地源熱泵空調系統在圖書館建筑中的節能運用

摘 要：隨著社會的發展，人口數量持續增加，導致對能源的需求呈現出與日劇增的趨勢，能源問題得到了人們的廣泛關注。地源熱泵空調系統是經濟效益和環保效益的結合體，對促進節能減排，防止環境污染具有重要作用，具有良好的發展前景和廣闊的發展空間。

關鍵詞：地源熱泵；圖書館；節能

我國當前的大多數中央空調主要采用煤和油等化石能源進行供應，環保性較差，不利于環境保護，無法促進能源的可持續發展。而地源熱泵空調系統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移到建筑物內，夏季再把地下的冷量轉移到建筑物內，一個年度形成一個冷熱循環，具有穩定性強、壽命長和舒適度高等特點。

湖北省圖書館新館作為湖北省“十一五”期間文化建設的重點工程，中央空調冷熱源系統采用地源熱泵與冰蓄冷系統相結合的方式，空氣處理系統采用大溫差低溫送風系統，空調水系統采用大溫差變流量系統，計算機房、特藏書庫等采用獨立恒溫恒濕機組，該系統和常規的空調系統相比大約節能30%。

一、地源熱泵空調前期準備之樁埋管系統

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，使其與建筑結構相結合，代替傳統的地埋管換熱器，樁埋管地熱換熱器中的灌注樁相當于豎直埋管換熱系統中的鉆孔回填材料。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，強化了循環介質與土壤之間傳熱，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，地下換熱器的換熱工況更為穩定。

湖北省圖書館新館地埋管系統以雙U型垂直管為主，輔以工程樁埋管形式。地下側埋管鉆孔間距為5m×5m，孔徑Φ150，有效利用深度為90m，共鉆孔996個；工程樁內埋管208根（104對），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量和熱熔連接操作次數，提高地埋管地下換熱系統的可靠性。

為保持地下埋管換熱器冬夏熱平衡，本系統同時配置2臺閉式冷卻塔，單臺散熱量為2050kW。在白天主機以制冷工況運行時，地源熱泵系統能基本滿足制冷主機的換熱要求，無需開啟冷卻塔，在夜間主機蓄冰時，冷卻塔才投入運行。這種運行模式不僅能減少冷卻塔的噪聲與振動對環境的干擾，而且能充分利用夜間相對較低的環境溫度，提高冷卻系統的效率。湖北省圖書館新館空調冷卻塔設置在主體建筑室外東側的綠化帶區域，隱藏于竹林中，可減少在日間運行時噪聲對周圍環境的干擾；其風機采用變頻控制，在充分利用冷卻塔的散熱面積，提高換熱效率的同時也降低了噪聲。

二、地源熱泵空調中期設備安裝之復合式系統

湖北省圖書館新館空調系統配備有四臺國際品牌的三工況制冷機組、一臺熱回收主機、九臺美國最新技術的蓄冰盤管、二十七臺德國威樂水泵和四臺板式換熱器。根據建筑物空調負荷特點和場地條件，采用了制冷主機、冰蓄冷、低溫送風相結合的復合式地源熱泵空調系統。

用冰蓄冷系統配合三工況地源熱泵機組。與常規空調相比，冰蓄冷系統只需增加一個蓄冷裝置，在夜間用電低谷期使用電制冷機制冷，將制得冷量以冰的形式儲存起來；在白天電價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冰蓄冷系統的蓄冰能力按35%設計，主要作用是“移峰填谷”，既可以減少裝機容量和節省運行費用，又具有明顯的節能環保優勢。

為冰蓄冷輔以低溫送風系統。冰蓄冷系統雖然實現了用電負荷與空調負荷的“移峰填谷”，但同時增加了用戶冷源系統的工程造價，為緩解這一矛盾，美國能源部于1983年提出了“低溫送風能夠進一步發揮冰蓄冷系統的優勢，在初期投資上可以和非冰蓄冷系統相競爭”的觀點。實踐表明，將低溫送風和冰蓄冷相結合，可進一步減少空調系統的運行費用，降低一次性投資，提高空調品質，改善儲冷空調系統的整體效能，對于高溫高濕的武漢地區有著明顯效果。湖北省圖書館新館空調低溫送風系統，在施工上減少了風管尺寸，提高了吊頂高度，不僅節省了設備用房面積，而且減少了空氣處理機組的風量，從而更有效控制空調送風系統的噪聲，進而為圖書館提供更為安靜的閱覽空間。

三、地源熱泵空調后期調試運行之節能控制系統

在沒有使用具備負載隨動調節特性的空調控制系統中，無論季節、晝夜和用戶負荷的變化，各電機都長期固定在工頻狀態下全速運行，其用能的浪費是顯而易見的。而采用變頻調速技術后，提高了系統自動化控制水平，使空調系統達到更加理想的工作狀態，體現出巨大的性能優越性和經濟性。

湖北省圖書館新館空調變頻節能系統采用模糊控制理論，在不影響空調舒適感要求并確?？照{末端服務質量的前提下，根據對空調系統負荷變化的跟蹤，系統全變頻自動調節各水泵的轉速，并動態修正系統的運行參數，對空調水系統進行優化，從而達到制冷主機節約能源，空調循環水泵、乙二醇循環水泵、地源水循環泵、冷卻塔風機節約電能（與工頻運行狀態進行比較）的效果。

除了空調設備的節能控制，湖北省圖書館新館還設計了樓宇自控系統，對整個圖書館智能建筑的所有公用機電設備，包括建筑的中央空調系統、給排水系統、供配電系統、照明系統、電梯系統，進行集中監測和遠程控制，以提高建筑的管理水平，降低設備故障率，減少維護及營運成本。

綜上所述，地源熱泵空調系統在大型公共建筑供熱制冷節能環保系統的應用中，具有良好的實踐效果，在節約能源、保護環境、提升經濟效益等方面發揮著至關重要的作用。隨著能源應用結構的改革，類似地源熱泵這種清潔的可再生能源應用將會成為未來發展的主流。

參考文獻

[1]史先斌.《淺析地源熱泵中央空調節能控制系統》，建筑節能，

[2]高鑫.《地埋管地源熱泵系統施工工藝初探》，山西建筑。

作者簡介

王輝（1979.05--），性別：男；學歷：本科；現有職稱：館員；研究方向：圖書館建筑。

（作者單位：湖北省圖書館）