中信建筑設計研究總院有限公司 馬利英 雷建平 於仲義

工程概況

該項目位于武漢市漢陽四新組團，其中1號能源站的供能范圍為：博覽中心23.7 萬m2 展廳區(qū)、2.55萬 m2 商業(yè)區(qū)及“二期工程”國際會議中心（8.34 萬m2）。展館建筑層數(shù)為 2 層，一層包括為展館服務的車庫、商業(yè)、人行快速通道、設備用房：外環(huán) 1 區(qū) ~6 區(qū)、7 區(qū) ~12 區(qū)為車庫 , 內環(huán) 13~19 區(qū)為商業(yè)用房，二層為 12 個展廳及其登錄廳。國際會議中心建筑層數(shù)為 6 層，由 33 個會議廳和 1 個大宴會廳構成。包含會議廳、宴會廳、休息廳（含走道）、接待室、門廳在內的空調區(qū)域建筑面積為 5.5 萬平方米。1號能源站為集中空調系統(tǒng)提供冷源、并同時為商業(yè)區(qū)及國際會議中心的集中空調系統(tǒng)提供熱源。會議中心按綠色三星標準設計，1號能源站采用地埋管的地源熱泵系統(tǒng)，通過地源熱泵供熱、地源熱泵與全變頻高壓離心機同時供冷。

圖 1 武漢國際博覽中心核心區(qū)鳥瞰效果圖

空調負荷計算分析及設計裝機容量

對能源站供能區(qū)域的建筑進行了空調冷負荷的逐項逐時計算，總冷負荷為 55900kW，計算總熱負荷為 6160kW。結果如下表 1 所示。

表 1 空調負荷及裝機容量表

考慮到展館的同時使用系數(shù)，及展覽高峰時段一般在不太炎熱的五、六月份及九、十月份，而五月份空調系統(tǒng)的峰值冷負荷約為最炎熱七月份的 49%、十月份空調系統(tǒng)的峰值冷負荷約為最炎熱七月份的 42%。綜合考慮展館使用功能及長期發(fā)展的需求，空調系統(tǒng)冷負荷按計算總冷負荷的 60% 確定，能滿足展覽高峰期時所有 12 個展館同時使用的需求，按此原則確定的空調系統(tǒng)冷量可滿足在最炎熱的七月份能同時投入 7 個展館布展?？紤]到展館區(qū)與國際會議中心的冷熱源中心公用合建為 1 號能源站，國際會議中心的集中空調冷熱源裝機容量按 70% 的同時使用系數(shù)確定。按照上述原則確定的 1 號能源站的設計裝機冷負荷為 35510kW，裝機熱負荷為 6160kW。

武漢國際博覽中心

能源站冷熱源系統(tǒng)設計

（1） 能源站主機配置設計

1 號能源站設在展館 7 區(qū)的一層冷凍機房處， 根據(jù)業(yè)主要求，展廳部分按單冷式系統(tǒng)設計，商業(yè)區(qū)及國際會議中心按冷暖雙制式系統(tǒng)設計。熱源由地埋管地源熱泵機組提供，冷源由地源熱泵機組及水冷離心式冷水機組共同提供。

通過冷熱源方案比選能源站內設 4 臺 10kV 高電壓離心式冷水機組 , 單臺制冷量為 7384kW(2100RT)，同時預留了一臺機組的安裝機位；機房內另設 2 臺離心式地源熱泵機組 (380V)，單臺制冷量為2989kW(850RT), 制熱量為 3080kW, 制冷裝機總容量為 35514kW，制熱裝機總容量為 6160kW。

圖 2 冷熱源機房平面布置圖

冷熱源機房內設一臺板式換熱器，與地埋管系統(tǒng)和熱泵機組的蒸發(fā)器形成并聯(lián)環(huán)路，在熱泵機組冬季供熱時，關閉部分地埋管環(huán)路，以蒸發(fā)器的低溫出水為一次冷凍水，通過板式換熱器交換，產生免費的二次冷凍水為國際會議中心的內區(qū)制冷提供冷源。

（2）空調水系統(tǒng)設計

空調水系統(tǒng)采用二級泵變流量系統(tǒng)，一級泵系統(tǒng)按冷水機組與熱泵機組分別設置，為兩個并聯(lián)的系統(tǒng)，其中熱泵機組的一次泵冬夏兼用；二次泵系統(tǒng)共分 8 個環(huán)路，1~3 號展廳、4~6 號展廳、13~16 區(qū)的辦公及商業(yè)、16~19 區(qū)的辦公及商業(yè)、7~9 號展廳、10~12 號展廳、國際會議中心外區(qū)和內區(qū)各為一個環(huán)路，其中國際會議中心和展館 13~19 區(qū) 4 個環(huán)路的二次泵兼作冬季供熱的空調熱水泵。夏季供回水溫度為 6/13℃, 冬季空調供回水溫度為 40/45℃。

地埋管水系統(tǒng)按一級泵變流量系統(tǒng)設計；地埋管水系統(tǒng)設電刷式自清洗過濾器，同時設兩臺真空脫氣機。

離心式冷水機組配超低噪音橫流式冷卻塔，按4組設計，經與業(yè)主協(xié)商，冷卻塔群設在冷凍機房附近的 7 米高架平臺上。與熱泵機組配套的地埋管換熱器共分 4 個回路。熱泵機組同時配超低噪音橫流式冷卻塔，按2組設計，其容量按熱泵機組制冷時的散熱量確定，夏季制冷季節(jié)，冷卻塔與地埋管換熱器交替運行，控制機組向土壤的排熱量，保證土壤溫度場的平衡。

圖 3 集成能源站 BIM 模型圖

室外地埋管換熱系統(tǒng)設計

（1）土壤熱平衡

武漢地處夏熱冬冷的建筑氣候分區(qū)，夏季和冬季的空調冷熱負荷相差較大，根據(jù)詳細負荷計算結果，峰值冷熱負荷相差 4960kW。這種全年空調冷、熱負荷平衡嚴重失調，如果僅使用地埋管地源熱泵系統(tǒng)提供冷熱量，排入到土壤中的冷熱量會相差更大，應采用設置輔助冷卻源（冷卻塔）的復合式地源熱泵空調系統(tǒng)，來維持土壤溫度在正常波動范圍內 。

室外地埋管

本項目設計的埋管長度按冬季工況確定，為保證地下土壤的熱平衡，確?？照{系統(tǒng)長年有效地運行，地源熱泵設置輔助冷卻塔。

（2）地埋管換熱系統(tǒng)設計

地埋管換熱系統(tǒng)設計埋管長度按冬季空調負荷確定，根據(jù)地埋管換熱器的換熱能力，換熱器設計冬季最大吸熱量為 5000kW, 采用垂直鉆孔埋管的方式，以水為循環(huán)介質。垂直埋管井群布置在展館中心庭院下，其型式為雙 U 型，設計有效深度為100m，鉆孔間距為 5m×5m, 鉆孔直徑為 150mm；管群分為 4 個埋管區(qū)，設計總鉆孔數(shù)為 1196 孔，各區(qū)鉆孔數(shù)分別為A 區(qū) 388 孔、B 區(qū) 210 孔、C 區(qū) 388 孔、D 區(qū) 210 孔；總有效井深為 119600m。雙 U 埋管對應的夏季設計總換熱能力為 6480kW。

圖 4 埋管分區(qū)布置圖

圖 5 多年運行工況土壤平均溫度變化

（3）土壤換熱器熱平衡計算模擬分析

諸多工程實踐表明，短時間運行對地埋管換熱能力影響較小，能夠滿足設計要求，而長時間的運行則由于土壤溫度的變化會導致地埋管換熱能力衰減，甚至能夠完全喪失換熱能力 [2,3]。因此，需要根據(jù)各分區(qū)鉆井布置情況和地源熱泵系統(tǒng)實際的運行情況對地埋管長時間運行換熱能力變化規(guī)律進行分析。將表 1 中的典型負荷作為設計工況，對于設計負荷條件下，地源熱泵系統(tǒng)的地埋管能否實現(xiàn)穩(wěn)定運行取決于土壤溫度累積效應或恢復情況。因此， 需要對地源熱泵系統(tǒng)地下埋管換熱器的設計負荷進行基本的匹配性檢驗，即通過長期模擬計算觀測土壤溫度的變化情況。

在地埋管冷熱負荷不平衡率為 10% 情況下，5年中土壤平均溫度年變化曲線如圖 5 所示。從圖中可以看出，土壤每一年終溫是呈上升趨勢，但總體上升幅度不大，5 年運行期滿后，土壤平均溫度升高了約 0.88℃，地埋管換熱效率受到的影響較小， 基本可以達到設計要求。

全變頻能源站控制系統(tǒng)

冷熱源系統(tǒng)采用“ 全變頻集成式冷凍站” 設計， 空調水采用二級泵變流量系統(tǒng)，冷卻水采用一級泵變流量系統(tǒng)。

冷熱源系統(tǒng)控制：本項目全變頻自控系統(tǒng)運用智能的數(shù)學模型和算法 [4]，實時協(xié)調冷凍站內各子設備的運行模式，調整其運行頻率，實現(xiàn)全自動化操作：控制系統(tǒng)的電腦芯片中保存了冷水機組、水泵和冷卻塔風機的“最高效率運行曲線”，隨著系統(tǒng)負荷的變化而主動調整系統(tǒng)的供冷量，并實時比較系統(tǒng)的總綜合效率線是否接近“最高效率運行曲線”，并向冷水機組、水泵和冷卻塔風機發(fā)出控制指令，使整個系統(tǒng)的部分負荷時的性能系數(shù)值最大化。

全變頻能源站控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)對冷卻塔風機和冷卻水泵的轉速調節(jié)采用按 " 系統(tǒng)冷量需求 " 來控制，系統(tǒng)給冷凍機提供一個用以控制其運行的冷凍水輸出溫度設定點， 冷水機組、冷卻塔風機的轉速和水泵轉速根據(jù) " 相等邊際性能原則" 來改變，使整個系統(tǒng)的能耗最低。

冷卻塔與地埋管復合式系統(tǒng)運行控制策略：

①設定熱泵主機冷凝器進（出）口溫度超過設定值時開啟冷卻塔；

②熱泵冷凝器進（出）口流體溫度與室外濕球溫度之差超過設定值時開啟冷卻塔。

③制冷季初終期優(yōu)先使用冷卻塔、檢測年土壤溫度升高率確定冷卻塔使用頻率。

總結

項目經過 5 年的運行期，節(jié)能效果顯著，本項目根據(jù)負荷特點及周邊資源情況，采用可再生能源及常規(guī)電制冷復合式全變頻集成能源站系統(tǒng)，提高了系統(tǒng)運行效率，降低了初投資，減少了碳排放?？紤]到項目間歇使用附加負荷大，高大空間供熱預熱時間長所造成的能源浪費，1號能源站預留了同 2號能源站聯(lián)絡的通道，通過與 2 號能源站的聯(lián)通達到資源共享、節(jié)能減排的目標。