滁州市某图书馆地源热泵空调设计

唐志华

上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司

1 项目概况

该工程位于安徽省滁州市，属于夏热冬冷地区，该图书馆共两栋建筑（A馆+B馆），总建筑面积约26180.69m2，图书馆外观效果图见图1。其中，A馆无地下室，地上四层，建筑面积约15179.1m2，主要功能为阅览室、报告厅、基藏书库、古籍典藏室、自习室、办公室等。B馆地下一层，主要功能为地下汽车库（战时为人防工程）、制冷机房等设备用房，地上四层，主要功能为儿童阅览室、文化艺术中心、办公室、咖啡厅等，建筑面积约11001.59m2。该图书馆设计藏书量约48万册，读者座位约1000个，日接待读者能力2000人次。

图1 图书馆外观效果图

2 空调系统形式

该工程是集阅览、办公、文化艺术中心为一体的综合图书馆，各区域空调系统的运行时间有所区别。其中，阅览区、文化艺术区的空调系统根据图书馆的开放时间确定运行时间。而办公区域（包括夜间开放的自习室等）在开馆时间之外、甚至周末仍然有空调使用的需求。为方便工作人员能够随时独立、灵活地运行和使用空调系统，应根据不同区域设置不同的空调系统形式。对于办公区域，采用多联机空调系统，配置独立的新风系统。网络机房等区域需要一天24 h连续运行，故设置独立的空调系统，并考虑一定的空调容量冗余。消防控制室、值班室等也需要一天24 h连续运行，均预留分体空调。而对于阅览室、报告厅等其他区域，则采用地源热泵空调系统，本文重点介绍地源热泵空调系统设计。

3 空调负荷计算

3.1 空调室内、外设计参数

根据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736-2012）、《图书馆建筑设计规范》（JGJ 38-2015），确定室内外设计参数[1]，如表1、表2。由HDY-SMAD 4.0负荷计算软件，可以导出滁州地区逐时干球温度和日平均干球温度，如图2、图3所示。

表1 室外设计参数

表2 室内设计参数

图2 滁州地区逐时干球温度

图3 滁州地区日平均干球温度

3.2 空调系统运行时间

图书馆各功能房间的开放时间，如表3所示。针对不同的房间功能特性，参照《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）附录B中表B.0.4-1～表B.0.4-10的要求，对建筑的空调系统运行时间，室内温度，照明功率密度值及开关时间，房间人均占有的使用面积及在室率，人员新风量及新风机组运行时间表，电气设备功率密度及使用率等参数进行分项设置，以儿童阅览室，文化艺术中心的人员逐时在室率为例，则如图4、图5所示。

表3 图书馆各阅览室开放时间

图4 儿童阅览室人员逐时在室率

图5 文化艺术中心人员逐时在室率

3.3 全年动态空调负荷计算

利用HDY-SMAD 4.0空调负荷计算软件，对该工程进行全年8760 h动态空调负荷模拟计算。A馆、B馆的空调全年动态逐时负荷曲线见图6、图7，分系统的空调最大冷负荷、热负荷见表4。由全年动态空调负荷计算可知，建筑中出现空调满负荷的比例极低，大部分时间内，空调系统负荷低于最大负荷的50%，因此在配置空调冷热源时，需充分考虑冷热负荷的全年分布状况和全年冷热不平衡问题。

表4 图书馆分系统的空调负荷

图6 A馆全年8760 h动态空调负荷曲线图

图7 B馆全年8760 h动态空调负荷曲线图

4 地源热泵空调系统设计

4.1 地源热泵主机选型

根据负荷计算结果可知，由地源热泵空调主机承担的空调总冷负荷为2655 kW，总热负荷为1735 kW。该工程制冷机房设置在B馆地下一层，共选用3台制冷量/制热量为975 kW/954.3 kW的螺杆式地源热泵冷热水机组，夏季空调供回水温度6/12℃，冬季空调供回水温度45/40℃，冷却水系统采用垂直地埋管土壤换热系统。由于该工程夏季/冬季空调负荷差别较大，考虑到土壤热平衡的问题，设置了冷却塔辅助冷却系统，以排除夏季冷却水中多余的热量，地源热泵空调系统原理图如图8所示。

图8 地源热泵空调系统原理图

4.2 冷冻水系统设计

空调冷冻水系统采用闭式循环两管制变流量一级泵系统（空调主机定流量运行，末端变流量），可根据末端负荷自动调节空调主机开启台数。供、回水总管间设压差旁通阀组，可根据供、回水总管间的压差变化自动调节进入末端系统的水量。冷冻水通过分(集)水器分为二路，分别供A馆和B馆使用，每一路冷冻水总管上均设冷热量计量装置，以便于分别计量A馆和B馆的空调系统用能情况。空调机组、新风机组的水系统采用两管制同程式，空调机组、新风机组的回水管上均设置动态平衡电动调节阀。水系统的定压均采用定压补水真空脱气机组。

4.3 冷却水系统设计

空调冷却水系统采用地埋管换热系统为主，冷却塔散热为辅。地埋管侧、冷却塔侧单独设置水泵，均采用变频控制，可根据建筑负荷变化进行流量调节，以节省运行电耗。地埋管侧、冷却塔侧均设冷热量计量装置，以监控地埋管全年总释热量与总吸热量是否平衡。冷却塔通过板式换热器与地埋管侧冷却水系统间接连接，以方便冷却水系统单独定压。同时，将地埋管侧、冷却塔侧水系统分隔开，也能防止开式冷却水系统影响地埋管换热管内的水质。

4.3.1 岩土热响应试验

业主委托第三方专业公司对项目区域进行地质勘察，并进行了岩土热响应试验。根据岩土热响应测试报告，场地土层自上而下分为：（1）0m～-10m，泥土层，黄色。（2）-10m～-105m，细沙层+粗砂层，黄黑色。场地周围地层的原始地温为17.42℃。双U型DN25地埋管冬季单位井深换热量为49.1W/m，双U型DN25地埋管夏季单位井深换热量为64.2W/m。

4.3.2 土壤换热系统设计

垂直埋管深度较深，土壤温度相对恒定，取（散）热能力较强，通常是浅层土壤埋管方式的5倍以上[2，3]。文献[4]用软件模拟运行10年的情况，得到地埋管换热器的年换热效率曲线和整个系统的用电量。随着钻孔深度的减小，换热效率降低，同时占地面积增加，在相同的流速下流量加大，管路接头也较多，导致环路总阻力增大，水泵耗电量显著升高。钻孔深度并不是越大越好，60m以内孔深时钻机成本小，初投资低。80m以内孔深时，可用普通型承压塑料管，当地质情况较为有利时，应采用较大的钻孔深度以降低运行费用[4]。

该工程建筑单体周边的草地、道路下方可供埋管使用。为尽量减少占地面积，采用垂直地埋管土壤换热器。根据相关规范[5]，并结合区域内相关项目经验，设计埋管间距为5m×5m，采用双U型地埋管土壤换热器，钻孔直径φ=150mm。地埋管管材采用高密度HDPE100型De25x2.3双U型，有效深度为100m。根据负荷计算结果，以冬季热负荷作为地埋管换热系统的设计计算依据，夏季多余的释热量通过冷却塔进行辅助冷却，以满足夏季空调及土壤热平衡要求。地埋管冬季最大吸热量为1735×（1-1/COP）=1380 kW，地埋管管群附加系数取0.9，同时考虑一定的安全裕量，可计算得出，该工程设计地埋管打井数量为360口，地埋管换热系统所需占地面积约为9000m2。

图9 地埋管管道平面布置图

制冷机房内设地源侧总分集水器，室外设5套二级分、集水器（设检查井），每套连接72个孔。每9个孔采用同程式连接，水平横管埋管于地下2.0m以下，二级分、集水器的主管通过水平埋管接至地下室制冷机房。地埋管换热系统工作温度如下：夏季制冷工况下，供/回水温度为32/37℃。冬季制热工况下，供/回水温度为10/5℃。地埋管管道平面布置图如图9所示。

4.3.3 冷却塔辅助冷却系统

该工程以冬季热负荷作为地埋管的设计依据，夏季散热不足的部分通过冷却塔进行辅助冷却，同时也应满足土壤的热平衡要求。设计选用开式机械循环的超低噪声横流冷却塔，设置在B馆屋面，冷却塔采用变频风机，冷却水供/回水温度为32/37℃。

4.4 空调风系统设计

大厅、无障碍阅览区、多功能厅、综合借阅室等大空间区域均采用全空气定风量空调系统，空调机组均采用变频调速风机，可与排风机配合，在过渡季节可实现50%风量全新风运行。对于讨论室等小房间，均采用风机盘管加新风系统。在大厅上空，还设置了排风系统，平时空调季节或过渡季节开启对应的风机排风，以保持空调区内的风量平衡。

5 运行与控制策略

地源热泵系统作为一种节能环保的空调形式，其应用越来越广泛。该工程为了更好地解决土壤热平衡问题，采用冷却塔辅助冷却的地埋管地源热泵系统，但仍需要以较为合理的运行与控制策略作为保障，这其中的关键在于冷却塔的运行策略。一些研究者通过模拟的方法比较了冷却塔的五种基本运行策略[6]：

1）当热泵机组的进口水温超过某一设定值时，开启冷却塔辅助冷却。

2）当热泵机组的进口水温与室外干球温度的差值大于设定值时，开启冷却塔。

3）当热泵机组的进口水温与室外湿球温度的差值大于设定值时，开启冷却塔。

4）在过渡季非空调时段，热泵机组停运，利用冷却塔来降低土壤温度。

5）冷却塔定时运行，根据建筑物内部的负荷情况设定开启冷却塔的时间段。

相比之下，策略1）仅需控制热泵机组的进口水温，操作起来更为便捷，笔者推荐采用此控制策略，建议初始的温度设定值取32℃。同时，该工程还在地埋管侧、冷却塔侧的冷却水主管上设置了冷热量计量装置。随着热泵机组的运行，管理人员可以根据往年累积在土壤中的散热量（或取热量）数据，逐年调整此温度设定值，以期能够更好地保持土壤中的热平衡。当累年在土壤中的散热量大于累年从土壤中的取热量时，可降低此温度设定值；反之，则应该调高此温度设定值。

6 设计总结

本文结合工程实践，从空调系统形式选择、空调负荷计算、热泵主机选型、冷冻水系统、冷却水系统、空调风系统等几个方面，简要介绍了地源热泵空调系统设计。根据图书馆的开放时间、不同功能房间的人员逐时在室率等条件，对图书馆进行了全年8760 h动态空调负荷计算，并分析了图书馆空调负荷的特点。介绍了地埋管土壤换热系统的设计，主要应从钻井深度、埋管间距、地埋管换热量计算等几方面考虑，并设置了冷却塔辅助冷却系统，以排除热泵机组夏季多余的热量，并保持土壤中的热平衡。推荐了适合该工程的冷却塔运行策略，即：当热泵机组的进口水温超过某一设定值（建议初始的温度设定值取32℃）时，开启冷却塔进行辅助冷却，并通过分析冷热量计量装置记录的往年累积在土壤中的散热量（或取热量）数据，逐年调整此温度设定值。

[1] 中国建筑科学研究院.民用建筑供暖通风与空气调节设计规范(GB 50736-2012)[S].北京:中国建筑工业出版社,2012

[2] 郭二宝,宣玲娟,李岚.土壤源热泵在合肥某工程中的应用[J].低温与超导,2009,(11):70-74

[3] 李娟,寇秀培,赵建成.垂直埋管式地源热泵的实例应用及经济性分析[J].建筑热能,2008,26(3):41-44

[4] 谢鹂,徐菱虹,胡平放.混合式地源热泵系统的优化研究[J].建筑热能通风空调,2008,(4):53-55

[5] 中国建筑设计研究院.地源热泵系统工程技术规范 (2009年版)(GB 50366-2005)[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[6] 花莉.基于热平衡的复合式地埋管地源热泵系统运行策略[J].暖通空调,2013,43(12):148-153