某住宅小區(qū)溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計

何青青 楊曉舒 尹 龍 寇紅曉

(中國建筑上海設(shè)計研究院有限公司,上海)

0 引言

近幾年,隨著社會經(jīng)濟發(fā)展,一方面,人們對生活居住環(huán)境的要求越來越高,具有恒溫、恒濕、恒氧、恒潔、恒靜特點的五恒住宅可以滿足人們對美好居住環(huán)境的需求;另一方面,如何作好五恒住宅空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排,降低全壽命周期碳排放,又成為一大挑戰(zhàn)。五恒住宅采用毛細管輻射+新風(fēng)除濕空調(diào)系統(tǒng)[1],毛細管冷熱源通常采用地源熱泵,該系統(tǒng)效率高且低碳環(huán)保,而新風(fēng)處理需要高品位冷源,因此,如何提高新風(fēng)處理效率、減少新風(fēng)處理能耗,做到系統(tǒng)經(jīng)濟合理、節(jié)能高效、低碳環(huán)保,成為該空調(diào)系統(tǒng)的關(guān)鍵。

1 冷熱源系統(tǒng)設(shè)計

1.1 項目概況和室內(nèi)設(shè)計參數(shù)

項目位于江蘇省南京市溧水區(qū)某住宅小區(qū),總占地面積約46 158 m2,總建筑面積130 860 m2,包括10棟18層高層住宅。該項目采用溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng),其室內(nèi)設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 室內(nèi)設(shè)計參數(shù)[2]

1.2 空調(diào)負荷

采用HDY-SMAD負荷計算軟件計算該項目空調(diào)負荷[3],空調(diào)冷負荷為5 072 kW,單位空調(diào)面積冷指標為85 W/m2;空調(diào)熱負荷為3 522 kW,單位空調(diào)面積熱指標為59 W/m2。

1.3 冷熱源形式

冷熱源采用復(fù)合式地源熱泵系統(tǒng):地源熱泵+冷卻塔電制冷機組,地埋管換熱系統(tǒng)按照承擔(dān)全部空調(diào)熱負荷設(shè)計;地埋管換熱系統(tǒng)可提供約70%的空調(diào)供冷量,其余30%冷量由冷卻塔電制冷機組提供。冷卻塔電制冷機組在供冷季初期、末期室外溫濕度較低時有較高的效率,且供冷初期、末期優(yōu)先采用冷卻塔供冷有利于地溫場恢復(fù),應(yīng)優(yōu)先運行;供冷中期,室外溫濕度均較高,冷卻塔電制冷機組效率下降,應(yīng)采取地源熱泵優(yōu)先運行策略。以上2種運行工況下機組均應(yīng)在較低負荷下保持較高運行效率,綜合系統(tǒng)運行效率及初投資,冷熱源配置如下:3臺單臺額定制冷量為1 304 kW(單臺制熱量為1 299 kW)的螺桿式地源熱泵機組(其中1臺為變頻機組)+1臺額定制冷量為1 583 kW的變頻磁懸浮離心式冷水機組,變頻磁懸浮離心式冷水機組配套設(shè)置1臺開式冷卻塔。冬季空調(diào)供/回水溫度為45 ℃/38 ℃,夏季空調(diào)供/回水溫度為8 ℃/15 ℃。系統(tǒng)設(shè)計工況下的總制冷量為 5 402 kW,制熱量為3 675 kW。

1.4 地埋管換熱器設(shè)計

根據(jù)該地塊的《地源熱泵巖土熱響應(yīng)試驗報告》,巖土初始平均溫度為19.09 ℃,巖土綜合導(dǎo)熱系數(shù)為1.85 W/(m·K)。換熱孔徑為150 mm,有效深度為120 m,采用雙U形地埋管,單口井排熱量為7.20 kW,單口井取熱量為5.64 kW。該工程地埋管換熱器按冬季工況選型,鉆孔間距為4.5 m,地埋管側(cè)供/回水溫度10 ℃/5 ℃,設(shè)計工況COP為5.119,冬季負荷為3 522 kW,土壤取熱量為2 834 kW,考慮安全系數(shù)為1.2、換熱管群附加修正系數(shù)為0.8,計算井?dāng)?shù)為754口,該項目設(shè)計采用760口井,其中6口作為地源溫度監(jiān)測井,另外布置3口作為土壤溫度監(jiān)測井。

地下?lián)Q熱系統(tǒng)換熱器單元每口井單獨1個回路,匯總為若干組一級分集水器。一級分集水器設(shè)于靠近地下室外墻的檢查井內(nèi),一級分集水器匯總后接入地源熱泵機房,管線穿墻處需設(shè)柔性防水套管。豎直地埋管及水平聯(lián)絡(luò)管采用高密聚乙稀(HDPE)管,豎直地埋管規(guī)格為De25×2.3 mm(SDR11系列,承壓1.6 MPa),水平集管規(guī)格為De32×3.0 mm(SDR13.6系列,承壓1.25 MPa),地埋管采用熱熔連接。

1.5 地埋管換熱器熱平衡

為平衡釋熱量與取熱量,需要開啟冷卻塔及磁懸浮機組輔助運行[4],計算及運行控制模式建議如下:根據(jù)全年能耗計算結(jié)果,得出該項目住宅部分年累計耗熱量為447萬kW·h,年累計耗冷量為612萬kW·h。當(dāng)夏季熱泵機組地源側(cè)出水溫度超過32 ℃或累計放熱量大于取熱量時,開啟冷卻塔及磁懸浮機組。根據(jù)全年負荷計算,8月中旬冷負荷出現(xiàn)峰值,因此,建議設(shè)定6月15日至9月1日冷卻塔和地埋管換熱器同時運行。該運行策略下土壤年累計取熱量和放熱量相差不大,滿足土壤熱平衡要求。冷熱源系統(tǒng)示意見圖1。

圖1 冷熱源系統(tǒng)示意

2 空調(diào)水系統(tǒng)

2.1 空調(diào)水溫及冷熱源輸配系統(tǒng)選擇

空調(diào)形式為“毛細管輻射+置換新風(fēng)”系統(tǒng)[5],毛細管承擔(dān)房間顯熱負荷,夏季水溫需高于房間露點溫度,夏季毛細管供/回水溫度為16 ℃/19 ℃;冬季為避免房間頂部輻射熱量大而導(dǎo)致人員頭部冷熱源輸配采用“集中冷熱源+分戶換熱輸配”形式,在住宅公共區(qū)設(shè)置空調(diào)水井,空調(diào)水井內(nèi)設(shè)置空調(diào)水立管、換熱器補水立管、戶式換熱模塊。這種分戶換熱方式直接將一次側(cè)空調(diào)水輸送至末端,與傳統(tǒng)集中換熱方式相比,大大縮短了二次側(cè)輸配距離。一次側(cè)輸配距離雖然增加,但一次側(cè)采用7 ℃溫差輸配,相比集中換熱二次側(cè)3 ℃溫差輸配,減少輸送能耗,且主干管管徑減小,對于地下車庫凈高也較為有利。因末端毛細管內(nèi)徑極小,易堵塞而影響使用,因此對水質(zhì)要求更高,二次側(cè)輸配一般采用不銹鋼管或襯塑不銹鋼管,造價較高。采用分戶換熱,一次側(cè)空調(diào)水使用無縫鋼管輸送至空調(diào)水井,減少初投資。

感受過熱,冬季毛細管供/回水溫度為34 ℃/30 ℃;新風(fēng)采用“冷水預(yù)處理+直膨深度除濕”方案,新風(fēng)經(jīng)2次除濕后可達到較低露點溫度來承擔(dān)室內(nèi)潛熱負荷。綜合考慮戶式換熱器尺寸、新風(fēng)預(yù)處理、輸配系統(tǒng)能耗及冷熱源能效,夏季空調(diào)供/回水溫度為8 ℃/15 ℃,冬季熱水供/回水溫度為45 ℃/38 ℃。

2.2 空調(diào)水系統(tǒng)

一次側(cè)空調(diào)水系統(tǒng)為兩管制閉式變流量系統(tǒng),可根據(jù)供、回水的壓差變化自動調(diào)節(jié)冷水循環(huán)泵流量。主干管采用水平異程形式,一次側(cè)戶式換熱模塊立管采用豎向同程形式,屋頂新風(fēng)空調(diào)箱立管采用豎向異程形式。

二次側(cè)水系統(tǒng)采用戶式換熱模塊與一次側(cè)水系統(tǒng)隔離,戶式換熱模塊內(nèi)集成熱計量、氣壓罐、換熱器、平衡調(diào)節(jié)閥、補水閥、減壓閥、戶用分集水器,戶內(nèi)毛細管水系統(tǒng)工作壓力為0.2 MPa,板式換熱器二次側(cè)供給毛細輻射系統(tǒng)的水管采用2級鋁合金襯塑(PE-RT)復(fù)合管,外層為無縫鋁合金管。分戶換熱系統(tǒng)相比集中換熱系統(tǒng)減小了毛細管末端的工作壓力,提高了毛細管輻射末端使用壽命。空調(diào)水井大樣圖見圖2。

2.3 水系統(tǒng)補水定壓

一次側(cè)及地埋管水處理、定壓補水均在制冷機房。為避免水質(zhì)惡化導(dǎo)致毛細管堵塞,二次側(cè)補水采用軟化水,在制冷機房設(shè)置集中軟化水系統(tǒng),并由定壓補水機組加壓供至戶式換熱模塊,二次側(cè)補水管采用襯塑鋼管。為避免補水時毛細管末端壓力過高,補水系統(tǒng)設(shè)置減壓閥進行豎向分區(qū),補水系統(tǒng)豎向分3個區(qū):1～6層為低區(qū),7～12層為中區(qū),13～18層為高區(qū)。每層戶式換熱器補水支管上設(shè)置支管減壓閥,確保換熱器補水壓力不大于0.1 MPa。二次側(cè)系統(tǒng)水容量小,系統(tǒng)工作壓力低,泄漏可能性小,因此僅考慮定期補水,供冷、供暖前由物業(yè)統(tǒng)一檢查二次側(cè)換熱器氣囊壓力,壓力不足時開啟補水閥補水。分區(qū)定壓補水原理見圖3。

圖3 分區(qū)定壓補水原理圖

3 空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)

3.1 新風(fēng)系統(tǒng)及系統(tǒng)分區(qū)

該項目住宅均為18層,新風(fēng)系統(tǒng)分為高、低區(qū),1～9層為低區(qū),10～18層為高區(qū)。排風(fēng)系統(tǒng)不分區(qū),所有樓層排風(fēng)經(jīng)屋面雙冷源深度熱回收新風(fēng)機組回收能量后高位排放。低區(qū)新風(fēng)機組不作熱回收,采用雙冷源深度除濕新風(fēng)機組。該系統(tǒng)可避免把污濁排風(fēng)抽到地下進行熱回收后在地面排放而污染地面人員活動區(qū)環(huán)境;同時,低區(qū)新風(fēng)機組采用常規(guī)機組,機組尺寸減小,所需機房面積減小,為新風(fēng)機房設(shè)置在住宅下方地庫內(nèi)提供有利條件,可避免新風(fēng)機房占用停車位。

3.2 戶內(nèi)置換新風(fēng)系統(tǒng)

戶內(nèi)設(shè)置豎向新風(fēng)、排風(fēng)管井,每戶衛(wèi)生間設(shè)置獨立排風(fēng)系統(tǒng),為保證戶內(nèi)各房間送風(fēng)量,必須進行集中排風(fēng),在各房間入戶門頂上設(shè)置20～25 mm過流口,戶內(nèi)公共區(qū)域設(shè)置集中排風(fēng)口,平衡各房間風(fēng)量。新風(fēng)通過豎向風(fēng)管與戶內(nèi)分風(fēng)靜壓箱連接,為節(jié)約戶內(nèi)面積,戶內(nèi)分風(fēng)靜壓箱設(shè)置在地面局部微降板區(qū)域內(nèi),送風(fēng)支管布置在地板架空層內(nèi),戶內(nèi)分風(fēng)靜壓箱支管處均設(shè)置風(fēng)量調(diào)節(jié)裝置。新風(fēng)支管采用150 mm×50 mm矩形PE(聚乙烯)雙壁波紋保溫管,新風(fēng)口安裝于室內(nèi)外窗和外墻下,出口風(fēng)速不大于0.25 m/s,夏季新風(fēng)送風(fēng)溫度為16～18 ℃,含濕量低于8 g/kg。微降板地板送風(fēng)做法見圖4。

圖4 微降板地板送風(fēng)做法(單位:mm)

3.3 新風(fēng)熱回收處理

采用雙冷源深度熱回收新風(fēng)機組回收排風(fēng)能量,處理過程如下[6]:室外新風(fēng)經(jīng)板式熱回收段回收低溫回風(fēng)能量后進入水冷表冷段預(yù)冷,新風(fēng)預(yù)冷采用一次側(cè)供/回水溫度為8 ℃/15 ℃的冷水,預(yù)冷后低溫低濕新風(fēng)再進入直膨表冷段進行深度除濕,深度除濕后的低溫新風(fēng)再經(jīng)過冷凝再熱段加熱后被再次過濾,過濾后新風(fēng)經(jīng)豎向新風(fēng)管道送入室內(nèi)。夏季排風(fēng)處理流程為:豎向排風(fēng)管道將室內(nèi)回風(fēng)引入機組,室內(nèi)低溫低濕回風(fēng)先經(jīng)過噴淋蒸發(fā)冷卻段進一步降低溫度,再經(jīng)過板式熱回收段被新風(fēng)回收顯熱,溫度上升后再經(jīng)過風(fēng)冷冷凝段,回風(fēng)能量被深度利用后經(jīng)排風(fēng)風(fēng)機排出室外。新風(fēng)處理過程見圖5。

注:N為室內(nèi)狀態(tài)點;S為送風(fēng)狀態(tài)點;L2為直膨蒸發(fā)除濕后狀態(tài)點;L1為水冷表冷除濕后狀態(tài)點;W1為熱回收后狀態(tài)點;W為室外狀態(tài)點;1為新風(fēng)熱回收過程,室外新風(fēng)經(jīng)過板式熱回收段回收室內(nèi)排風(fēng)能量(室內(nèi)排風(fēng)先經(jīng)噴淋蒸發(fā)冷卻達到飽和狀態(tài),溫度降低);2為新風(fēng)冷卻除濕過程,由水冷表冷段完成;3為新風(fēng)深度冷卻除濕過程,由熱泵蒸發(fā)器冷卻完成;4為新風(fēng)再熱過程,由熱泵冷凝熱回收段完成(熱泵多余冷凝熱由排風(fēng)風(fēng)冷冷凝器帶走);5為新風(fēng)送風(fēng)過程。圖5 雙冷源熱回收新風(fēng)處理過程

該新風(fēng)熱回收系統(tǒng)通過內(nèi)置風(fēng)冷冷凝器深度挖掘排風(fēng)能量回收潛力,提高熱泵機組效率。雙冷源深度熱回收新風(fēng)機組把風(fēng)冷冷凝器內(nèi)置于機組排風(fēng)段,機組高度集成,便于安裝維修;熱泵壓縮機設(shè)置在冷凝器前的排風(fēng)段,低溫排風(fēng)有利于壓縮機散熱,延長壓縮機使用壽命。雙冷源深度熱回收新風(fēng)機組利用低溫排風(fēng)氣流帶走冷凝熱,排風(fēng)溫度恒定且不受室外溫度影響,內(nèi)置熱泵冷凝溫度降低,熱泵COP提高15%。新風(fēng)處理狀態(tài)點參數(shù)和設(shè)計工況典型戶型空調(diào)箱除濕量校核見表2、3。雙冷源深度熱回收新風(fēng)機組原理見圖6。

表2 雙冷源熱回收新風(fēng)處理狀態(tài)點參數(shù)

表3 設(shè)計工況典型戶型空調(diào)箱除濕量校核

3.4 戶內(nèi)風(fēng)量平衡及氣流組織

新風(fēng)主要承擔(dān)濕負荷及部分顯熱負荷,新風(fēng)量按照0.8 h-1換氣次數(shù)計算取值,并按40 m3/(人·h)校核[7]。戶內(nèi)維持微正壓,減少室外空氣滲透,排風(fēng)量為新風(fēng)量的80%;戶內(nèi)新風(fēng)管接分風(fēng)箱處設(shè)置定風(fēng)量閥以保證每戶的新風(fēng)供應(yīng),排風(fēng)管上設(shè)置調(diào)節(jié)閥,平衡房間排風(fēng)量。為避免廚房排油煙風(fēng)機開啟破壞房間微正壓環(huán)境,廚房外窗上均設(shè)置電動窗式通風(fēng)器,并與排油煙風(fēng)機聯(lián)動啟閉,廚房排油煙時形成局部自平衡排風(fēng)系統(tǒng)。

戶內(nèi)置換通風(fēng)[8]:新風(fēng)從靠近外窗地面低速送出,流經(jīng)人員活動區(qū),經(jīng)房間門頂部過流口至公共區(qū)域排風(fēng)口排出,公共區(qū)域排風(fēng)口設(shè)置在餐廳附近,及時排走食物散濕;為避免衛(wèi)生間濕空氣滲透至周邊區(qū)域,衛(wèi)生間均設(shè)置排風(fēng)。戶內(nèi)排風(fēng)以公共區(qū)域集中排風(fēng)為主、衛(wèi)生間分散排風(fēng)為輔,每個衛(wèi)生間排風(fēng)量為50 m3/h,集中排風(fēng)量為80%新風(fēng)量扣除衛(wèi)生間風(fēng)量。

4 空調(diào)末端系統(tǒng)

戶內(nèi)采用頂面毛細管預(yù)制板輻射空調(diào)系統(tǒng)[9],夏季供冷、冬季供熱,控制室內(nèi)溫度,毛細管預(yù)制板敷設(shè)于室內(nèi)頂面,毛細管預(yù)制板由隔熱層、傳導(dǎo)層、毛細管席及管路和面層一體成型,工廠加工為成品,敷設(shè)方式為吊頂敷設(shè)。戶內(nèi)毛細管席環(huán)路按照房間布置,每個房間均設(shè)置獨立環(huán)路,客餐廳面積較大,可布置2個環(huán)路;衛(wèi)生間、廚房不設(shè)置毛細管輻射板,避免濕度過大造成結(jié)露。毛細管預(yù)制板內(nèi)毛細管席材質(zhì)為PP-R(聚丙烯)管,主管尺寸為De20×2.0 mm,毛細管規(guī)格為De4.3×0.8 mm,間距20 mm,在設(shè)計供回水溫度及室內(nèi)溫度下,輻射板供冷量不低于75 W/m2,供熱量不低于120 W/m2,毛細管能夠在水溫≤40 ℃、壓力0.6 MPa時穩(wěn)定運行,連接方式為同側(cè)熱熔連接。

為防止首層冬季室內(nèi)溫度達不到設(shè)計要求,在首層設(shè)置地板輻射供暖系統(tǒng)[10],冬季輔助毛細管網(wǎng)系統(tǒng)供暖,地板輻射供暖系統(tǒng)單獨用1套分集水器,地板輻射供暖水管接自戶式換熱器內(nèi)二次側(cè)主管,引出管上設(shè)置關(guān)斷閥,僅供冬季供暖使用。因夏季1層門廳人員出入頻繁,室外空氣滲透量大,為避免臨近墻壁結(jié)露,1層大堂設(shè)置風(fēng)機盤管,空調(diào)水管接自空調(diào)水井立管,大堂風(fēng)機盤管在供冷季和供暖季均開啟。

5 防結(jié)露及戶式換熱模塊水溫控制

5.1 防結(jié)露控制

房間溫濕度采用分室控制,每個空調(diào)房間(不包括廚房、衛(wèi)生間)設(shè)置溫度控制器,通過該溫控器控制分集水器支路上安裝的電動兩通閥的通斷,以實現(xiàn)該房間的溫度控制[11];防結(jié)露采用主動控制策略,在靠近外圍護結(jié)構(gòu)輻射面上設(shè)置防結(jié)露溫度傳感器,當(dāng)戶內(nèi)控制器監(jiān)測到輻射面溫度接近室內(nèi)設(shè)定露點溫度時,系統(tǒng)及時關(guān)斷該輻射末端環(huán)路上的閥門,對輻射系統(tǒng)結(jié)露進行主動控制,控制原理見圖7。空調(diào)房間濕度控制:供冷季,將室外高溫潮濕的新風(fēng)經(jīng)過新風(fēng)除濕機組處理后送入空調(diào)房間內(nèi);供暖季,將室外低溫干燥的新風(fēng)經(jīng)過新風(fēng)除濕機組處理后送入空調(diào)房間內(nèi)。

圖7 防結(jié)露及戶式換熱模塊控制原理圖

5.2 換熱模塊水溫控制

換熱模塊一次側(cè)回水管上設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥(見圖7),根據(jù)戶內(nèi)供水溫度調(diào)節(jié)閥門開度,確保戶內(nèi)供水溫度不低于16 ℃;同時,戶內(nèi)有多個房間均發(fā)出結(jié)露報警時,關(guān)斷一次側(cè)供水管上的電動閥,關(guān)閉二次側(cè)循環(huán)泵,待輻射面溫度升高、結(jié)露報警解除后再重新啟動二次側(cè)循環(huán)泵。

6 結(jié)束語

空調(diào)系統(tǒng)采用集中冷熱源、分戶換熱輸配系統(tǒng),節(jié)省了管網(wǎng)投資,降低了輸送能耗;用戶側(cè)定壓補水采用豎向分區(qū)減壓補水,控制用戶側(cè)毛細管系統(tǒng)工作壓力,提高毛細管輻射末端可靠性及使用壽命;置換新風(fēng)采用局部微降板埋地處理,節(jié)省戶內(nèi)空間;新風(fēng)系統(tǒng)豎向分區(qū),減小戶內(nèi)風(fēng)井面積,增加使用面積,由雙冷源深度熱回收新風(fēng)機組集中回收排風(fēng)能量,優(yōu)化機組配置,避免熱泵室外冷凝器接管,熱泵回收低溫排風(fēng)能量,提高內(nèi)置熱泵效率;優(yōu)化地下室新風(fēng)機組功能段配置,減小機組尺寸,節(jié)省安裝空間。