科技住宅冷熱源設備專用供配電系統(tǒng)設計的探討

撒世忠, 王 林

(1.無錫市政設計研究院有限公司, 江蘇 無錫 214000;2.中建五局建筑設計院, 湖南 長沙 410006)

0 引 言

科技住宅中整個社區(qū)在地下室集中設置復合土壤源熱泵能源站,在地下室或屋頂或地下室和屋頂集中設置置換新風機組,戶內(nèi)采用靜態(tài)的地板置換新風技術、頂棚輻射管(或毛細管輻射)供冷供熱等技術,以實現(xiàn)整個社區(qū)集中供冷供熱。該系統(tǒng)末端形式是溫/濕度獨立控制(Temperature and Humidity Independent Control,THIC)技術的成功典范:采用保溫性能良好的外墻保溫體系,以及氣密性高、綜合隔熱性能好的門窗,以最大限度地降低空調(diào)系統(tǒng)能耗,進而降低運營成本;末端采用頂棚和墻面設置毛細管席或僅采用頂棚輻射管通過輻射的傳熱方式來對室內(nèi)進行夏季降溫,冬季供熱,而公共區(qū)域設置集中24 h新風機組對室內(nèi)進行冬季加濕、夏季除濕;單位面積空調(diào)冷負荷可控制在40～60 W/m2[1]。

區(qū)別于傳統(tǒng)住宅公建配套的用電,科技住宅需要為地下室大型能源站內(nèi)復合土壤源熱泵冷熱水機組及其相關設備的大容量動力負荷配電,需采用專用變壓器。另還需要為相應的樓棟集中設備(如板式換熱機組及新風機組等)配電,可采用公建配套回路為科技系統(tǒng)末端設備供電。

1 科技住宅科技系統(tǒng)的用電設備組成與特點

科技住宅中,復合土壤源熱泵形式、溫/濕度獨立控制末端形式、新風機組內(nèi)部功能段形式不同,因此用電形式和負荷數(shù)值也不相同。

1.1 以朗詩地產(chǎn)為代表的科技住宅用電設備說明

以朗詩地產(chǎn)為代表的科技住宅,一般采用土壤源熱泵主機+閉式冷卻塔組成能源中心,機房內(nèi)用電設備主要有土壤源熱泵機組、土壤側循環(huán)水泵、新風機組循環(huán)水泵、頂棚輻射循環(huán)水泵、頂棚輻射二次循環(huán)泵、閉式冷卻塔、冷卻塔循環(huán)水泵等。

住戶房間內(nèi)采用的是頂棚輻射管,承壓能力為1.6 MPa,土壤源熱泵主機可16 ℃高溫出水(夏季工況),因此不需要設置板式換熱機組。

室內(nèi)濕度較大的黃梅天,科技系統(tǒng)運行工況是:室內(nèi)頂棚輻射系統(tǒng)處于供熱狀態(tài),新風機組處于除濕狀態(tài),新風機組只要通過冷凍除濕即可滿足室內(nèi)頂棚不結露的需求,因此系統(tǒng)新風機僅采用一級除濕即可滿足要求。新風機組的用電負荷僅取決于新風機組內(nèi)送排風機和轉輪的用電量之和。

1.2 以金茂地產(chǎn)為代表的科技住宅用電設備說明

以金茂地產(chǎn)為代表的科技住宅,一般采用土壤源熱泵主機+單冷主機+開式冷卻塔+燃氣輔助鍋爐組成復合能源中心,機房內(nèi)用電設備主要有土壤源熱泵機組、單冷主機、土壤側循環(huán)水泵、雙冷源新風機組表冷器一次循環(huán)泵、毛細管系統(tǒng)循環(huán)水泵(同時作為雙冷源新風機直膨機的冷卻水循環(huán))、毛細管系統(tǒng)用板式換熱機組、開式冷卻塔、冷卻塔循環(huán)水泵、燃氣鍋爐、燃氣鍋爐循環(huán)泵等。

住戶房間內(nèi)采用的是3.35 mm×0.50 mm或4.30 mm×0.80 mm的PE材質毛細管,承壓能力為0.6 MPa,土壤源熱泵主機可17 ℃高溫出水(夏季工況)。從毛細管承壓能力或防止毛細管堵塞的角度,系統(tǒng)需要設置板式換熱機組,板式換熱機組本質是板換+二次循環(huán)泵,也需要進行配電。如果采用土壤源熱泵制備集中熱水機房內(nèi)還有土壤源熱泵熱水機組、相應的土壤側循環(huán)泵、熱水循環(huán)泵及熱水負荷側與冷水分區(qū)相對應的熱水變頻泵。但目前集中熱水運營成本高、管路復雜、計量不方便,科技住宅基本已經(jīng)取消了集中熱水系統(tǒng)。

室內(nèi)濕度較大的黃梅天,該科技系統(tǒng)運行工況是:毛細管系統(tǒng)處于供冷狀態(tài),新風機組處于除濕狀態(tài),新風機組的表冷器對空氣進行一級除濕,直膨機對空氣進行二級除濕。因此,新風機組的用電負荷不僅取決于新風機組內(nèi)送排風機和轉輪的用電量,還取決于直膨除濕設備的用電負荷。

2 項目科技系統(tǒng)方案階段用電量估算

金茂地產(chǎn)科技系統(tǒng)的用電設備多于朗詩地產(chǎn)的用電設備。以下以金茂地產(chǎn)為例,闡述科技系統(tǒng)設備用電量的估算方法,為專變申請?zhí)峁├碚撘罁?jù)。

2.1 能源中心內(nèi)設備的選型及配電設計

盡快確定進行土壤源熱泵設計的一切地質條件,為土壤源熱泵的設計提供數(shù)據(jù),利用巖土熱響應測試報告進行換熱器設計。在住宅建筑總圖規(guī)劃方案和地庫初步方案基本確認后,應確定可鉆孔區(qū)域(一般采用基坑內(nèi)埋管),以25～30 m2為一個地埋管占地面積,估算出地塊可設置的地埋管數(shù)量。根據(jù)巖土測試報告中若干口井的打井速率總體描述及地質勘察報告中關于土層條件的描述,確定地埋管可設置深度。根據(jù)巖土測試報告,不同運行份額下冬夏每米換熱量測試數(shù)據(jù),確定該地塊地埋管每米換熱數(shù)據(jù),綜合考慮住宅典型日負荷運行特性、住宅冷熱負荷特征及考慮地埋管設置的經(jīng)濟性,推薦按照0.7運行份額確定地埋管每延米冬夏換熱量。

根據(jù)每個區(qū)域地埋管敷設深度和整個地塊地埋管設置數(shù)量,確定整個地塊土壤源熱泵換熱量,進而確定能源機房內(nèi)土壤源熱泵主機的選型及相應水泵選型。應根據(jù)報規(guī)劃方案確定總的空調(diào)建筑面積。綜合考慮圍護結構形式、各地區(qū)用能習慣、入住率確定單位負荷冷熱指標(冷源/空調(diào)建筑面積和熱源/空調(diào)建筑面積),冷負荷控制在60 W/m2以內(nèi),熱負荷控制在50 W/m2以內(nèi)。

根據(jù)總冷熱負荷及地埋管數(shù)量反推出土壤源熱泵選型,可以確定輔助冷源數(shù)量及冷量、輔助熱源數(shù)量及熱量,為冷卻塔、水泵等附屬設備初步選型提供理論基礎,也為估算能源站專變用電量提供數(shù)據(jù)基礎。

采用地源熱泵主機+單冷主機+冷卻塔+燃氣鍋爐進行整個能源機房的設計。根據(jù)地埋管的冬夏換熱量反推地源熱泵主機冷熱量,確定單冷主機、相應冷卻塔、鍋爐等用電設備的選型及相應配套水泵的選型參數(shù),進而獲得相應用電量。

2.2 某能源中心內(nèi)主要用電設備配電方式

蘇州某科技精裝修住宅是以朗詩為代表的科技住宅。采用4臺土壤源熱泵+閉式塔來滿足整個小區(qū)的集中供冷供熱[2]。該項目位于吳江區(qū)盛澤鎮(zhèn),共有10棟18層高層住宅組成,建筑空調(diào)計算面積為99 983.87 m2。科技系統(tǒng)能源站配電干線圖如圖1所示。專用變壓器要求設置靠近地源熱泵能源站,由于天棚及新風土壤源熱泵機組用電負荷較大,建議采用載流量大的母排進行配電。該項目4臺主機低壓配電方式為:變電所低壓配電屏出線到地源機房內(nèi)的獨立開關柜,再從開關柜出電纜到主機自帶的控制柜。只要與主機廠家確認主機自帶的控制柜內(nèi)有完善電氣保護裝置,可從變電所配電屏直接出母線,直接連接主機自帶的控制柜,省去中間開關柜,節(jié)省了造價,且大功率設備采用獨立母線供電,可靠性更高。

圖1 科技系統(tǒng)能源站配電干線圖

2.3 樓棟公共設備的選型及配電方式

該項目采用頂棚輻射管(輻射供冷供熱)+地板送新風(夏季除濕冬季加濕)來解決室內(nèi)溫/濕度,水系統(tǒng)新風機組均設置在18F屋頂。如采用從專變對屋頂新房機組采用放射式供電,導致某些樓棟屋頂?shù)墓╇姲霃匠^200 m的情況發(fā)生[3],且非常不經(jīng)濟,因此建議采用每棟樓每個單元的公建配套回路對屋頂新風機組進行配電。該項目1臺新風機組用電量不大于10 kW,設置了1根5×16 mm的電纜,載流量為50 A[4]。

3 科技住宅配變系統(tǒng)配置的思考

以江蘇省為例,傳統(tǒng)住宅戶根據(jù)建筑面積S不同,配置不同的用電容量:S<120 m2,8 kW;120 m2

新風機組配電路徑如圖2所示。

3.1 科技住宅配電樓棟配電實例

為便于比較與算量,假定某科技住宅項目共有10棟18層樓,層高為2.95 m。每棟樓分別有2個單元,每個單元2戶,共72戶。每戶面積為115 m2,每戶配置8 kW用電量;1F～9F設置1個地面電纜分支箱,10F～18F設置1個電纜分支箱(配電總箱),則每棟樓設置2個電纜分支箱;每3層設置樓層計量表箱,則每個電纜分支箱的一個出線回路為3層12戶服務;每棟樓有6個樓層計量箱,每個計量箱有12個出線回路。

圖2 新風機組配電路徑

10棟18層住宅共有2個地面變電所,假定每個變電所到每棟樓電纜分支箱的出線回路長度均為180 m,則出線回路共有20組。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)看,戶內(nèi)箱不計入空調(diào)動力負荷后,戶內(nèi)箱總負荷可減50%,即每戶按照4 kW計。以下對戶內(nèi)箱計入空調(diào)動力負荷和不計入動力負荷從戶內(nèi)箱到變壓器容量做選型比較,負荷選型比較如表1所示。

表1 負荷選型比較

3.2 科技住宅配電系統(tǒng)設計的建議

由表1可見,作為科技住宅,由于戶內(nèi)無空調(diào)動力負荷,戶內(nèi)PZ30箱負荷減50%,整個配變供配電選型將大大降低。720戶居民套內(nèi)供配電造價對比考慮空調(diào)動力負荷將降低158.22萬元,分攤到每戶為2 200元。當前,咨詢數(shù)十個江蘇省內(nèi)的科技住宅項目發(fā)現(xiàn),供電局并沒有因為采用科技住宅而降低戶內(nèi)負荷,仍按照標準戶型進行相應的配電。投資商不僅要增設專用變壓器為科技系統(tǒng)的能源機房供配電,住戶端負荷也沒有減少。基于此,從客觀問題分析看,住戶內(nèi)用電部分不僅增加投資單位成本,也增加社會投資成本,不符合科技住宅空調(diào)系統(tǒng)用電設備的一般規(guī)律。建議供電局相關部門能出臺相應科技住宅類建筑的戶內(nèi)配電標準。

4 結 語

本文從當前金茂和朗詩地產(chǎn)為代表的科技住宅科技系統(tǒng)(集中空調(diào)系統(tǒng))的設備配置規(guī)律出發(fā),分析了科技住宅的供配電配置情況,可以得出如下結論:

(1) 科技住宅一般采用專變來對復合土壤源熱泵系統(tǒng)的機房進行配電。

(2) 樓棟設備(如新風機組和板式換熱機組)一般在公用配電回路中就近配電。

(3) 當前科技住宅科技系統(tǒng)的技術和應用日趨成熟。考慮到科技住宅住戶內(nèi)的空調(diào)動力負荷不再存在,通過實例分析,如果供電局能針對科技住宅空調(diào)系統(tǒng)配電的一般規(guī)律出發(fā),減少住戶內(nèi)的用電負荷標準,將會降低整個科技住宅的電力投入成本。