世博軸江水源+地源熱泵復合中央空調系統

韓敏霞 董瑞芬

摘要：世博軸工程采用了多項環保、節能新技術，江水源+地源熱泵的復合式中央空調系統很好的響應了世博會“節能，環保，生態”的要求。本文對應用于世博軸的江水源熱泵系統、地源熱泵系統以及自動控制系統進行了詳細的介紹。

關鍵詞：世博軸 江水源熱泵系統 地源熱泵系統 自動控制系統

中圖分類號：TU831.3+5 文獻標識碼： A

引言

隨著我國經濟文化的不斷發展，世博會的開展也是如火如荼。而世博會的開展需要依托一定的建筑物和相關的系統才能正常運行。上海世博會中最大的單體建筑就是世博軸，世博軸的重要性是不可言喻的，世博會的各個展館和公共場合都與其息息相關，密不可分。而世博軸的江水源熱泵系統、地源熱泵系統以及自動控制系統的綜合應用，充分體現出了世博會的節能、環保以及生態等方面的特征。所以我們很有必要對世博軸的江水源熱泵系統、地源熱泵系統以及自動控制系統的應用情況進行研究。

一、工程概況

1、建筑概況

世博軸是上海世博會最大的單體建筑，南起耀華路，北至黃浦江臨江平臺，是聯系各軌道交通、磁懸浮車站的主要通道，與中國館、聯合展館、演藝中心、公共活動中心合成為世博軸園區內核心部位的一軸四館，是世博會入園主要通道，并集交通集散、商業旅游等功能于一體。世博軸南北長約1000m，東西寬80-110m，地下地上各二層，建筑膜頂高度約22m，基地面積約130000m2，總建筑面積約248000m2，建筑采用南北貫通的玻璃頂棚和中間通向地下室的玻璃陽光谷，以環保、節能的理念為世博人流提供了舒適的入園環境，又以輕盈、挺直的新型結構形象成為世博園區內的一大標志性建筑。

2、空調系統概況

世博軸采用江水源+地源熱泵的復合式冷熱源中央空調系統，利用江水和土壤作為熱泵系統的熱源或熱匯。江水源系統采用直接式系統，通過抽取黃浦江江水與熱泵機組和離心冷水機組進行換熱，江水源系統機房位于世博軸地下二層最北端，配置5臺螺桿式熱泵機組和3臺離心式冷水機組；地源熱泵系統通過與埋設在基礎下灌注樁內的換熱管與熱泵機組進行換熱，沿南北方向布置3個地源熱泵機房，其中北、中區機房配置三臺地源熱泵機組，南區配置四臺地源熱泵機組。

江水源機組、地源熱泵機組及其配套水泵多臺組合，大小搭配，既滿足設計負荷需求，又在部分負荷時節能運行。需要制訂一套完備的系統運行策略，以保證整個系統安全、高效的運行，自控系統在本項目中的地位也是舉足輕重的。

二、江水源熱泵系統

世博軸江水源系統是以黃浦江江水為冷熱源的熱泵系統，夏季時它將建筑物中的熱量轉移到江水中，由于江水溫度比用冷卻塔所得的冷卻水溫度低，所以效率較高；冬季時它從水源中提取熱量，由于江水水溫比環境溫度高，效率也比風冷熱泵機組高。世博軸北端距黃浦江邊150米，具備利用江水資源的優越條件。

1、取水量和取水口

江水源熱泵機房位于世博軸地下二層最北端，以減小江水輸送距離，設置一個機房，配置5臺螺桿式熱泵機組和3臺離心式冷水機組。根據世博會會中和會后江水源系統承擔的空調系統負荷計算，江水的取水量分別約為2700m3/h和3500m3/h。世博軸建筑是一個永久性建筑，因此取水水量及取水泵房規模等應按會后長期使用的要求進行設置。再者設計階段的會后空調負荷是依據商業策劃平面計算得出的，而會后商業面積還有可能增加，所以需要根據可能增加的商業建筑面積的最大值來計算，將增加江水取水量約2000m3/h，考慮一定的安全系數后提出江水最大取用量為6000 m3/h，取水口位于退水口上游約200m處。

2、污垢處理

經調研分析，取水口的水質在大部分時段內能滿足系統要求，但懸浮物和濁度指標較難保證，因此，采取了以下措施：在進水管路上設除污格網井；在江水泵的出水管上設置自動反沖洗過濾器；接觸江水的熱泵機組蒸發器和冷凝器以及冷水機組的冷凝器均采用抗腐蝕的銅鎳合金換熱管，熱泵機組換熱管采用光管，采用膠球進行清洗，冷水機組采用高效管，采用管刷進行清洗。另外，系統還設置全自動控制在線檢測加藥裝置，在系統停運時，對機房內江水側水路系統進行閉式循環處理，污水由下水道排出。

江水源側循環泵主要采用一次泵系統，水泵變頻調速，既保證江水供回水總管的資用壓力和水量要求，又達到節能效果。江水源用戶側循環泵采用二次泵變流量系統，分北區、中區、南區三套二級泵變頻水系統，用戶側一次泵為定流量系統，與熱泵機組和冷水機組對應開啟。

三、地源熱泵系統

地源熱泵系統是利用熱泵機組在土壤中蓄存或提取熱量，制取冷熱水為空調服務的系統。地表淺層土壤溫度呈三層分布，地表凍土層附近土壤溫度受室外大氣影響，溫度全年波動大；凍土層以下有一恒溫層，溫度全年基本不變；恒溫層下到地殼深處有一定的正溫度梯度，土壤溫度隨深度緩慢上升。上海地區凍土層較淺，5m以上土壤溫度受室外氣象影響而波動；5m以下到35m處土壤溫度基本恒定，接近全年平均氣溫（15.7℃）；35m以下土壤溫度以5℃/100m的溫度梯度上升，地下100m土壤溫度約為19℃。世博軸基地寬闊，作為一棟多層建筑，單位基地面積空調負荷密度不大，十分適宜利用淺層地溫資源。地源熱泵系統主要包括地埋管設計和地埋管聯絡兩個方面，具體表現在：

1、地埋管設計

世博軸共有工程樁和格構樁6000個左右，樁直徑為Φ600~Φ800，樁長25m和40（42）m兩種，樁間距為3.89~5.5m，除樁位密集處部分樁不利用外，其余所有工程樁全部埋設W型換熱管。本工程共埋設5500多跟換熱管，根據熱響應測試報告提供的換熱量數據（排熱量約83W/米埋深、取熱量約62W/米埋深）計算，可提供的夏季工況換熱量約為10500kW；冬季工況換熱量約7900kW。

地埋管散熱器管道采用高密度聚乙烯管（HDPE100），其公稱外徑為25mm，壁厚2.3mm，公稱壓力為1.6MPa。

2、地埋管聯絡

埋管換熱器分散穿越底板，穿出底板后的水平管道敷設于底板上的建筑面層內，進出水管分別接至位于地下二層東西兩側的分、集水器，管路同程布置；在分、集水器的每一路支管上均設有球閥，便于檢查壞管并予以隔離；系統各集水器接出管上均設置平衡閥，以均勻流量分配。

四、自動控制系統

世博軸自控系統通過采用新型的控制技術、合理的邏輯程序、不同策略的組合等技術手段，通過集中的把江水源內熱泵機組、冷水機組、一次水泵、二次水泵、取水泵，以及地源熱泵系統中的熱泵機組和循環泵等設備連接成一個有機整體，實現有機聯動，達到了節能效果，對世博軸綜合體工程空調系統的合理、節能的運行提供了良好的技術手段。針對世博軸四個機房的控制要求和地理分布情況，我們對整個系統工程規劃為1個主站，4個機房設置4個子站。

主站：負責4個機房控制系統的設備控制和數據共享。可以對子站進行設備管理和數據存儲。主站具有最高的管理權限。

子站：負責本機房設備的管理和數據存儲。

結束語

綜上所述，江水源熱泵系統、地源熱泵系統以及自動控制系統在世博軸中得到了很好的應用和發展，很好的踐行了世博會低碳、環保、節能三大理念，為世博會的人流提供了舒適的入園環境。本文通過對江水源熱泵系統、地源熱泵系統以及自動控制系統的介紹和應用，很好的闡述了江水源+地源熱泵的復合式中央空調系統的優勢與特點，更好地促進了三大系統的廣泛應用與發展。

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