世博轴江水源+地源热泵复合中央空调系统

韩敏霞 董瑞芬

摘要：世博轴工程采用了多项环保、节能新技术，江水源+地源热泵的复合式中央空调系统很好的响应了世博会“节能，环保，生态”的要求。本文对应用于世博轴的江水源热泵系统、地源热泵系统以及自动控制系统进行了详细的介绍。

关键词：世博轴 江水源热泵系统 地源热泵系统 自动控制系统

中图分类号：TU831.3+5 文献标识码： A

引言

随着我国经济文化的不断发展，世博会的开展也是如火如荼。而世博会的开展需要依托一定的建筑物和相关的系统才能正常运行。上海世博会中最大的单体建筑就是世博轴，世博轴的重要性是不可言喻的，世博会的各个展馆和公共场合都与其息息相关，密不可分。而世博轴的江水源热泵系统、地源热泵系统以及自动控制系统的综合应用，充分体现出了世博会的节能、环保以及生态等方面的特征。所以我们很有必要对世博轴的江水源热泵系统、地源热泵系统以及自动控制系统的应用情况进行研究。

一、工程概况

1、建筑概况

世博轴是上海世博会最大的单体建筑，南起耀华路，北至黄浦江临江平台，是联系各轨道交通、磁悬浮车站的主要通道，与中国馆、联合展馆、演艺中心、公共活动中心合成为世博轴园区内核心部位的一轴四馆，是世博会入园主要通道，并集交通集散、商业旅游等功能于一体。世博轴南北长约1000m，东西宽80-110m，地下地上各二层，建筑膜顶高度约22m，基地面积约130000m2，总建筑面积约248000m2，建筑采用南北贯通的玻璃顶棚和中间通向地下室的玻璃阳光谷，以环保、节能的理念为世博人流提供了舒适的入园环境，又以轻盈、挺直的新型结构形象成为世博园区内的一大标志性建筑。

2、空调系统概况

世博轴采用江水源+地源热泵的复合式冷热源中央空调系统，利用江水和土壤作为热泵系统的热源或热汇。江水源系统采用直接式系统，通过抽取黄浦江江水与热泵机组和离心冷水机组进行换热，江水源系统机房位于世博轴地下二层最北端，配置5台螺杆式热泵机组和3台离心式冷水机组；地源热泵系统通过与埋设在基础下灌注桩内的换热管与热泵机组进行换热，沿南北方向布置3个地源热泵机房，其中北、中区机房配置三台地源热泵机组，南区配置四台地源热泵机组。

江水源机组、地源热泵机组及其配套水泵多台组合，大小搭配，既满足设计负荷需求，又在部分负荷时节能运行。需要制订一套完备的系统运行策略，以保证整个系统安全、高效的运行，自控系统在本项目中的地位也是举足轻重的。

二、江水源热泵系统

世博轴江水源系统是以黄浦江江水为冷热源的热泵系统，夏季时它将建筑物中的热量转移到江水中，由于江水温度比用冷却塔所得的冷却水温度低，所以效率较高；冬季时它从水源中提取热量，由于江水水温比环境温度高，效率也比风冷热泵机组高。世博轴北端距黄浦江边150米，具备利用江水资源的优越条件。

1、取水量和取水口

江水源热泵机房位于世博轴地下二层最北端，以减小江水输送距离，设置一个机房，配置5台螺杆式热泵机组和3台离心式冷水机组。根据世博会会中和会后江水源系统承担的空调系统负荷计算，江水的取水量分别约为2700m3/h和3500m3/h。世博轴建筑是一个永久性建筑，因此取水水量及取水泵房规模等应按会后长期使用的要求进行设置。再者设计阶段的会后空调负荷是依据商业策划平面计算得出的，而会后商业面积还有可能增加，所以需要根据可能增加的商业建筑面积的最大值来计算，将增加江水取水量约2000m3/h，考虑一定的安全系数后提出江水最大取用量为6000 m3/h，取水口位于退水口上游约200m处。

2、污垢处理

经调研分析，取水口的水质在大部分时段内能满足系统要求，但悬浮物和浊度指标较难保证，因此，采取了以下措施：在进水管路上设除污格网井；在江水泵的出水管上设置自动反冲洗过滤器；接触江水的热泵机组蒸发器和冷凝器以及冷水机组的冷凝器均采用抗腐蚀的铜镍合金换热管，热泵机组换热管采用光管，采用胶球进行清洗，冷水机组采用高效管，采用管刷进行清洗。另外，系统还设置全自动控制在线检测加药装置，在系统停运时，对机房内江水侧水路系统进行闭式循环处理，污水由下水道排出。

江水源侧循环泵主要采用一次泵系统，水泵变频调速，既保证江水供回水总管的资用压力和水量要求，又达到节能效果。江水源用户侧循环泵采用二次泵变流量系统，分北区、中区、南区三套二级泵变频水系统，用户侧一次泵为定流量系统，与热泵机组和冷水机组对应开启。

三、地源热泵系统

地源热泵系统是利用热泵机组在土壤中蓄存或提取热量，制取冷热水为空调服务的系统。地表浅层土壤温度呈三层分布，地表冻土层附近土壤温度受室外大气影响，温度全年波动大；冻土层以下有一恒温层，温度全年基本不变；恒温层下到地壳深处有一定的正温度梯度，土壤温度随深度缓慢上升。上海地区冻土层较浅，5m以上土壤温度受室外气象影响而波动；5m以下到35m处土壤温度基本恒定，接近全年平均气温（15.7℃）；35m以下土壤温度以5℃/100m的温度梯度上升，地下100m土壤温度约为19℃。世博轴基地宽阔，作为一栋多层建筑，单位基地面积空调负荷密度不大，十分适宜利用浅层地温资源。地源热泵系统主要包括地埋管设计和地埋管联络两个方面，具体表现在：

1、地埋管设计

世博轴共有工程桩和格构桩6000个左右，桩直径为Φ600~Φ800，桩长25m和40（42）m两种，桩间距为3.89~5.5m，除桩位密集处部分桩不利用外，其余所有工程桩全部埋设W型换热管。本工程共埋设5500多跟换热管，根据热响应测试报告提供的换热量数据（排热量约83W/米埋深、取热量约62W/米埋深）计算，可提供的夏季工况换热量约为10500kW；冬季工况换热量约7900kW。

地埋管散热器管道采用高密度聚乙烯管（HDPE100），其公称外径为25mm，壁厚2.3mm，公称压力为1.6MPa。

2、地埋管联络

埋管换热器分散穿越底板，穿出底板后的水平管道敷设于底板上的建筑面层内，进出水管分别接至位于地下二层东西两侧的分、集水器，管路同程布置；在分、集水器的每一路支管上均设有球阀，便于检查坏管并予以隔离；系统各集水器接出管上均设置平衡阀，以均匀流量分配。

四、自动控制系统

世博轴自控系统通过采用新型的控制技术、合理的逻辑程序、不同策略的组合等技术手段，通过集中的把江水源内热泵机组、冷水机组、一次水泵、二次水泵、取水泵，以及地源热泵系统中的热泵机组和循环泵等设备连接成一个有机整体，实现有机联动，达到了节能效果，对世博轴综合体工程空调系统的合理、节能的运行提供了良好的技术手段。针对世博轴四个机房的控制要求和地理分布情况，我们对整个系统工程规划为1个主站，4个机房设置4个子站。

主站：负责4个机房控制系统的设备控制和数据共享。可以对子站进行设备管理和数据存储。主站具有最高的管理权限。

子站：负责本机房设备的管理和数据存储。

结束语

综上所述，江水源热泵系统、地源热泵系统以及自动控制系统在世博轴中得到了很好的应用和发展，很好的践行了世博会低碳、环保、节能三大理念，为世博会的人流提供了舒适的入园环境。本文通过对江水源热泵系统、地源热泵系统以及自动控制系统的介绍和应用，很好的阐述了江水源+地源热泵的复合式中央空调系统的优势与特点，更好地促进了三大系统的广泛应用与发展。

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