水蓄冷空调在高校图书馆的节能应用

林大权 郝华杰



水蓄冷空调在高校图书馆的节能应用

林大权 郝华杰

（广东轻工职业技术学院 广州 510300）

通过水蓄冷空调系统在高校图书馆工程中的实际应用来分析水蓄冷空调的节能特点与运行效益等，试验表明水蓄冷空调在系统末端负荷需求小，过渡季节使用节能效果明显。

水蓄冷空调；运行效益；节能与应用

0 引言

随着国家对教育发展的投入加大，如今很多高校新建图书馆都安装有中央空调系统，中央空调的能源消耗之大是众所周知的，因此如何设计与选用一套比较适合和节能的中央空调系统成了很多高校图书馆建造之时被列为重点考虑的对象之一。文章中的学校图书馆综合利用比较好，整个图书馆建筑里除了图书馆常规使用的阅览室、书库与借还书处外，还有电子阅览室、学生自习室、图书馆办公室、会议室、学术报告厅等，所使用空调的时间比较灵活，系统末端负荷变化较大，在过渡季节使用时间较长和长时间有小单元使用空调等特点，采用传统中央空调系统存在不节能，因此选用这套水蓄冷空调系统，下面通过水蓄冷空调在这所高校图书馆中的实际应用来介绍水蓄冷空调的节能与应用。

1 水蓄冷空调原理

水蓄冷空调即将空调机组制得低温冷冻水供给蓄冷水池进行蓄冷过程，当蓄冷水池温度达到设定的下限值时，停止空调机组，由二级水泵抽出蓄冷水池的冷冻水供给末端供冷；当蓄冷水池温度达到设定上限值时，停止对外供冷，启动空调机组对蓄冷水池供低温冷冻水，反复循环。

一般水蓄冷空调系统采用的方法是利用晚上低峰电价制得低温冷冻水进行贮存，白天高峰电价阶段停止制冷机组，由蓄冷水池给末端供冷，但这样蓄冷水池要做得很大，不仅所占面积过大，而且初投资大，日后使用过程中水池维护保养工作量也大，而且本工程中的单位是没有高低峰电价差的，因此本系统在选用水蓄冷空调时做一些改动。主要是通过适度加大膨胀箱作为蓄冷水池来适应因末端设备负荷的变化从而减少空调机组的开停次数与让空调机组保持在满负荷高效下运行工作，从而提高运行效率达到节能的效果。

2 项目概况

广东轻工职业技术学院图书馆是一座集阅览室、办公室、书库、报告厅、电子阅览室等功能为一体的图书馆，分A、B、C三个区，总建筑面积26000m2，建筑层高为4.5-4.8m每层。其中空调面积20500m2，空调面积占总建筑面积的78.8%。

其中：A区为四层建筑，首层功能为办公室，报刊阅览室，入口大堂，休息厅等；二层功能为中文阅览室，办公室，研究室，信息中心，会议室等；三层功能为电子阅览室，专业阅览室等；四层功能为外文阅览室。

B区为四层建筑，地下两层，分1B和2B，2B负二层为自修阅览室，2B负一层为书吧，1B负一层为书库。首层功能为中文现刊阅览室；二层功能为专业阅览室等；三层功能为专业阅览室；四层功能为专业阅览室。

C区为三层建筑，首层为检索室及电子阅览室，二层为电子阅览室，三层为报告厅。

图书馆建筑平面图如图1所示。

图1 图书馆建筑平面图

3 空调系统的选用

3.1 冷负荷计算与室内参数设计

根据图书馆负荷估算法、楼层高度和实际环境等因素计算出总冷负荷4539kW，设备冷负荷5220kW，冷水机组制冷4025kW。夏季供冷室内空调设计参数设计如表1所示。

表1 室内夏季空调设计参数

3.2 系统布置

根据建筑的特点，空调水系统分别设置2个独立的水系统，水系统布置与设备数量等如表2和表3所示。

表2 制冷系统

表3 空调水系统

其中：A-C为一个独立系统机房设在A区首层，B区为另一独立系统机房设在负一层，冷却塔统一设在A区与B区相连处三层天面，A-C区系统蓄冷水池设在A区四层天面，B区系统蓄冷水池设在B区四层天面。

（1）冷冻水泵，冷却水泵，冷却塔的容量与冷水机组容量相匹配。各层设二级泵房，流量与该层末端设备冷冻水量匹配，二级泵抽蓄冷水池冷水供该层未端。机房主要设备型号与参数如表4所示。

表4 机房主要设备型号与参数

（2）冷冻水供回水温度分别为7℃和12℃。冷却水进出水温度分别为32℃和37℃。

（3）冷冻水，冷却水立管布置成异程式，各层水平干管布置成异程式。

3.3 系统末端与末端设备

（1）ABC三区各层：除采用风机盘管加新风方式外，还采用全空气系统（风柜系统），低风速风道送风，回风则利用回风口回风，如图书馆大堂。

（2）空调器（或新风空调器）

温度控制：由设置在回风口（或送风管）处的温度传感器，控制水路电动二通阀动作，调节冷冻水供水量，达到回风（或送风）温度控制。

（3）风机盘管

风机盘管采用江森自控的机械式温控面板，有三速手动开关与10-30℃可调范围，温度调节是控制风机盘管冷冻水水路电动二通阀的开与关，达到控制室温，每个温控面板控制6-8台风机盘管。

（4）遥测

各空调器，新风空调器，风机盘管等除设就地开关外，还在冷冻站总控制室内设置开关及运行工作显示。

3.4 自动控制与遥测

冷水机组，冷冻水泵，冷却水泵，冷却塔一一对应连锁运行，根据系统冷负荷变化，自动（设有手动方式）控制冷水机组的投入运转台数（包括相应的冷冻水泵，冷却水泵，冷却塔）。主机以全负荷运行。空调系统每次开始投入运行时主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔投入运行，二级泵停止状态，当末端负荷需要小于主机供冷时，自力式压差旁通阀打开进行蓄冷，阀的开度是根据水压的大小大于0.12MPa开阀。当蓄冷水池水温降到下限值8.5℃时，主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔停止运行，装在冷冻水供水管DN300上的电动阀关闭，有负荷需要的楼层根据负荷（末端设备电动二通打开的数量）反馈的大小开二级水泵数量，没有负荷楼层二级水泵停止状态，这时冷冻水只在蓄冷水池与末端之间循环，不经主机循环。当蓄冷水池水温升到上限值16.5℃时，所有二级水泵停止工作，主机、冷冻水泵、冷却水泵、冷却塔投入运行，运行状态主要是根据蓄冷水池出水温度设定值来决定。以上运行状态的转换全由PLC自动控制完成转换，无须管理人员操作与值守，实现全自动化过程，运行状态在机房监控室网络版组态软件上可监控。

开机程序：冷却塔进水电动阀-冷冻水主管电动阀-冷却水泵-塔风机-冷冻水泵-冷水机组，停机程序则相反。而冷冻水泵，冷却水泵亦可单独手动投入运转。一级泵运作时为利于管网运行正常，水池冷冻水供水管设置自力式压差旁通装置，保证系统压力同时旁通水蓄冷。

3.5 空调水系统布置图

由于A-C区和B区是两个独立的空调系统，但两系统设备布置方法等均相同，不同的是设备数量与管径等，因此下面以A-C区空调水系统图以示空调水系统与设备的布置情况等给予说明。图2为A-C区空调水系统布置图。

图2 A-C区空调水系统布置图

通过图2可清晰的看出相比传统空调系统，多出了楼层的二级水泵和膨胀水箱加大而已，因此比传统空调系统增加的工程量并不大，造价增加较小。

4 运行效益分析

4.1 蓄冷能力计算

=Δ

式中，为吸收的热量（或放出的热量）；为水比热容，4.2×103J/(kg·℃)；为水质量kg；Δ为水的温差值，℃。

因此A-C区系统蓄冷量为：

=4.2×1000×90×1000×8/3600=840kW

B区系统蓄冷为：

4.2×1000×60×1000×8/3600=560kW

根据蓄冷量，A-C区系统运行1台主机在末端不需要冷负荷的情况下运行1小时2分36秒即可蓄满；B区系统则只需40分15秒即可蓄满。

4.2 理论节能

在夏季使用空调时蓄冷水池介入时间较短节能不明显和在过渡季节使用空调时蓄冷水池介入工作时间相对长节能较明显是业界共知，因此在此不做分析，下面主要是针对图书馆夏季使用空调时晚上和周末只有A区首层报刊阅览室和2B区负二层自修阅览室来做运行效益分析。表5为图书馆开放时间与空调面积。

表5 图书馆开放时间与空调面积

A区首层报刊阅览室和2B区负二层自修阅览室配末端设备负荷分别为215.2kW和174.85kW。按理论计算忽略水管等冷量损失，A-C区蓄冷水池蓄满后可供A区首层报刊阅览室使用3小时54分左右，B区蓄冷水池蓄满后可供2B区负二层自修阅览室使用3小时12分。表6为A-C区系统单独使用A区首层报刊阅览室和B区系统单独使用2B区负二层自修阅览室在蓄冷水池一次蓄冷周期的理论用电量与节能。

表6 理论节能效率表

注：21.45kWh和12.8kWh为二级水泵运行电量，主机27%和22%负荷运行用电量按100%负荷运行时能效计算输入功率，准确率有误差。

A区首层报刊阅览室和2B区负二层自修阅览室一周内单独开放时间为24小时，因此开放A区首层报刊阅览室一周理论省电量为：24/3.9×148.18=911.88kWh；

开放2B区负二层自修阅览室一周理论省电量为：24/3.2×131.99=989.93kWh；

单两个区域合计一周理论省电量为：1901.81kWh。

一年图书馆使用空调时间约为22周，即一年单两个区域的省电量为：22×1901.81=41839.82 kWh，按7毛一度电计算，一年可节省电费29287元。

4.3 实测节能

系统投入运行使用后，6月下旬和9月下旬各挑一个周末共4天，实测A-C区系统单独使用A区首层报刊阅览室和B区系统单独使用2B区负二层自修阅览室一天的用电量与省电量，如表7所示。

表7 实测节能效率表

注：以上用电量不含末端设备用电，因末端的工作不受蓄冷水池是否投入工作影响。

表7中实测节能效率基本上符合理论节能效率计算，在夏季时效率低点，过渡季节效率高点。当系统末端负荷需求越小时投入蓄冷水池使用节能效果越明显，主要原因有两个：第一在不投入蓄冷水池使用时，无论末端负荷多少，冷冻、冷却水泵和冷却塔都要运行的；第二螺杆冷水机组标注制冷量可以在10%-100%无级调节，在本项目使用过程中主机最小的工作电流为110A左右（满负荷时298A）。

5 总结

通过运行效益分析，总结出水蓄冷空调不仅在过渡季节节能效果明显，而且在一个建筑里面如果有小单元与其它单元在使用空调时间上有错开，节能效果更为明显，像这种情况可以配一台制冷量小的冷水机组与变频水泵等解决，但这样日后不仅在设备维修时设备通用性差和工作量增加，而且初投资也大。像城市繁华区域很多高层写字楼、高层为办公用，夏季只是白天用空调，晚上不用。而一楼一般是商铺等面积小经营时间长，不仅白天，而且晚上也要经营要用空调，就很适合使用这套水蓄冷空调系统，因此只需在一楼设置二级水泵即可，其它楼层不用设置，略为加大膨胀水箱，增加造价非常小，日后节能效果非常明显。

[1] 李志生.中央空调设计与审图[M].北京:机械工业出版社,2011.

[2] 戈海燕.空调节能技术在上海某区图书馆设计中的应用[J].发电与空调,2007,28(6):51-53.

[3] 董泊,王瑞婷.蓄冷率对水蓄冷空调的经济性影响分析[J].建筑节能,2014(3):15-21.

[4] 孙一坚.简明通风设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1988.

[5] 郭庆堂,曹伟生,姚馨甲.制冷工程设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1988

[6] 薛殿华.空气调节[M].北京:清华大学出版社,1991.

Energy Saving Application of Water Storage Air-Conditioning in the Library of a College

Lin Daquan Hao Huajie

( Guangdong Industry Polytechnic, Guangzhou, 510300 )

Based on the practical application of the water storage air-conditioning system in the library of a college, the characteristics of energy saving and operation benefits of the system are analyzed. The study concluded that energy-saving effect of the system is remarkable when the system terminal load changes greatly and it is used in transitional season.

water storage air-conditioning system; operation benefits; energy saving and application

1671-6612（2017）06-602-06

TU831.3+1

B

林大权（1986.1-），男，工程硕士，助理实验师，E-mail：lindaquang@163.com

2017-3-27