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中信建筑设计研究总院有限公司 马利英 雷建平 於仲义 工程概况该项目位于武汉市汉阳四新组团，其中1号能源站的供能范围为：博览中心23.7 万m2 展厅区、2.55万 m2 商业区及“二期工程”国际会议中心（8.34 万m2）。展馆建筑层数为 2 层，一层包括为展馆服务的车库、商业、人行快速通道、设备用房：外环 1 区 ~6 区、7 区 ~12 区为车库 , 内环 13~19 区为商业用房，二层为 12 个展厅及其登录厅。国际会议中心建筑层数为 6 层，由 33 个会议厅和 1 个大宴会厅构成。包含会议厅、宴会厅、休息厅（含走道）、接待室、门厅在内的空调区域建筑面积为 5.5 万平方米。1号能源站为集中空调系统提供冷源、并同时为商业区及国际会议中心的集中空调系统提供热源。会议中心按绿色三星标准设计，1号能源站采用地埋管的地源热泵系统，通过地源热泵供热、地源热泵与全变频高压离心机同时供冷。
 图 1 武汉国际博览中心核心区鸟瞰效果图 空调负荷计算分析及设计装机容量对能源站供能区域的建筑进行了空调冷负荷的逐项逐时计算，总冷负荷为 55900kW，计算总热负荷为 6160kW。结果如下表 1 所示。  表 1 空调负荷及装机容量表 考虑到展馆的同时使用系数，及展览高峰时段一般在不太炎热的五、六月份及九、十月份，而五月份空调系统的峰值冷负荷约为最炎热七月份的 49%、十月份空调系统的峰值冷负荷约为最炎热七月份的 42%。综合考虑展馆使用功能及长期发展的需求，空调系统冷负荷按计算总冷负荷的 60% 确定，能满足展览高峰期时所有 12 个展馆同时使用的需求，按此原则确定的空调系统冷量可满足在最炎热的七月份能同时投入 7 个展馆布展。考虑到展馆区与国际会议中心的冷热源中心公用合建为 1 号能源站，国际会议中心的集中空调冷热源装机容量按 70% 的同时使用系数确定。按照上述原则确定的 1 号能源站的设计装机冷负荷为 35510kW，装机热负荷为 6160kW。
 武汉国际博览中心 能源站冷热源系统设计（1） 能源站主机配置设计 1 号能源站设在展馆 7 区的一层冷冻机房处， 根据业主要求，展厅部分按单冷式系统设计，商业区及国际会议中心按冷暖双制式系统设计。热源由地埋管地源热泵机组提供，冷源由地源热泵机组及水冷离心式冷水机组共同提供。 通过冷热源方案比选能源站内设 4 台 10kV 高电压离心式冷水机组 , 单台制冷量为 7384kW(2100RT)，同时预留了一台机组的安装机位；机房内另设 2 台离心式地源热泵机组 (380V)，单台制冷量为2989kW(850RT), 制热量为 3080kW, 制冷装机总容量为 35514kW，制热装机总容量为 6160kW。  图 2 冷热源机房平面布置图 冷热源机房内设一台板式换热器，与地埋管系统和热泵机组的蒸发器形成并联环路，在热泵机组冬季供热时，关闭部分地埋管环路，以蒸发器的低温出水为一次冷冻水，通过板式换热器交换，产生免费的二次冷冻水为国际会议中心的内区制冷提供冷源。 （2）空调水系统设计 空调水系统采用二级泵变流量系统，一级泵系统按冷水机组与热泵机组分别设置，为两个并联的系统，其中热泵机组的一次泵冬夏兼用；二次泵系统共分 8 个环路，1~3 号展厅、4~6 号展厅、13~16 区的办公及商业、16~19 区的办公及商业、7~9 号展厅、10~12 号展厅、国际会议中心外区和内区各为一个环路，其中国际会议中心和展馆 13~19 区 4 个环路的二次泵兼作冬季供热的空调热水泵。夏季供回水温度为 6/13℃, 冬季空调供回水温度为 40/45℃。 地埋管水系统按一级泵变流量系统设计；地埋管水系统设电刷式自清洗过滤器，同时设两台真空脱气机。 离心式冷水机组配超低噪音横流式冷却塔，按4组设计，经与业主协商，冷却塔群设在冷冻机房附近的 7 米高架平台上。与热泵机组配套的地埋管换热器共分 4 个回路。热泵机组同时配超低噪音横流式冷却塔，按2组设计，其容量按热泵机组制冷时的散热量确定，夏季制冷季节，冷却塔与地埋管换热器交替运行，控制机组向土壤的排热量，保证土壤温度场的平衡。  图 3 集成能源站 BIM 模型图 室外地埋管换热系统设计（1）土壤热平衡 武汉地处夏热冬冷的建筑气候分区，夏季和冬季的空调冷热负荷相差较大，根据详细负荷计算结果，峰值冷热负荷相差 4960kW。这种全年空调冷、热负荷平衡严重失调，如果仅使用地埋管地源热泵系统提供冷热量，排入到土壤中的冷热量会相差更大，应采用设置辅助冷却源（冷却塔）的复合式地源热泵空调系统，来维持土壤温度在正常波动范围内 。  室外地埋管 本项目设计的埋管长度按冬季工况确定，为保证地下土壤的热平衡，确保空调系统长年有效地运行，地源热泵设置辅助冷却塔。 （2）地埋管换热系统设计 地埋管换热系统设计埋管长度按冬季空调负荷确定，根据地埋管换热器的换热能力，换热器设计冬季最大吸热量为 5000kW, 采用垂直钻孔埋管的方式，以水为循环介质。垂直埋管井群布置在展馆中心庭院下，其型式为双 U 型，设计有效深度为100m，钻孔间距为 5m×5m, 钻孔直径为 150mm；管群分为 4 个埋管区，设计总钻孔数为 1196 孔，各区钻孔数分别为A 区 388 孔、B 区 210 孔、C 区 388 孔、D 区 210 孔；总有效井深为 119600m。双 U 埋管对应的夏季设计总换热能力为 6480kW。  图 4 埋管分区布置图  图 5 多年运行工况土壤平均温度变化 （3）土壤换热器热平衡计算模拟分析 诸多工程实践表明，短时间运行对地埋管换热能力影响较小，能够满足设计要求，而长时间的运行则由于土壤温度的变化会导致地埋管换热能力衰减，甚至能够完全丧失换热能力 [2,3]。因此，需要根据各分区钻井布置情况和地源热泵系统实际的运行情况对地埋管长时间运行换热能力变化规律进行分析。将表 1 中的典型负荷作为设计工况，对于设计负荷条件下，地源热泵系统的地埋管能否实现稳定运行取决于土壤温度累积效应或恢复情况。因此， 需要对地源热泵系统地下埋管换热器的设计负荷进行基本的匹配性检验，即通过长期模拟计算观测土壤温度的变化情况。 在地埋管冷热负荷不平衡率为 10% 情况下，5年中土壤平均温度年变化曲线如图 5 所示。从图中可以看出，土壤每一年终温是呈上升趋势，但总体上升幅度不大，5 年运行期满后，土壤平均温度升高了约 0.88℃，地埋管换热效率受到的影响较小， 基本可以达到设计要求。 全变频能源站控制系统冷热源系统采用“ 全变频集成式冷冻站” 设计， 空调水采用二级泵变流量系统，冷却水采用一级泵变流量系统。 冷热源系统控制：本项目全变频自控系统运用智能的数学模型和算法 [4]，实时协调冷冻站内各子设备的运行模式，调整其运行频率，实现全自动化操作：控制系统的电脑芯片中保存了冷水机组、水泵和冷却塔风机的“最高效率运行曲线”，随着系统负荷的变化而主动调整系统的供冷量，并实时比较系统的总综合效率线是否接近“最高效率运行曲线”，并向冷水机组、水泵和冷却塔风机发出控制指令，使整个系统的部分负荷时的性能系数值最大化。  全变频能源站控制系统 控制系统对冷却塔风机和冷却水泵的转速调节采用按 " 系统冷量需求 " 来控制，系统给冷冻机提供一个用以控制其运行的冷冻水输出温度设定点， 冷水机组、冷却塔风机的转速和水泵转速根据 " 相等边际性能原则" 来改变，使整个系统的能耗最低。 冷却塔与地埋管复合式系统运行控制策略： ①设定热泵主机冷凝器进（出）口温度超过设定值时开启冷却塔； ②热泵冷凝器进（出）口流体温度与室外湿球温度之差超过设定值时开启冷却塔。 ③制冷季初终期优先使用冷却塔、检测年土壤温度升高率确定冷却塔使用频率。 总结项目经过 5 年的运行期，节能效果显著，本项目根据负荷特点及周边资源情况，采用可再生能源及常规电制冷复合式全变频集成能源站系统，提高了系统运行效率，降低了初投资，减少了碳排放。考虑到项目间歇使用附加负荷大，高大空间供热预热时间长所造成的能源浪费，1号能源站预留了同 2号能源站联络的通道，通过与 2 号能源站的联通达到资源共享、节能减排的目标。 |
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