋設(shè)在基礎(chǔ)下灌注樁內(nèi)的換熱管與熱泵機(jī)組進(jìn)行換熱，沿南北方向布置3個地源熱泵機(jī)房，其中北、中區(qū)機(jī)房配置三臺地源熱泵機(jī)組，南區(qū)配置四臺地源熱泵機(jī)組。

江水源機(jī)組、地源熱泵機(jī)組及其配套水泵多臺組合，大小搭配，既滿足設(shè)計負(fù)荷需求，又在部分負(fù)荷時節(jié)能運行。需要制訂一套完備的系統(tǒng)運行策略，以保證整個系統(tǒng)安全、高效的運行，自控系統(tǒng)在本項目中的地位也是舉足輕重的。

二、江水源熱泵系統(tǒng)

世博軸江水源系統(tǒng)是以黃浦江江水為冷熱源的熱泵系統(tǒng)，夏季時它將建筑物中的熱量轉(zhuǎn)移到江水中，由于江水溫度比用冷卻塔所得的冷卻水溫度低，所以效率較高；冬季時它從水源中提取熱量，由于江水水溫比環(huán)境溫度高，效率也比風(fēng)冷熱泵機(jī)組高。世博軸北端距黃浦江邊150米，具備利用江水資源的優(yōu)越條件。

1、取水量和取水口

江水源熱泵機(jī)房位于世博軸地下二層最北端，以減小江水輸送距離，設(shè)置一個機(jī)房，配置5臺螺桿式熱泵機(jī)組和3臺離心式冷水機(jī)組。根據(jù)世博會會中和會后江水源系統(tǒng)承擔(dān)的空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷計算，江水的取水量分別約為2700m3/h和3500m3/h。世博軸建筑是一個永久性建筑，因此取水水量及取水泵房規(guī)模等應(yīng)按會后長期使用的要求進(jìn)行設(shè)置。再者設(shè)計階段的會后空調(diào)負(fù)荷是依據(jù)商業(yè)策劃平面計算得出的，而會后商業(yè)面積還有可能增加，所以需要根據(jù)可能增加的商業(yè)建筑面積的最大值來計算，將增加江水取水量約2000m3/h，考慮一定的安全系數(shù)后提出江水最大取用量為6000 m3/h，取水口位于退水口上游約200m處。

2、污垢處理

經(jīng)調(diào)研分析，取水口的水質(zhì)在大部分時段內(nèi)能滿足系統(tǒng)要求，但懸浮物和濁度指標(biāo)較難保證，因此，采取了以下措施：在進(jìn)水管路上設(shè)除污格網(wǎng)井；在江水泵的出水管上設(shè)置自動反沖洗過濾器；接觸江水的熱泵機(jī)組蒸發(fā)器和冷凝器以及冷水機(jī)組的冷凝器均采用抗腐蝕的銅鎳合金換熱管，熱泵機(jī)組換熱管采用光管，采用膠球進(jìn)行清洗，冷水機(jī)組采用高效管，采用管刷進(jìn)行清洗。另外，系統(tǒng)還設(shè)置全自動控制在線檢測加藥裝置，在系統(tǒng)停運時，對機(jī)房內(nèi)江水側(cè)水路系統(tǒng)進(jìn)行閉式循環(huán)處理，污水由下水道排出。

江水源側(cè)循環(huán)泵主要采用一次泵系統(tǒng)，水泵變頻調(diào)速，既保證江水供回水總管的資用壓力和水量要求，又達(dá)到節(jié)能效果。江水源用戶側(cè)循環(huán)泵采用二次泵變流量系統(tǒng)，分北區(qū)、中區(qū)、南區(qū)三套二級泵變頻水系統(tǒng)，用戶側(cè)一次泵為定流量系統(tǒng)，與熱泵機(jī)組和冷水機(jī)組對應(yīng)開啟。

三、地源熱泵系統(tǒng)

地源熱泵系統(tǒng)是利用熱泵機(jī)組在土壤中蓄存或提取熱量，制取冷熱水為空調(diào)服務(wù)的系統(tǒng)。地表淺層土壤溫度呈三層分布，地表凍土層附近土壤溫度受室外大氣影響，溫度全年波動大；凍土層以下有一恒溫層，溫度全年基本不變；恒溫層下到地殼深處有一定的正溫度梯度，土壤溫度隨深度緩慢上升。上海地區(qū)凍土層較淺，5m以上土壤溫度受室外氣象影響而波動；5m以下到35m處土壤溫度基本恒定，接近全年平均氣溫（15.7℃）；35m以下土壤溫度以5℃/100m的溫度梯度上升，地下100m土壤溫度約為19℃。世博軸基地寬闊，作為一棟多層建筑，單位基地面積空調(diào)負(fù)荷密度不大，十分適宜利用淺層地溫資源。地源熱泵系統(tǒng)主要包括地埋管設(shè)計和地埋管聯(lián)絡(luò)兩個方面，具體表現(xiàn)在：

1、地埋管設(shè)計

世博軸共有工程樁和格構(gòu)樁6000個左右，樁直徑為Φ600~Φ800，樁長25m和40（42）m兩種，樁間距為3.89~5.5m，除樁位密集處部分樁不利用外，其余所有工程樁全部埋設(shè)W型換熱管。本工程共埋設(shè)5500多跟換熱管，根據(jù)熱響應(yīng)測試報告提供的換熱量數(shù)據(jù)（排熱量約83W/米埋深、取熱量約62W/米埋深）計算，可提供的夏季工況換熱量約為10500kW；冬季工況換熱量約7900kW。

地埋管散熱器管道采用高密度聚乙烯管（HDPE100），其公稱外徑為25mm，壁厚2.3mm，公稱壓力為1.6MPa。

2、地埋管聯(lián)絡(luò)

埋管換熱器分散穿越底板，穿出底板后的水平管道敷設(shè)于底板上的建筑面層內(nèi)，進(jìn)出水管分別接至位于地下二層?xùn)|西兩側(cè)的分、集水器，管路同程布置；在分、集水器的每一路支管上均設(shè)有球閥，便于檢查壞管并予以隔離；系統(tǒng)各集水器接出管上均設(shè)置平衡閥，以均勻流量分配。

四、自動控制系統(tǒng)

世博軸自控系統(tǒng)通過采用新型的控制技術(shù)、合理的邏輯程序、不同策略的組合等技術(shù)手段，通過集中的把江水源內(nèi)熱泵機(jī)組、冷水機(jī)組、一次水泵、二次水泵、取水泵，以及地源熱泵系統(tǒng)中的熱泵機(jī)組和循環(huán)泵等設(shè)備連接成一個有機(jī)整體，實現(xiàn)有機(jī)聯(lián)動，達(dá)到了節(jié)能效果，對世博軸綜合體工程空調(diào)系統(tǒng)的合理、節(jié)能的運行提供了良好的技術(shù)手段。針對世博軸四個機(jī)房的控制要求和地理分布情況，我們對整個系統(tǒng)工程規(guī)劃為1個主站，4個機(jī)房設(shè)置4個子站。

主站：負(fù)責(zé)4個機(jī)房控制系統(tǒng)的設(shè)備控制和數(shù)據(jù)共享。可以對子站進(jìn)行設(shè)備管理和數(shù)據(jù)存儲。主站具有最高的管理權(quán)限。

子站：負(fù)責(zé)本機(jī)房設(shè)備的管理和數(shù)據(jù)存儲。

結(jié)束語

綜上所述，江水源熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)在世博軸中得到了很好的應(yīng)用和發(fā)展，很好的踐行了世博會低碳、環(huán)保、節(jié)能三大理念，為世博會的人流提供了舒適的入園環(huán)境。本文通過對江水源熱泵系統(tǒng)、地源熱泵系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)的介紹和應(yīng)用，很好的闡述了江水源+地源熱泵的復(fù)合式中央空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)勢與特點，更好地促進(jìn)了三大系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展。

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