地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在圖書館建筑中的節(jié)能運(yùn)用

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，人口數(shù)量持續(xù)增加，導(dǎo)致對(duì)能源的需求呈現(xiàn)出與日劇增的趨勢(shì)，能源問(wèn)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(jì)效益和環(huán)保效益的結(jié)合體，對(duì)促進(jìn)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(guó)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(jìn)行供應(yīng)，環(huán)保性較差，不利于環(huán)境保護(hù)，無(wú)法促進(jìn)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(gè)年度形成一個(gè)冷熱循環(huán)，具有穩(wěn)定性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)和舒適度高等特點(diǎn)。

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(diǎn)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(jì)算機(jī)房、特藏書庫(kù)等采用獨(dú)立恒溫恒濕機(jī)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(zhǔn)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(qiáng)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(gè)；工程樁內(nèi)埋管208根（104對(duì)），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(jí)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(shí)配置2臺(tái)閉式冷卻塔，單臺(tái)散熱量為2050kW。在白天主機(jī)以制冷工況運(yùn)行時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)能基本滿足制冷主機(jī)的換熱要求，無(wú)需開(kāi)啟冷卻塔，在夜間主機(jī)蓄冰時(shí)，冷卻塔才投入運(yùn)行。這種運(yùn)行模式不僅能減少冷卻塔的噪聲與振動(dòng)對(duì)環(huán)境的干擾，而且能充分利用夜間相對(duì)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(yùn)行時(shí)噪聲對(duì)周圍環(huán)境的干擾；其風(fēng)機(jī)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(shí)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(tái)國(guó)際品牌的三工況制冷機(jī)組、一臺(tái)熱回收主機(jī)、九臺(tái)美國(guó)最新技術(shù)的蓄冰盤管、二十七臺(tái)德國(guó)威樂(lè)水泵和四臺(tái)板式換熱器。根據(jù)建筑物空調(diào)負(fù)荷特點(diǎn)和場(chǎng)地條件，采用了制冷主機(jī)、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(jī)組。與常規(guī)空調(diào)相比，冰蓄冷系統(tǒng)只需增加一個(gè)蓄冷裝置，在夜間用電低谷期使用電制冷機(jī)制冷，將制得冷量以冰的形式儲(chǔ)存起來(lái)；在白天電價(jià)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(jì)，主要作用是“移峰填谷”，既可以減少裝機(jī)容量和節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，又具有明顯的節(jié)能環(huán)保優(yōu)勢(shì)。

為冰蓄冷輔以低溫送風(fēng)系統(tǒng)。冰蓄冷系統(tǒng)雖然實(shí)現(xiàn)了用電負(fù)荷與空調(diào)負(fù)荷的“移峰填谷”，但同時(shí)增加了用戶冷源系統(tǒng)的工程造價(jià)，為緩解這一矛盾，美國(guó)能源部于1983年提出了“低溫送風(fēng)能夠進(jìn)一步發(fā)揮冰蓄冷系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，在初期投資上可以和非冰蓄冷系統(tǒng)相競(jìng)爭(zhēng)”的觀點(diǎn)。實(shí)踐表明，將低溫送風(fēng)和冰蓄冷相結(jié)合，可進(jìn)一步減少空調(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，降低一次性投資，提高空調(diào)品質(zhì)，改善儲(chǔ)冷空調(diào)系統(tǒng)的整體效能，對(duì)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(jī)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(jìn)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(yùn)行之節(jié)能控制系統(tǒng)

在沒(méi)有使用具備負(fù)載隨動(dòng)調(diào)節(jié)特性的空調(diào)控制系統(tǒng)中，無(wú)論季節(jié)、晝夜和用戶負(fù)荷的變化，各電機(jī)都長(zhǎng)期固定在工頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，其用能的浪費(fèi)是顯而易見(jiàn)的。而采用變頻調(diào)速技術(shù)后，提高了系統(tǒng)自動(dòng)化控制水平，使空調(diào)系統(tǒng)達(dá)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(jì)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(duì)空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷變化的跟蹤，系統(tǒng)全變頻自動(dòng)調(diào)節(jié)各水泵的轉(zhuǎn)速，并動(dòng)態(tài)修正系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到制冷主機(jī)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(jī)節(jié)約電能（與工頻運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(jì)了樓宇自控系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)圖書館智能建筑的所有公用機(jī)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(jìn)行集中監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)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(hù)及營(yíng)運(yùn)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(shí)踐效果，在節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、提升經(jīng)濟(jì)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(huì)成為未來(lái)發(fā)展的主流。

參考文獻(xiàn)

[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(jiǎn)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）