对外经贸大学建设地源热泵及毛细管网生态空调系统
2015-05-22
为贯彻落实科学发展观，我校紧紧围绕节能减排、绿色、低碳校园建设这一主题，以节约使用资源和提高资源利用效率为核心，以节水、节气、节电等工程项目为重点，积极探索节约型校园、绿色和低碳校园建设的新思路、新举措，努力开展节能减排工作，努力建设绿色、低碳校园，为节约型校园建设做出了坚持不懈的探索和努力。自2004年以来，我校先后完成了22个节能减排项目，取得个较好的经济效益、育人效益和社会效益。
一、学校节约能源资源工作开展情况
为贯彻党中央关于“必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，落实到每个单位、每个家庭”的战略部署，我校高度重视节能减排、建设绿色、低碳校园建设工作。
我校紧紧围绕节能减排、绿色、低碳校园建设这一主题，以节约使用资源和提高资源利用效率为核心，以节水、节气、节电等工程项目为重点，积极探索绿色、低碳校园建设的新思路、新举措，努力开展节能减排工作，努力建设绿色、低碳校园，为学校可持续发展以及为国家节约型社会建设做出了积极的努力。
我校在推进节能减排工作的过程中，在新建图书馆和科研楼中分别应用水源热泵空调系统和地源热泵加毛细管网末端的生态空调系统，满足楼内的冬天供暖、夏季制冷需求，努力实现节约型校园建设的工作目标，把学校建设成资源节约型，环境友好型的美丽校园。
二、地源热泵加毛细管网生态空调系统在科研楼中的应用
科研楼总建筑面积22470平方米，其中：地上十一层，建筑面积19744平方米，主要功能为科研及办公等，地下一层，建筑面积2726平方米，主要为设备用房及车库等。根据建筑形式及使用功能要求，科研楼采用地源热泵制冷采暖系统，主要利用地表水的冷量和热量，为科研楼提供制冷和采暖服务。生态空调系统包括高效节能的地源热泵冷热源装置、换热新风装置及毛细管网冷热辐射末端装置在科研中的成功应用，开创了该技术在大型公建中应用的先河，实现科研楼建筑综合节能高品质目标。
科研楼建筑设计空调夏季总冷负荷1661 kW（冷指标73.9w/m2），空调冬季总热负荷1873.2kW（热指标83.4w/m2）。冷热源采用2台地源热泵机组，并联运行，每台制冷量约为1000kW，制冷季供回水设计温度7/12℃，采暖季供回水设计温度45/40℃。新风承担冷、湿负荷为860kW，总新风量为72000m3/h；毛细管辐射吊顶承担400kW显热负荷，经二次换热后，制冷季供回水设计温18/21℃；毛细管重力循环空调柜承担400kW冷、湿负荷，制冷季供回水设计温度7/12℃。
（一）地源热泵系统解决方案
地源热泵系统是利用地球表面或浅层土壤源利用热泵机组实现低温位热能向高温位转移，将土壤和地层蓄能分别在冬、夏季作为供暖的热源和空调的冷源，解决冬天采暖，夏季制冷问题。地源热泵是利用大地十米之下的地层一年四季均保持一个相对稳定的温度（北京地区15℃左右）的特点，通过埋藏在地下的换热器，与土壤或岩石交换热量，并在处理后供给室内需求。将利用此技术实现冬季采暖，夏季制冷功能。
科研楼地源热泵系统在室外利用诚信楼北、西侧及清远楼南侧绿地（约1万平方米），地下打520个孔布设换热器，孔的直径约为150-180cm，孔的深度为80m和100m，地埋管系统主要是地埋管竖孔井内装置，包括PE管材。系统进入地源热泵机组进行能量转换。
空调机房内配置主要设备包括：两台出力1100kW地源热泵主机机组，屏蔽泵、补水泵、自动定压补水装置、螺旋真空脱气机、全效水处理器、补水箱、全自动软水器、板式换热器、地源侧集、分水器、末端侧集、配电柜等。
（二）毛细管网末端系统解决方案
科研楼内采用与地源热泵系统配套的毛细管网末端系统，该末端是可以改变人类未来生活方式的先进空调末端，是一个终极的末端。毛细管网以水为介质输送能量，厚度一般4.3mm，轻薄、柔软、荷载小，可以很方便地与装饰层结合安装在顶棚、地面或墙面，均匀散布能量，就像皮肤中的毛细血管一样柔和地调节室内温度，具有高效节能和高舒适度的特点。
结合科研楼建筑设计使用功能要求，毛细管网铺设须满足使用功能、装修风格、合理造价三方面，新建科研楼空调末端设计采用以下四种形式：
1、 金属吊顶毛细辐射+毛细重力柜+新风除湿。安装金属吊顶毛细辐射面积799.17平方米，毛细重力柜56组，满足建筑面积1300平方米的建筑冷热负荷要求，主要包括MBA教室（120/90人）。
毛细管冷辐射吊顶外观图
2、抹灰吊顶毛细辐射+毛细重力柜+新风除湿。安装抹灰吊顶毛细辐射面积2656.1平方米，毛细重力柜128组，满足建筑面积3340平方米的建筑冷热负荷要求，主要包括MBA教室（50/40）、办公室、会议室、硕博教室、资料库等中型空间；校史馆、档案室、阅览区等大型空间及报告厅、交流空间、咖啡座等公共空间。
3、抹灰吊顶毛细辐射+新风除湿。安装抹灰吊顶毛细辐射面积1980.8平方米，满足建筑面积2570平方米的建筑冷热负荷要求，主要包括大厅、资料复印室、办公室、硕博教室等。
毛细管网栅连管保温
4、毛细重力柜+新风除湿。本项目采用的毛细管重力循环空调柜与教室的衣柜相结合、与室内的装修风格相结合，在保证使用功能的前提下，达到整体美观实用的效果。安装毛细重力柜154组，满足建筑面积2230平方米的建筑冷热负荷要求，主要包括教授研究室、案例讨论室和小办公室等小型空间。
5、风机盘管+新风。满足建筑面积18700平方米的建筑冷热负荷要求，主要包括中厅共享空间、部分走廊、卫生间等公共空间。
毛细管辐射金属板及重力循环柜安装效果
（三）毛细管系统的关键技术问题的解决方法
1、解决系统结露问题
在科研楼末端系统单元中安装露点感应器，自动探测毛细管网栅和周围环境中发生结露的可能性。通常，吊顶温度是根据设计条件来定的/根据室内温度26℃和相对湿度50%计算得出的冷负荷得出供水温度16℃和回水温度18/19℃。这样就可以在高于露点温度约1K的条件下使室内环境达到上述要求，并保证供水温度是定值。这样开关控制非常简单，系统在高湿度和高结露危险时就会关闭，以此保证冷吊顶能有效运行而不受损坏。当达到干燥状态时，控制器又会重新打开系统。有效地解决了系统结露问题。
图 露点探测器
2、水中杂质堵塞毛细管问题
管道堵塞不外乎两种情况，其一是固体杂质粘附于管道内壁导致过流面积减小，其二是固体颗粒之间互相凝聚导致粒径增大。由于毛细管内壁面光滑而且无孔，表面粗糙度很小，因而上述第一种情况发生的几率非常小。为防止毛细管被水系统管道施工安装中产生的尘粒、焊渣（welding slag）等杂质因凝聚导致堵塞，要求上水中的杂质粒径必须在0.5mm以下。基于这种要求，在二次水系统的补水侧安装了线绕滤芯水过滤装置进行过滤处理，保证杂质粒径在允许范围之内，并在系统初调试前进行清洗工作。
3、毛细管渗氧性问题
与所有可焊接的塑料相同，聚丙烯材料有透氧性。这就意味着它的一个重要特性是：氧气将通过毛细管壁进入设备并扩散，直至设备中的氧气成饱和状态。为了防止氧化产生泥，将系统分成有冷热源组成的一次循环和通过不锈钢热交换器组成的二次循环，这样就形成了两个独立的循环：一次循环（从冷热源到热交换器）和二次循环（从热交换器到毛细管系统）。热交换器是二次循环中一个紧凑的换热站，由循环水泵、膨胀水箱和其他设备组成。所有与水接触的部件都必须采用防腐蚀材料，如塑料、青铜或黄铜。如果满足这个要求，那么就不会发生毛细管阻塞现象，进入的氧气也不足为惧，不需要抗氧化剂了。
（四）地源热泵系统节能效果分析
科研楼于2011年竣工建成，经节能审计单位对节能效果分析，将已经投入使用的地源热泵系统和一般建筑常规采用的电制冷机组和天然气锅炉采暖形式进行制冷季和采暖季的用能情况比较，分析介绍如下：
1.制冷季分析
地源热泵制冷季节能量
|
节电量合计(万kWh) |
电价(元/kWh) |
电费(万元) |
折标系数 |
折标准煤(tce) |
|
17.76 |
0.483 |
8.58 |
1.229 |
21.83 |
2.采暖季分析
热泵采暖与天然气采暖节能量分析
|
天然气采暖折标准煤（tce） |
水源热泵采暖折标准煤（tce） |
节约标准煤量（tce） |
|
221.12 |
75.27 |
145.85 |
热泵采暖与天然气采暖经济性分析
地源热泵制冷季和采暖季经济性分析
|
年节约天然气量（万m3） |
年节约用电量 (万kWh) |
年节约费用(万元) |
折合标准煤(tce) |
|
18.21 |
17.76 |
20.52 |
167.68 |
经节能审计单位计算，科研楼采用地源热泵为制冷季和采暖季提供服务，节能效果显著。年节约用电量17.76万kWh，年能节约天然气18.21万m3，折合标准煤167.68tce，年节约费用20.52万元。其中，地源热泵制冷季每年能节约电量18.57万kWh，折合标准煤21.83tce，年节约电费8.58万元；地源热泵采暖季每年能节约天然气18.21万m3，折标准煤221.12tce，热泵采暖年用电量61.24万kWh，折标准煤75.27tce，热泵采暖与天然气锅炉供暖相比，年节约标准煤145.85tce，年节约费用11.94万元。年节约费用占天然气采暖费用的28.75%。
（五）社会效益
年减少碳排放385.67吨，大量减少了温室气体的排放，为保护环境起着积极的作用。
新建科研楼地源热泵加毛细管网末端生态空调系统的设计和使用是我校节能减排工作开展的重要成果，也是我校节能减排理念的贯彻落实和具体应用。同时，近几年，我校节约型校园建设工作取得了良好的经济效益、育人效益社会效益，得到了社会的关注和好评。2007年，我校被确定为全国首批节约型校园建设先进试点高校之一；2008年，被北京市确定为“节约型学校”建设优秀高校。2009年，《教育部简报》以及《南方周末》、《中国教育报》等多家媒体对我校节能减排工作做了专题报道；2012年，被人力资源和社会保障部、国家发展和改革委员会、环境保护部、财政部四部委评选为 “十一五”时期“全国节能先进集体”荣誉称号，成为全国高校中唯一获此殊荣的高校。
