苏州市某高职院校图书馆空调系统设计方案比较研究

2018-09-22汤添钧沈巧明吴悠洋薛冬杰

重庆建筑 2018年9期

汤添钧，沈巧明，吴悠洋，薛冬杰

（1苏州经贸职业技术学院，江苏苏州 215009；2艾默生环境优化技术（苏州）有限公司，江苏苏州 215000）

0 引言

我国公用建筑中，空调能耗占建筑总能耗的比例逐步增大[1]。图书馆作为公共建筑中的代表，空调系统设计不仅决定了其舒适程度，还直接影响到这个建筑能耗的高低。在高校图书馆设计中考虑能耗因素，不仅有助于提高师生的节能意识，也有助于公用建筑节能减排工作在高校中的展开[2]。在空调设计中，末端形式、冷热源的选择是关键因素，苏州位于夏热冬冷地区，四季鲜明，需同时满足夏季供冷与冬季供热的设计要求。对于冷热源形式的选择，文献[3]对比了严寒地区，冷水机组+燃气锅炉、冷水机组+市政热网和水源热泵机组三种不同冷热源改造方案的经济性和可行性，文献[4]基于峰谷电价，考察了地源热泵搭配电蓄热、多联机、冷水机组搭配锅炉三种空调方案的经济性。本文基于苏州某高职院校图书馆空调设计项目，针对风冷式冷水机组+燃气锅炉与地源热泵两种不同的技术方案，采用苏州地区典型日BIN参数法对方案进行经济性分析，通过对运行费用的比较，最终确定技术方案。

1 工程概况

该图书馆位于苏州市西南侧的上方山附近，建于2006年，图书馆处于学校中心湖畔，是学校的标志性建筑。图书馆总建筑面积21812.56m2，地上建筑面积16562.56m2，地下建筑面积5250m2，其中空调面积9339.96m2。图书馆共有五层，总建筑高度23.4m，其中一至三层为文献室、借阅室、自修室与报告厅，四层为计算机机房，五层为图书馆办公室，图书馆二层平面图见图1。由于图书馆原空调系统损坏严重，无法正常使用，现为图书馆设计满足其功能性、舒适性与节能性要求的空调系统，以确保师生正常的工作、学习要求。

图1 图书馆二层平面图

2 室内参数设计与负荷指标

2.1 设计参数

该项目设置集中空调系统，空调的室内外设计参数依据《公共建筑节能设计标准》[5]和《江苏省公共建筑节能设计标准》来确定。苏州地区的夏季空调室外计算干球温度为34.6℃，湿球温度为28.2℃；冬季空调室外计算干球温度为-1.2℃，室外相对湿度为74%。图书馆各房间的具体设计参数见表1，各房间新风量按照人员数量确定。

表1 主要功能房间室内设计参数

2.2 负荷计算

用谐波法计算图书馆各房间的逐时冷负荷值，考虑到实际利用率情况，图书馆人员的时间指派设置如下：0∶00—8∶00为0；8∶00—12∶00为65%；12∶00—13∶00为55%；13∶00—17∶00为90%；17∶00—21∶00为70%。将各设计参数代入负荷计算软件，得到了图书馆各房间的逐时负荷与总冷热负荷。据计算，图书馆设计冷负荷为996.98kW，该冷负荷出现在夏季典型日的14∶00，冷负荷指标为106.75W/m2；采暖季热负荷为525.84kW，热负荷指标为56.3W/m2。以图书馆二层为例，各功能房间的负荷参数见表2。

表2 图书馆二层房间负荷指标

3 空调方案分析

3.1 空调系统末端形式选择

在空调末端形式的选择上，考虑到图书馆各房间的功能性以及防火分区情况，宜选择风机盘管+新风与全空气系统的形式。空调水系统采用两管制，节约建设成本。图书馆各层的借阅室属于大空间区域，并且为独立的防火分区。而自修室、报告厅以及休闲阅览室建筑面积较小，使用时间较长，空调启停频次较高，可单独作为一个分区。此外，从空调负荷情况分析，图书馆一至三层借阅室与四层计算机房总负荷为571.1kW，其余房间总负荷为425.88kW，将图书馆分为两个区域分别供冷较为合理。

在空调末端系统设计中，将整个图书馆分为两个区域，区域Ⅰ为一至三层的借阅室以及四层计算机房，区域Ⅰ采用一次回风全空气系统，每层单独设置一台独立的全空气处理机组，负责该区域内的冷热负荷。经计算，一层借阅室一次回风系统AHU-1的送风量为31528.9m3/h，其中新风量为3300m3/h，送风温度为13.4℃，送风温差12.6℃，换气次数为3.9h-1。

区域Ⅱ为各层的自修室、休闲阅览室、办公室等空间较小但人员较密集的区域，区域Ⅱ采用风机盘管+新风的形式，室内机根据装饰需要设置天花板内藏风管式。每层设置一台新风机组，经新风机组处理后送至室内每个房间以满足新风处理需求，该图书馆空调末端系统设计如图2所示。

图2 图书馆空调末端系统图

3.2 冷热源设计

图书楼空调系统的冷热源的选择有两套方案，方案一为两台风冷式冷水机组，单台制冷量为520kW，制冷输入功率为152kW，夏季满负荷运行能效比（COP）为3.42。机组放置在图书馆四楼外屋顶。采用变流量一级泵系统[6]，水泵额定流量90m3/h，扬程29m，两用一备，额定功率8.5kW，夏季的供回水温度为7/12℃。水系统中设置分集水器，分别供区域Ⅰ与区域Ⅱ，冷源系统如图3所示。在采暖季时，利用学校南区的燃气锅炉提供的85℃热水，经过4块板式换热器后为空调末端提供热量，换热后的供回水温度为60/55℃。

图3 方案一冷源系统图

图4 方案二冷热源系统图

表3 制冷季能耗与费用对比

表4 采暖季能耗与费用对比

方案二选择两台制冷量为520kW的螺杆式地源热泵机组，单台的制冷输入功率为109.9kW，夏季满负荷运行COP为4.73，供回水温度为7/12℃；冬季制热量为280kW，制热输入功率为96.2kW，冬季满负荷运行COP为2.91，供回水温度为45/40℃，机组安装在图书馆地下一层的热泵机房内，分别供给区域Ⅰ与区域Ⅱ的冷热量。考虑到该项目周围土质中岩石层较厚，地源热泵地下换热管不易采用深埋方式，建议采用单U型浅埋方式[7]，具体的埋管方案需要进行岩土导热性测试后确定，该方案的冷热源系统如图4所示。

与方案一相比，方案二具有以下优点：①利用了校园的地热资源，机组COP比风冷机组高。②冬季不需要燃气锅炉提供热水，省去板换换热过程。③冬季运行更加稳定，供回水温度较低，管道热损失小。但同时，方案二也有不足之处，如：地源热泵的建设过程需安装地埋管，使得初投资高；系统维护复杂，维修成本较高等。

4 冷热源方案经济性分析

为确定技术方案，利用经济性分析比较方案特点。据统计，校园图书馆空调的制冷时间一般为5月27日至10月16日，扣除暑期后的实际运行时间约为1264h；采暖季一般为1月1日至3月21日，11月16日至12月31日，扣除寒假时间后的实际运行时间为1211h。利用苏州地区典型日BIN参数，得到不同负荷率下的空调的运行时间，在回水温度一定的前提下，计算出实际负荷下的供水温度，并参考某型号机组在不同供水温度下对应的COP值，从而得到两套方案在不同负荷率下的理论用电量，表3为制冷季两方案能耗与费用对比。

从表3可以看出，在整个制冷季，图书馆负荷率主要集中在30%～50%，约有620h，该阶段的风冷冷水机组平均COP与地源热泵机组的平均COP分别为3.06与3.89；地源热泵的最大COP接近4.65，而风冷冷水机组的最高COP仅为3.36，可见地源热泵的COP比风冷机组高。比较二者运行费用可知，制冷季方案二的用电量较方案一减少44650.76kWh，平均电费取0.5383元/kWh，方案二可节省电费2.4万元。

在采暖工况下，方案一的热源为燃气锅炉+板换，燃气锅炉效率取0.9，板换效率取0.9，燃气热值取9000kcal/m3，同样利用苏州地区典型日BIN参数法，计算出两种方案的能耗与运行费用情况，如表4所示。

从表4可以看出，在采暖工况下，图书馆负荷率主要集中在40%～70%，此时地源热泵的平均COP为2.69，方案二采暖季消耗电能132976.18kWh，电费为7.16万元。方案一燃气锅炉消耗天然气42365.97 m3，天然气价格取2.48元/m3，则采暖季费用共计10.51万元，方案二较方案一节省费用3.35万元。

表5为两方案单位空调面积运行费用，方案一的单位面积的运行费用为24.05元/m2，方案二的运行费用为19.46元/m2。从运行费用角度看，方案二的运行费用更低。但考虑到地源热泵较高的初投资，需要较长时间才能收回比方案一多投入的资金。因此，在初投资资金充裕，运行管理制度完善，后勤保障经费充足的条件下，可以选择地源热泵的热源形式。