溶液調(diào)濕空調(diào)與地源熱泵在修繕建筑中的應(yīng)用

翟淼

同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團(tuán)）有限公司

溫濕度獨立控制的空調(diào)系統(tǒng)由潛熱處理與顯熱處理兩個系統(tǒng)組成，新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷，顯熱負(fù)荷由室內(nèi)干式末端承擔(dān)。溶液調(diào)濕的新風(fēng)處理裝置具有高效節(jié)能、健康舒適、控制精確等優(yōu)點，日益被設(shè)計人員重視，特別是在多雨潮濕的江南地區(qū)表現(xiàn)良好。用于排除室內(nèi)顯熱負(fù)荷的冷源，只需要提供14～19℃的高溫冷水即可滿足要求，因此溶液調(diào)濕技術(shù)與地源熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)是一種可以充分發(fā)揮溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)勢的配置方案[1-2]。

1 工程背景

工程所在地上海市，為某倉庫建筑修繕設(shè)計。基地共包含三個單體，分別為倉庫，廠房和空壓站。其中倉庫建造時期早于二十世紀(jì)二十年代，其工業(yè)特征明顯，具有較高的藝術(shù)價值。廠房建造于二十世紀(jì)七十年代，空壓站建造于二十世紀(jì)八十年代。三個單體具有重要的歷史意義。

2 修繕原則

由于設(shè)計對象的特殊性，暖通設(shè)計要在不影響建筑風(fēng)格和修繕要求的前提下，滿足室內(nèi)的溫濕度要求，同時要考慮進(jìn)一步為優(yōu)秀歷史建筑提供保護(hù)。

3 工程概況

原倉庫地上五層，均為大空間展區(qū)及商業(yè)區(qū)，原廠房地上三層，為商業(yè)、展覽功能，空壓站為地上三層，為配套辦公區(qū)域。修繕后的總建筑面積為10436 m2。

4 設(shè)計計算參數(shù)

1）室外計算參數(shù)

夏季空調(diào)34.4℃，濕球溫度27.9℃，冬季空調(diào)-2.2℃，相對濕度75%。

2）室內(nèi)計算參數(shù)

表1為室內(nèi)計算參數(shù)。

3）空調(diào)負(fù)荷計算

經(jīng)計算，本工程的夏季冷負(fù)荷（含新風(fēng)）為1024 kW，其中室內(nèi)夏季顯熱負(fù)荷為541.2 kW，冬季熱負(fù)荷（含新風(fēng)）為535 kW，冬季室內(nèi)熱負(fù)荷為321.5 kW。

5 冷熱源選擇

5.1 方案確定

本工程采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。建筑物周邊有較大面積的綠地，可作為埋管區(qū)域。靠近綠地的區(qū)域有地下室，可設(shè)置機(jī)房，既靠近埋管區(qū)域縮短管線敷設(shè)長度，節(jié)省了投資，又可以避免機(jī)器運行對其他區(qū)域的影響。

5.2 主機(jī)選型

選用2臺名義制冷量 297 kW，名義制熱量316 kW的螺桿式地源熱泵機(jī)組，機(jī)房設(shè)置在地下一層，夏季供回水溫度12/17℃，冬季供回水溫度45/40℃。根據(jù)全年冷熱平衡計算，全年排熱量多于吸熱量，故設(shè)置一臺65 m3/h的閉式冷卻塔設(shè)于綠化內(nèi)，通過調(diào)整冷卻塔的使用時間來滿足土壤的熱平衡。

5.3 地埋管系統(tǒng)

本工程采用鉆孔埋管形式。鉆孔埋管采用并聯(lián)單U型埋管，根據(jù)地源熱泵夏季冷凝熱排放量計算，需設(shè)置埋管井177個，有效深度100 m，按照5 m×5 m間距埋設(shè)管徑為De32，具體埋管見圖1。

圖1 埋管區(qū)域示意圖

6 末端

6.1 系統(tǒng)劃分及空調(diào)方式

1）原倉庫各層均為大空間展區(qū)及商業(yè)區(qū)，考慮到區(qū)域功能及空調(diào)舒適性，該單體采用熱泵式溶液全空氣空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)設(shè)備均設(shè)置在每層的集中機(jī)房內(nèi)。

2）原廠房、空壓站采用干式風(fēng)機(jī)盤管+熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組的空調(diào)形式。

6.2 空氣處理過程

1）溶液全空氣空調(diào)系統(tǒng)

圖2為溶液全空氣空調(diào)系統(tǒng)示意圖。夏季，高溫高濕的新風(fēng)在全熱回收單元中以溶液為媒介和排風(fēng)進(jìn)行熱交換，新風(fēng)被初步降溫除濕，然后進(jìn)入除濕單元進(jìn)一步除濕。新風(fēng)單獨處理至低濕狀態(tài)后與回風(fēng)混合，通過外界提供的高溫冷水（12/17℃）對混合空氣進(jìn)行降溫，達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點（圖3）。冬季，低溫干燥的新風(fēng)在全熱回收單元中以溶液為媒介和排風(fēng)進(jìn)行熱交換，新風(fēng)被初步加熱加濕，然后進(jìn)入加濕單元進(jìn)一步加濕。濕潤的新風(fēng)與回風(fēng)混合，通過外界提供的熱水（45/40℃）對混合空氣進(jìn)行加熱，達(dá)到送風(fēng)狀態(tài)點（圖4）。

圖2 溶液全空氣系統(tǒng)示意圖

圖3 典型房間的夏季處理過程

圖4 典型房間的冬季處理過程

表2為溶液全空氣空調(diào)箱選型的參數(shù)。

圖5 溶液新風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2）干式風(fēng)機(jī)盤管+熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組

新風(fēng)系統(tǒng)負(fù)荷由帶全熱回收的熱泵式溶液除濕新風(fēng)機(jī)組承擔(dān)。夏季，由熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)模塊對新風(fēng)進(jìn)行獨立除濕，承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷，同時去除室內(nèi)VOC，異味及細(xì)顆粒物，冷凍水承擔(dān)室內(nèi)顯熱負(fù)荷。冬季，新風(fēng)機(jī)組獨立承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷，并對新風(fēng)進(jìn)行加濕，室內(nèi)負(fù)荷由地源熱泵熱源承擔(dān)。系統(tǒng)原理圖如圖5所示，溶液新風(fēng)機(jī)選型參數(shù)如表3所示。

6.3 氣流組織形式

原倉庫各層采用上送風(fēng)、機(jī)房高位側(cè)回風(fēng)的送回風(fēng)方式，風(fēng)口選用方形散流器，百葉風(fēng)口回風(fēng)。原廠房、空壓站采用上送上回，新風(fēng)口選用散流器，回風(fēng)選用百葉風(fēng)口。為了充分展示歷史建筑的原貌，所有風(fēng)管、設(shè)備均明裝，所以在風(fēng)管、設(shè)備的選用上盡量做到使用功能與美觀性的統(tǒng)一。

7 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)冷熱水系統(tǒng)采用二管制，豎向異程，水平同程，一次變流量系統(tǒng)，末端變流量運行，并在供回水干管之間設(shè)置壓差旁通控制?？照{(diào)冷凍水系統(tǒng)主機(jī)側(cè)定流量運行?？照{(diào)機(jī)組末端采用動態(tài)平衡電動兩通調(diào)節(jié)閥，風(fēng)機(jī)盤管末端設(shè)置溫控開關(guān)式電動兩通閥。冷熱水管道風(fēng)機(jī)盤管和空調(diào)箱支環(huán)路分開設(shè)置，各風(fēng)機(jī)盤管支環(huán)路處設(shè)自力式壓差平衡閥。水系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 水系統(tǒng)原理圖

8 經(jīng)驗與總結(jié)

1）冷熱源配置。由于工程所在地為夏熱冬冷的上海地區(qū)，對于商業(yè)建筑來說，夏季的顯熱負(fù)荷（541.2 kW）遠(yuǎn)大于冬季的顯熱負(fù)荷（321.5 kW），按照冷負(fù)荷來選擇地源熱泵機(jī)組會造成夏季向土壤中釋放的熱量要大于冬季從土壤中吸收的熱量，因此必須通過增加輔助冷卻塔來避免土壤熱環(huán)境的惡化，通過調(diào)整冷卻塔的運行時間來控制機(jī)組向土壤中釋熱，實現(xiàn)土壤的熱平衡。如果將冷熱源的配置調(diào)整為地源熱泵+高溫冷水機(jī)組的模式，以冬季熱負(fù)荷作為地源熱泵的選擇依據(jù)，也是一種比較常見的配置模式。不過兩種方案也各有利弊，選擇兩臺熱泵機(jī)組，在冬季的運行會更加可靠，且兩臺同樣型號的機(jī)器更有利的水泵、機(jī)組的控制與調(diào)節(jié)，但也會增加室外埋管空間，投資較大，輔助冷卻塔的開啟、運行時間也給控制帶來一定難度。采用地源熱泵+高溫冷機(jī)的方案，可以節(jié)省室外埋管的投資，簡化冷卻水側(cè)的控制，但也會帶來水泵型號增多，負(fù)荷側(cè)控制調(diào)節(jié)難度加大，土壤熱環(huán)境失衡的問題。筆者認(rèn)為在建筑物體量不大或者在經(jīng)過充分熱平衡計算的前提下，選擇地源熱泵+高溫冷機(jī)的方案會較為經(jīng)濟(jì)合理，但也要注意兩種主機(jī)的容量匹配問題。

2）末端防結(jié)露控制。由于本工程定位為商業(yè)展覽建筑，作為主要濕負(fù)荷來源的人，流動性較大，會造成濕負(fù)荷始終處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，且由于要維持歷史建筑的原貌，末端均為明裝，結(jié)露是需要著重考慮的問題。因此，在設(shè)計中，干末端均選用帶有凝水盤的風(fēng)機(jī)盤管，在得熱量相對較少的區(qū)域安裝溫度探測器，防止末端供冷表面的最低溫度低于室內(nèi)露點。在運行策略的制定中，優(yōu)先開啟溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)，待室內(nèi)露點溫度低于盤管供水溫度后，再開啟干末端。

3）末端、冷源的選型。根據(jù)筆者以往的經(jīng)驗，在缺乏樣本參數(shù)的條件下，往往會參照傳統(tǒng)末端干工況運行條件下的參數(shù)進(jìn)行選型。根據(jù)文獻(xiàn)[3]，對于溫濕度獨立控制的空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)選用專門的干式末端以實現(xiàn)最佳的運行效果。在機(jī)組的選型上，也應(yīng)選用高溫型機(jī)組，而不是選擇常規(guī)的機(jī)組在高溫工況下運行。理論上提高常規(guī)機(jī)組的蒸發(fā)溫度似乎可以提高機(jī)組效率，但是根據(jù)一些研究[3]，常規(guī)冷機(jī)限定冷凍水出口水溫不高于12～14℃，很難用于高溫出水或難以在高溫出水工況下保持良好的性能，因此設(shè)計師在高溫冷源的選擇上也要特別注意。