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地源热泵空调系统在图书馆建筑中的节能运用

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摘要：随着社会的发展，人口数量持续增加，导致对能源的需求呈现出与日剧增的趋势，能源问题得到了人们的广泛关注。地源热泵空调系统是经济效益和环保效益的结合体，对促进节能减排，防止环境污染具有重要作用，具有良好的发展前景和广阔的发展空间。

关键词：地源热泵；图书馆；节能

我国当前的大多数中央空调主要采用煤和油等化石能源进行供应，环保性较差，不利于环境保护，无法促进能源的可持续发展。而地源热泵空调系统利用了地下土壤巨大的蓄热蓄冷能力，冬季地源把热量从地下土壤中转移到建筑物内，夏季再把地下的冷量转移到建筑物内，一个年度形成一个冷热循环，具有稳定性强、寿命长和舒适度高等特点。

湖北省图书馆新馆作为湖北省“十一五”期间文化建设的重点工程，中央空调冷热源系统采用地源热泵与冰蓄冷系统相结合的方式，空气处理系统采用大温差低温送风系统，空调水系统采用大温差变流量系统，计算机房、特藏书库等采用独立恒温恒湿机组，该系统和常规的空调系统相比大约节能30%。

一、地源热泵空调前期准备之桩埋管系统

桩埋管是地源热泵一种新的埋管方式，桩埋管换热器将地源热泵系统地埋管换热器的PE管安装在建筑物混凝土桩基中，使其与建筑结构相结合，代替传统的地埋管换热器，桩埋管地热换热器中的灌注桩相当于竖直埋管换热系统中的钻孔回填材料。由于桩埋管的回填材料完全是混凝土，混凝土的导热性能相比于其他材料较好，并且埋管与桩、桩与土壤接触紧密，减少了熱阻，强化了循环介质与土壤之间传热，使得它的换热效果比起其他回填材料要好。而且桩与桩之间距离较大，换热管的相互影响较小，地下换热器的换热工况更为稳定。

湖北省图书馆新馆地埋管系统以双U型垂直管为主，辅以工程桩埋管形式。地下侧埋管钻孔间距为5m×5m，孔径Φ150，有效利用深度为90m，共钻孔996个；工程桩内埋管208根（104对），有效深度为19m，夏季排热量为6123kW，冬季吸热量为3680kW。地埋管采用二级集水器单井的分块连接方式，能最大限度地减少地埋管的接头数量和热熔连接操作次数，提高地埋管地下换热系统的可靠性。

为保持地下埋管换热器冬夏热平衡，本系统同时配置2台闭式冷却塔，单台散热量为2050kW。在白天主机以制冷工况运行时，地源热泵系统能基本满足制冷主机的换热要求，无需开启冷却塔，在夜间主机蓄冰时，冷却塔才投入运行。这种运行模式不仅能减少冷却塔的噪声与振动对环境的干扰，而且能充分利用夜间相对较低的环境温度，提高冷却系统的效率。湖北省图书馆新馆空调冷却塔设置在主体建筑室外东侧的绿化带区域，隐藏于竹林中，可减少在日间运行时噪声对周围环境的干扰；其风机采用变频控制，在充分利用冷却塔的散热面积，提高换热效率的同时也降低了噪声。

二、地源热泵空调中期设备安装之复合式系统

湖北省图书馆新馆空调系统配备有四台国际品牌的三工况制冷机组、一台热回收主机、九台美国必威体育精装版技术的蓄冰盘管、二十七台德国威乐水泵和四台板式换热器。根据建筑物空调负荷特点和场地条件，采用了制冷主机、冰蓄冷、低温送风相结合的复合式地源热泵空调系统。

用冰蓄冷系统配合三工况地源热泵机组。与常规空调相比，冰蓄冷系统只需增加一个蓄冷装置，在夜间用电低谷期使用电制冷机制冷，将制得冷量以冰的形式储存起来；在白天电价高峰期将冰融化释放冷量，用以满足供冷需求。湖北省图书馆新馆空调冰蓄冷系统的蓄冰能力按35%设计，主要作用是“移峰填谷”，既可以减少装机容量和节省运行费用，又具有明显的节能环保优势。

为冰蓄冷辅以低温送风系统。冰蓄冷系统虽然实现了用电负荷与空调负荷的“移峰填谷”，但同时增加了用户冷源系统的工程造价，为缓解这一矛盾，美国能源部于1983年提出了“低温送风能够进一步发挥冰蓄冷系统的优势，在初期投资上可以和非冰蓄冷系统相竞争”的观点。实践表明，将低温送风和冰蓄冷相结合，可进一步减少空调系统的运行费用，降低一次性投资，提高空调品质，改善储冷空调系统的整体效能，对于高温高湿的武汉地区有着明显效果。湖北省图书馆新馆空调低温送风系统，在施工上减少了风管尺寸，提高了吊顶高度，不仅节省了设备用房面积，而且减少了空气处理机组的风量，从而更有效控制空调送风系统的噪声，进而为图书馆提供更为安静的阅览空间。

三、地源热泵空调后期调试运行之节能控制系统

在没有使用具备负载随动调节特性的空调控制系统中，无论季节、昼夜和用户负荷的变化，各电机都长期固定在工频状态下全速运行，其用能的浪费是显而易见的。而采用变频调速技术后，提高了系统自动化控制水平，使空调系统达到更加理想的工作状态，体现出巨大的性能优越性和经济性。

湖北省图书馆新馆空调变频节能系统采用模糊控制理论，在不影响空调舒适感要求并确保空调末端服务质量的前提下，根据对空调系统负荷变化的跟踪，系