空調系統在綠色住宅節能應用方面的優化設計

崔 超 魏義平 陸蘭馨 谷志旺

上海建工四建集團有限公司 上海 201103

隨著社會城市化水平和人民生活水平的提高，人們越來越趨向于集中居住在大型小區。統計數據顯示，住宅生活的能量消耗中，采暖空調的能量消耗占總消耗的65%，生活熱水、電氣照明等只分別占15%和14%。這是因為通過圍護結構散失的能量和采暖供熱系統的能量消耗在整個建筑能耗中占比大；同時嚴重的霧霾天氣和裝修造成的室內空氣污染使人們對室內空氣品質也異常關心。這些因素加強了人們對于住宅小區的節能型和舒適性的需求[1-4]。本文通過介紹南京某小區對冷熱源和末端空調形式的選擇，計算小區整體運行費用，提出了在綠色住宅中空調系統的優化設計。

1 地源熱泵空調系統

1.1 工作原理

地源熱泵是一種利用地下淺層地熱資源，既可以制冷又可以供熱的高效節能系統。這種空調系統是將換熱器置于地下，以水為熱量載體，水在地埋管與熱泵機組之間循環流動，實現機組與土壤之間的熱量交換。

其工作原理為依靠消耗較少的電能驅動熱泵機組，通過四通換向閥的切換，實現不同的能量需求。夏季將房間內的熱量轉移到地下，對房間進行降溫，同時儲存熱量，以備冬用；冬季則是將土壤的熱量轉移到房間，對房間進行供熱。大地提供了一個良好的免費能量儲存源泉，這樣就實現了能量的季節轉換。但是，為了保持全年在土壤中儲存或吸取的熱量平衡，有時需要設置冷卻塔或鍋爐作為補充的冷卻源或輔助熱源。

1.2 系統優勢

地下土壤溫度全年基本保持在15.5～16.5 ℃之間，所以地源熱泵空調系統不像風冷熱泵那樣容易受到環境溫度影響，可以全年保持較高的系統能效比；同時土壤的蓄熱能力遠高于空氣，不易由于空調系統排放的廢熱而造成住宅小區的“熱島效應”。

地源熱泵供冷時熱量存于地下，供暖所需能量大部分來源于地能，有25%左右來源于電力輸入，相對于傳統的冷水機組加鍋爐的形式，既減少了一次性礦石能源消耗造成的污染，又能減少大型冷卻塔和鍋爐房的占地面積，保證了住宅小區土地的高利用率。

地源熱泵空調系統只是利用土壤進行熱轉換，不需要像地下水源熱泵那樣通過抽取地下水與空調循環系統進行換熱，并回灌到地下水層，因而對環境沒有污染；同時空調系統適用性更強，不受水資源豐富性程度的限制。

2 末端形式

2.1 舒適性優化

一般情況下，人體產生的全部熱量有30%通過對流散熱，45%通過輻射散熱，25%通過蒸發散熱。傳統普通分體式家用空調或室內機通常采用頂送風或側送風的對流制冷形式，而氣體運動速度是影響人體舒適性的一個重要因素。當氣流速度變大時，可以加強人體的對流、蒸發換熱，有利于人體熱平衡，但氣流速度過大會使人產生吹冷風的感覺，長期處于通風氣流下，甚至會患病；非變頻家用空調通常采用啟停控制，而溫度傳感器一般設置在靠蒸發器盤管的位置，這樣容易造成室內溫度場分布不均勻的情況，即雖然溫度傳感器檢測房間溫度已達到要求而使空調停止制冷，但房間內部分角落區域的空氣可能并未經過充分的對流熱交換。

運用天棚輻射+置換新風冷暖系統，將耐熱阻氧聚乙烯管構成的盤管預埋在鋼筋混凝土樓板內，通過冷熱媒水將頂板變成一塊均勻的輻射面，與人體進行熱交換。這種輻射換熱方式非常契合人體的主要散熱方式，提高了熱舒適性。同時輻射吊頂的制冷能力隨輻射板冷媒水溫與室內空氣溫度之間差值的增加而增加，當室外溫度升高時，室內空氣溫度也隨之升高，此時輻射吊頂的工作溫差變大，輻射吊頂的制冷量也自動增大，可以使房間溫度維持在比較穩定的范圍內。

屋頂設置新風處理機組，設回風段、初中效過濾段、變冷加濕段、送風段、消聲段等，新風經過處理后統一送入各住戶內，其空氣處理質量明顯高于一般家用新風處理機。送至戶內的新風以較低的風速（0.2～0.3 m/s）和小溫差經置換風口送入人員活動區。在送風氣流及室內熱源形成的對流氣流共同作用下，攜帶污染物和熱量從頂部排（回）風口排出，形成了自地板至吊頂的全面空氣流動；同時上部區的空氣不會再循環進入下部區，保證了室內空氣質量。

2.2 節能型優化

天棚輻射+置換新風冷暖系統在節能方面主要考慮以下3點：

1）有關實驗表明，在冷輻射作用下，人在房間內所感受到的溫度比實際溫度低于2～3 K。這意味著在人的舒適感相同的情況下，使用冷輻射的房間，設計空氣溫度可以比常規系統的房間高2～3 K。從理論上講，這可以節能20%～30%。

2）室內污濁的空氣通過管井統一排至屋頂新風機組內，通過與室外空氣進行熱交換，回收部分能量。

3）在一年的某些季節，制冷機組可以不運行，而利用冷卻塔進行自然冷卻來直接供冷。根據冷卻塔的冷卻特性可知，冷卻塔進出水溫差在5 K的前提下，當室外空氣溫度為10 ℃時，冷卻塔的出水溫度就已經低到14 ℃。

3 經濟性分析

南京某小區工程位于南京市河西區域，住宅樓最高29層，項目總建筑面積約為274 664 m2。總冷負荷8 688.2 kW，總熱負荷5 635.9 kW，采用地源熱泵空調系統制冷、供熱并提供生活熱水，空調末端采用內天棚輻射吊頂+置換通風。

3.1 初投資

本項目地源熱泵系統工程的綜合單價約為520元/m2，主要包括熱泵機組設備、安裝費，相對于常規系統增加了鉆孔、地埋管管線、天棚盤管、新風管道及風機、自控控制部分等。

3.2 運行費用分析

本案例的電費按照0.5483元/（kW·h）計算，平均負荷率按0.7。通過采集空調系統運行數據，可以計算出地源熱泵空調系統在2018年9月—2019年1月這5個月期間的總運行費用為2 695 000元，采用戶式中央空調系統的總運行費用為3 278 000元（表1）。

表1 運行電量統計

從運行費用分析（表2）中可以看到，在5個月空調整體需求不高的情況下，地源熱泵空調系統在保持24 h不間斷運行且提供新風的工況下，仍然比分體空調系統運行費用更低。在制冷和供暖需求旺盛的情況下，其費用差距會更加明顯，地源熱泵系統的熱水費用更是比電熱水器節省了75%。

表2 運行費用分析

3.3 其他

由于避免了業主采用分體式空調，故建筑外立面沒有因預留墻洞而遭到破壞，同時室外機的廢熱和噪聲問題也得以解決，大量室外機外掛形成的安全隱患也得以消除。

北方集中供暖系統的常年運行使區域供冷暖管理系統日臻成熟，輔以現代化的數據采集和監控系統，物業管理部門可以對小區統一管理，及時發現并解決問題，同時在管理過程中能夠與小業主充分交流，從而使管理互動性更強且更有效。

小區屋頂增設了新風空調箱，室外新風經降溫（加熱）、除濕（加濕）、過濾等處理后，統一送至各住戶房間，較采用分體式空調形式，住戶房間空氣質量有了明顯改善和保證。天棚輻射盤管敷設在混凝土樓板中，新風管置于房間架空地板處，整體占用層高為0.075 m，對房間空間占用小，對建筑立面和室內家具布置等沒有影響。

4 結語

本文通過對地源熱泵系統原理的和天棚輻射末端形式的介紹，提出了住宅的空調系統在節能應用方面的優化設計，它不僅能夠滿足人們對于住宅內部安全、舒適、健康的環境要求，同時在節能方面也貢獻頗多，既響應了國家關于綠色節能的政策號召，又擁有可觀的投入回報比。相信在不久的將來，綠色低碳住宅的理念會得到越來越多的人的響應，綠色節能技術也會逐步得到推廣和應用。