蘇州市某高職院校圖書館空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案比較研究

湯添鈞，沈巧明，吳悠洋，薛冬杰

（1蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州 215009；2艾默生環(huán)境優(yōu)化技術(shù)（蘇州）有限公司，江蘇蘇州 215000）

0 引言

我國(guó)公用建筑中，空調(diào)能耗占建筑總能耗的比例逐步增大[1]。圖書館作為公共建筑中的代表，空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅決定了其舒適程度，還直接影響到這個(gè)建筑能耗的高低。在高校圖書館設(shè)計(jì)中考慮能耗因素，不僅有助于提高師生的節(jié)能意識(shí)，也有助于公用建筑節(jié)能減排工作在高校中的展開[2]。在空調(diào)設(shè)計(jì)中，末端形式、冷熱源的選擇是關(guān)鍵因素，蘇州位于夏熱冬冷地區(qū)，四季鮮明，需同時(shí)滿足夏季供冷與冬季供熱的設(shè)計(jì)要求。對(duì)于冷熱源形式的選擇，文獻(xiàn)[3]對(duì)比了嚴(yán)寒地區(qū)，冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t、冷水機(jī)組+市政熱網(wǎng)和水源熱泵機(jī)組三種不同冷熱源改造方案的經(jīng)濟(jì)性和可行性，文獻(xiàn)[4]基于峰谷電價(jià)，考察了地源熱泵搭配電蓄熱、多聯(lián)機(jī)、冷水機(jī)組搭配鍋爐三種空調(diào)方案的經(jīng)濟(jì)性。本文基于蘇州某高職院校圖書館空調(diào)設(shè)計(jì)項(xiàng)目，針對(duì)風(fēng)冷式冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t與地源熱泵兩種不同的技術(shù)方案，采用蘇州地區(qū)典型日BIN參數(shù)法對(duì)方案進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，通過(guò)對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的比較，最終確定技術(shù)方案。

1 工程概況

該圖書館位于蘇州市西南側(cè)的上方山附近，建于2006年，圖書館處于學(xué)校中心湖畔，是學(xué)校的標(biāo)志性建筑。圖書館總建筑面積21812.56m2，地上建筑面積16562.56m2，地下建筑面積5250m2，其中空調(diào)面積9339.96m2。圖書館共有五層，總建筑高度23.4m，其中一至三層為文獻(xiàn)室、借閱室、自修室與報(bào)告廳，四層為計(jì)算機(jī)機(jī)房，五層為圖書館辦公室，圖書館二層平面圖見圖1。由于圖書館原空調(diào)系統(tǒng)損壞嚴(yán)重，無(wú)法正常使用，現(xiàn)為圖書館設(shè)計(jì)滿足其功能性、舒適性與節(jié)能性要求的空調(diào)系統(tǒng)，以確保師生正常的工作、學(xué)習(xí)要求。

圖1 圖書館二層平面圖

2 室內(nèi)參數(shù)設(shè)計(jì)與負(fù)荷指標(biāo)

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

該項(xiàng)目設(shè)置集中空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)的室內(nèi)外設(shè)計(jì)參數(shù)依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[5]和《江蘇省公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》來(lái)確定。蘇州地區(qū)的夏季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為34.6℃，濕球溫度為28.2℃；冬季空調(diào)室外計(jì)算干球溫度為-1.2℃，室外相對(duì)濕度為74%。圖書館各房間的具體設(shè)計(jì)參數(shù)見表1，各房間新風(fēng)量按照人員數(shù)量確定。

表1 主要功能房間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 負(fù)荷計(jì)算

用諧波法計(jì)算圖書館各房間的逐時(shí)冷負(fù)荷值，考慮到實(shí)際利用率情況，圖書館人員的時(shí)間指派設(shè)置如下：0∶00—8∶00為0；8∶00—12∶00為65%；12∶00—13∶00為55%；13∶00—17∶00為90%；17∶00—21∶00為70%。將各設(shè)計(jì)參數(shù)代入負(fù)荷計(jì)算軟件，得到了圖書館各房間的逐時(shí)負(fù)荷與總冷熱負(fù)荷。據(jù)計(jì)算，圖書館設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為996.98kW，該冷負(fù)荷出現(xiàn)在夏季典型日的14∶00，冷負(fù)荷指標(biāo)為106.75W/m2；采暖季熱負(fù)荷為525.84kW，熱負(fù)荷指標(biāo)為56.3W/m2。以圖書館二層為例，各功能房間的負(fù)荷參數(shù)見表2。

表2 圖書館二層房間負(fù)荷指標(biāo)

3 空調(diào)方案分析

3.1 空調(diào)系統(tǒng)末端形式選擇

在空調(diào)末端形式的選擇上，考慮到圖書館各房間的功能性以及防火分區(qū)情況，宜選擇風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)與全空氣系統(tǒng)的形式?？照{(diào)水系統(tǒng)采用兩管制，節(jié)約建設(shè)成本。圖書館各層的借閱室屬于大空間區(qū)域，并且為獨(dú)立的防火分區(qū)。而自修室、報(bào)告廳以及休閑閱覽室建筑面積較小，使用時(shí)間較長(zhǎng)，空調(diào)啟停頻次較高，可單獨(dú)作為一個(gè)分區(qū)。此外，從空調(diào)負(fù)荷情況分析，圖書館一至三層借閱室與四層計(jì)算機(jī)房總負(fù)荷為571.1kW，其余房間總負(fù)荷為425.88kW，將圖書館分為兩個(gè)區(qū)域分別供冷較為合理。

在空調(diào)末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，將整個(gè)圖書館分為兩個(gè)區(qū)域，區(qū)域Ⅰ為一至三層的借閱室以及四層計(jì)算機(jī)房，區(qū)域Ⅰ采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)，每層單獨(dú)設(shè)置一臺(tái)獨(dú)立的全空氣處理機(jī)組，負(fù)責(zé)該區(qū)域內(nèi)的冷熱負(fù)荷。經(jīng)計(jì)算，一層借閱室一次回風(fēng)系統(tǒng)AHU-1的送風(fēng)量為31528.9m3/h，其中新風(fēng)量為3300m3/h，送風(fēng)溫度為13.4℃，送風(fēng)溫差12.6℃，換氣次數(shù)為3.9h-1。

區(qū)域Ⅱ?yàn)楦鲗拥淖孕奘?、休閑閱覽室、辦公室等空間較小但人員較密集的區(qū)域，區(qū)域Ⅱ采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)的形式，室內(nèi)機(jī)根據(jù)裝飾需要設(shè)置天花板內(nèi)藏風(fēng)管式。每層設(shè)置一臺(tái)新風(fēng)機(jī)組，經(jīng)新風(fēng)機(jī)組處理后送至室內(nèi)每個(gè)房間以滿足新風(fēng)處理需求，該圖書館空調(diào)末端系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 圖書館空調(diào)末端系統(tǒng)圖

3.2 冷熱源設(shè)計(jì)

圖書樓空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源的選擇有兩套方案，方案一為兩臺(tái)風(fēng)冷式冷水機(jī)組，單臺(tái)制冷量為520kW，制冷輸入功率為152kW，夏季滿負(fù)荷運(yùn)行能效比（COP）為3.42。機(jī)組放置在圖書館四樓外屋頂。采用變流量一級(jí)泵系統(tǒng)[6]，水泵額定流量90m3/h，揚(yáng)程29m，兩用一備，額定功率8.5kW，夏季的供回水溫度為7/12℃。水系統(tǒng)中設(shè)置分集水器，分別供區(qū)域Ⅰ與區(qū)域Ⅱ，冷源系統(tǒng)如圖3所示。在采暖季時(shí)，利用學(xué)校南區(qū)的燃?xì)忮仩t提供的85℃熱水，經(jīng)過(guò)4塊板式換熱器后為空調(diào)末端提供熱量，換熱后的供回水溫度為60/55℃。

圖3 方案一冷源系統(tǒng)圖

圖4 方案二冷熱源系統(tǒng)圖

表3 制冷季能耗與費(fèi)用對(duì)比

表4 采暖季能耗與費(fèi)用對(duì)比

方案二選擇兩臺(tái)制冷量為520kW的螺桿式地源熱泵機(jī)組，單臺(tái)的制冷輸入功率為109.9kW，夏季滿負(fù)荷運(yùn)行COP為4.73，供回水溫度為7/12℃；冬季制熱量為280kW，制熱輸入功率為96.2kW，冬季滿負(fù)荷運(yùn)行COP為2.91，供回水溫度為45/40℃，機(jī)組安裝在圖書館地下一層的熱泵機(jī)房?jī)?nèi)，分別供給區(qū)域Ⅰ與區(qū)域Ⅱ的冷熱量。考慮到該項(xiàng)目周圍土質(zhì)中巖石層較厚，地源熱泵地下?lián)Q熱管不易采用深埋方式，建議采用單U型淺埋方式[7]，具體的埋管方案需要進(jìn)行巖土導(dǎo)熱性測(cè)試后確定，該方案的冷熱源系統(tǒng)如圖4所示。

與方案一相比，方案二具有以下優(yōu)點(diǎn)：①利用了校園的地?zé)豳Y源，機(jī)組COP比風(fēng)冷機(jī)組高。②冬季不需要燃?xì)忮仩t提供熱水，省去板換換熱過(guò)程。③冬季運(yùn)行更加穩(wěn)定，供回水溫度較低，管道熱損失小。但同時(shí)，方案二也有不足之處，如：地源熱泵的建設(shè)過(guò)程需安裝地埋管，使得初投資高；系統(tǒng)維護(hù)復(fù)雜，維修成本較高等。

4 冷熱源方案經(jīng)濟(jì)性分析

為確定技術(shù)方案，利用經(jīng)濟(jì)性分析比較方案特點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，校園圖書館空調(diào)的制冷時(shí)間一般為5月27日至10月16日，扣除暑期后的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間約為1264h；采暖季一般為1月1日至3月21日，11月16日至12月31日，扣除寒假時(shí)間后的實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為1211h。利用蘇州地區(qū)典型日BIN參數(shù)，得到不同負(fù)荷率下的空調(diào)的運(yùn)行時(shí)間，在回水溫度一定的前提下，計(jì)算出實(shí)際負(fù)荷下的供水溫度，并參考某型號(hào)機(jī)組在不同供水溫度下對(duì)應(yīng)的COP值，從而得到兩套方案在不同負(fù)荷率下的理論用電量，表3為制冷季兩方案能耗與費(fèi)用對(duì)比。

從表3可以看出，在整個(gè)制冷季，圖書館負(fù)荷率主要集中在30%～50%，約有620h，該階段的風(fēng)冷冷水機(jī)組平均COP與地源熱泵機(jī)組的平均COP分別為3.06與3.89；地源熱泵的最大COP接近4.65，而風(fēng)冷冷水機(jī)組的最高COP僅為3.36，可見地源熱泵的COP比風(fēng)冷機(jī)組高。比較二者運(yùn)行費(fèi)用可知，制冷季方案二的用電量較方案一減少44650.76kWh，平均電費(fèi)取0.5383元/kWh，方案二可節(jié)省電費(fèi)2.4萬(wàn)元。

在采暖工況下，方案一的熱源為燃?xì)忮仩t+板換，燃?xì)忮仩t效率取0.9，板換效率取0.9，燃?xì)鉄嶂等?000kcal/m3，同樣利用蘇州地區(qū)典型日BIN參數(shù)法，計(jì)算出兩種方案的能耗與運(yùn)行費(fèi)用情況，如表4所示。

從表4可以看出，在采暖工況下，圖書館負(fù)荷率主要集中在40%～70%，此時(shí)地源熱泵的平均COP為2.69，方案二采暖季消耗電能132976.18kWh，電費(fèi)為7.16萬(wàn)元。方案一燃?xì)忮仩t消耗天然氣42365.97 m3，天然氣價(jià)格取2.48元/m3，則采暖季費(fèi)用共計(jì)10.51萬(wàn)元，方案二較方案一節(jié)省費(fèi)用3.35萬(wàn)元。

表5為兩方案單位空調(diào)面積運(yùn)行費(fèi)用，方案一的單位面積的運(yùn)行費(fèi)用為24.05元/m2，方案二的運(yùn)行費(fèi)用為19.46元/m2。從運(yùn)行費(fèi)用角度看，方案二的運(yùn)行費(fèi)用更低。但考慮到地源熱泵較高的初投資，需要較長(zhǎng)時(shí)間才能收回比方案一多投入的資金。因此，在初投資資金充裕，運(yùn)行管理制度完善，后勤保障經(jīng)費(fèi)充足的條件下，可以選擇地源熱泵的熱源形式。

表5 單位空調(diào)面積運(yùn)行費(fèi)用對(duì)比

5 結(jié)論

圖書館作為公共建筑的代表，不僅是學(xué)校的標(biāo)志性建筑，也是師生學(xué)習(xí)的重要場(chǎng)所。圖書館空調(diào)系統(tǒng)為師生的學(xué)習(xí)工作提供舒適的環(huán)境，起到了至關(guān)重要的作用，同時(shí)也直接影響了整棟建筑的能耗?；谔K州市某院校的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與方案選擇，可以得出以下結(jié)論：

（1）根據(jù)圖書館防火分區(qū)與房間功能特點(diǎn)，將圖書館劃分為區(qū)域Ⅰ與區(qū)域Ⅱ，大空間區(qū)域Ⅰ采用一次回風(fēng)全空氣系統(tǒng)；空間較小、人員密集且啟停頻繁的區(qū)域Ⅱ采用風(fēng)機(jī)盤管+新風(fēng)的空調(diào)形式。

（2）圖書館冷熱源形式可以選擇風(fēng)冷式冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t或地源熱泵的形式，運(yùn)用BIN參數(shù)方法測(cè)算出前者的年運(yùn)行費(fèi)用為22.46萬(wàn)元，地源熱泵的年運(yùn)行費(fèi)用為18.18萬(wàn)元，地源熱泵的年運(yùn)行成本比冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t少4.28萬(wàn)元。

（3）冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t的單位面積的運(yùn)行費(fèi)用為24.05元/m2，地源熱泵的單位面積的運(yùn)行費(fèi)用為19.46元/m2。在初投資資金充足，運(yùn)行管理制度完善，后勤保障經(jīng)費(fèi)充足的條件下，宜選擇地源熱泵的冷熱源形式，有利于降低建筑能耗。