湖北省图书馆新馆暖通空调系统设计

一、工程概况

湖北省图书馆新馆位于武昌区沙湖余家湖村，北靠沙湖南岸，南临公正路，建筑地下两层，地上八层，总建筑面积为100523m ² ，其中地上部分为79699 m ² ，地下建筑面积20824 m ² ，建筑高度41.4m,设阅览坐席6279个，设计藏书1000万册, 日均读者接待能力超过10000人次。

图1  湖北省图书馆新馆鸟瞰图

本项目为湖北省“十一五”期间文化建设的重点工程，按“中西部地区领先乃至全国一流的现代化图书馆”的要求进行建设，成为了一个融学习阅读、信息交流、文化休闲等功能为一体的信息化、网络化、智能化、安全、环保、具有鲜明时代风格和荆楚文化蕴涵的现代化图书馆。

二、工程设计特点

本项目空调冷热源采用地源热泵与冰蓄冷相结合的复合式系统，并采用闭式冷却塔作为夏季辅助排热系统；空调末端采用大温差低温送风全空气系统；空调冷水采用8℃大温差系统、空调热水为5℃温差，空调冷水与热水流量相当，与空调冷热负荷的一致性较高。

三、空调冷热源系统

3.1 冷热源系统概述

夏季空调设计峰值冷负荷8050kW,冬季空调设计峰值热负荷为4600kW,在地下一层冷冻机房内设4台三工况螺杆式地源热泵机组和1台带全热回收功能的螺杆式高温型地源热泵机组,热泵机组各项性能参数如表1及表2所示；由于本项目冷热不平衡现象相当明显，为保证热泵机组在变工况下的制冷效率，设计中适当提高了热泵机组冷凝器的进出口水温。

表1 三工况螺杆式地源热泵机组性能表

表2 全热回收型地源热泵机组性能表

蓄冰装置选用非完全冻结式金属蓄冰盘管9台，单台蓄冰量为920RTh，总蓄冰量为8280RTh(29120kWh)。

辅助散热设备采用2台闭式冷却塔，单台散热量为2050kW,冷却水进水37℃，出水32.5℃，盘管压降69.3KPa, 单台通风量为331920m ³ /h，风机功率30kW，喷淋泵为11kW。

3.2 地埋管系统

地源热泵地埋管采用垂直钻孔埋管与工程桩内埋管相结合的方式。

工程桩为泥浆护壁钻孔灌注桩，桩径为800mm，平均有效桩深为19m，共208根，桩内埋管为“W型”，每两根桩串联形成一个环路。

垂直钻孔埋管为双U型，有效深度为106m，钻孔间距为5m×5m，孔径为150mm，设计总钻孔数为848孔，其中东区238孔、南区212孔、西区182孔、北区216孔。

3.3地埋管换热器埋管长度计算

地源热泵系统地埋管换热器依据《地源热泵系统工程技术规范》附录B、自编计算软件进行计算，并结合专业软件模拟验证。

土壤换热器的热阻由水与U型管内壁的对流热阻、U型管管壁热阻、回填材料的热阻、短期脉冲负荷附加热阻及地层热阻构成，其中前四项热阻为“基本热阻”，在一定的钻孔参数及确定的运行时间下为定值；而地层热阻要考虑钻孔之间的相互干扰的因素，与埋管矩阵（钻孔规模）及地源热泵系统的动态运行负荷及计算时间有关，本项目经计算的基本热阻、地层热阻及钻孔总热阻及相应的计算埋管长度如表3及表4所示：

表3 基本热阻值（平均水温: 冬9℃/夏37℃）

表4 地层热阻、总热阻及埋管长度计算表

综合考虑到热泵机组在实际运行中的情况及循环水泵发热等有利因素，确定地埋管换热器最终设计的总吸热量为3680kW，地管换热器室外钻孔总数为848孔；垂直埋管群井布置在室外绿化地带及道路下，型式为双U型管，采用规格为De25的HDPE管格，设计有效深度为106m，钻孔总深为89888m; 共耗用De25管材359kM、De32管材131kM。

3.4 土壤热平衡分析

采用DEST软件对空调全年逐时负荷进行模拟计算，全年总冷荷为526,9975kWh（6月1日至9月30日），总热负荷为197,9747kWh（12月1日至3月15日），其不平衡现象比较明显；夏季采用闭式冷却塔作为辅助冷却设备。

采用冰盘管蓄冷及冷却塔散热优先的控制模式，对夏季制冷系统运行进行了逐时模拟运行分析，系统的分项散热量（万kWh）如表5所示。

表5 制冷系统年总散热量明细表

模拟运行的结果表明，空调系统在夏季通过地埋管系统向大地的总散热量为159万kWh，冬季空调系统从土壤中总吸取的热量为158.4万kWh，其不平衡率在10%以内，可以保证全年大地土壤的热平衡。

模拟计算中设定的冷却塔的散热能力为3550kW，考虑到冷却塔的容量要与制冷机组的台数相匹配，最终冷却塔的总设计冷却能力为4100kW，能完全满足两台热泵机组制冷的需要。

四、空调系统形式

空调系统主要采用全空气低温送风系统，本项目室内设计露点温度为14.6℃，送风温度为10℃，设计中分析了三类低温送风口的性能：

（1）气流包裹类：在风口上通过合理的开口设计，让整个风口被干燥的低温送风气流完全包裹，让室内空气不与风口表面接触达到防止结露的目的；典型代表为“VDW-LT型防结露风口”，其测试报告表明在送风温度为6℃(室内露点温度20.4℃)时能保证不结露。

（2）气流隔断类：由于风口内部已经完全被低温冷气流包裹而不会结露，在风口外表面用特殊材质设一层“防结露”盖，增加风口表面热阻而达到防止结露的目的。典型代表为“ND类风口“，测试报告表明，在送风温度不低于10℃(室内相对湿度65%)时能保证不结露。

（3）气流诱导类：在风口内部设喷射核，低温气流通过喷射核四周的小喷口高速喷出，大量诱导混合室内高温空气，使送风温度在离开风口十几厘米后达到室内露点温度以上，从而防止风口表面结露，这类风口最大的优点是能适应较低的送风温度（4℃左右），缺点是风口阻力较大，超过了100Pa。典型代表为“热芯高诱导低温风口”和“吊顶式低温诱导风口”。

本项目采用“气流包裹”类的“低温防结露风口”。

五、设计体会

该项目于2010年完成全部施工图设计，2012年项目施工完毕，现已正常运行多年，效果良好。

阅览室噪音标准要求较高，设计中除采用有效的消声技术措施外，空调系统的回风管采用了消声性能较好的“玻纤复合式风管”，有利于消除空调集中回风管的噪音，但因这类风管的强度不高，在施工过程及长期运行中容易发生破损而发生泄露，在设计中应引起注意。