空調(diào)系統(tǒng)在綠色住宅節(jié)能應(yīng)用方面的優(yōu)化設(shè)計

崔 超 魏義平 陸蘭馨 谷志旺

上海建工四建集團(tuán)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(qū)。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，住宅生活的能量消耗中，采暖空調(diào)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(hù)結(jié)構(gòu)散失的能量和采暖供熱系統(tǒng)的能量消耗在整個建筑能耗中占比大；同時嚴(yán)重的霧霾天氣和裝修造成的室內(nèi)空氣污染使人們對室內(nèi)空氣品質(zhì)也異常關(guān)心。這些因素加強了人們對于住宅小區(qū)的節(jié)能型和舒適性的需求[1-4]。本文通過介紹南京某小區(qū)對冷熱源和末端空調(diào)形式的選擇，計算小區(qū)整體運行費用，提出了在綠色住宅中空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計。

1 地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)

1.1 工作原理

地源熱泵是一種利用地下淺層地?zé)豳Y源，既可以制冷又可以供熱的高效節(jié)能系統(tǒng)。這種空調(diào)系統(tǒng)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(huán)流動，實現(xiàn)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(qū)動熱泵機組，通過四通換向閥的切換，實現(xiàn)不同的能量需求。夏季將房間內(nèi)的熱量轉(zhuǎn)移到地下，對房間進(jìn)行降溫，同時儲存熱量，以備冬用；冬季則是將土壤的熱量轉(zhuǎn)移到房間，對房間進(jìn)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(xiàn)了能量的季節(jié)轉(zhuǎn)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(shè)置冷卻塔或鍋爐作為補充的冷卻源或輔助熱源。

1.2 系統(tǒng)優(yōu)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(diào)系統(tǒng)不像風(fēng)冷熱泵那樣容易受到環(huán)境溫度影響，可以全年保持較高的系統(tǒng)能效比；同時土壤的蓄熱能力遠(yuǎn)高于空氣，不易由于空調(diào)系統(tǒng)排放的廢熱而造成住宅小區(qū)的“熱島效應(yīng)”。

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(tǒng)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(qū)土地的高利用率。

地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)只是利用土壤進(jìn)行熱轉(zhuǎn)換，不需要像地下水源熱泵那樣通過抽取地下水與空調(diào)循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行換熱，并回灌到地下水層，因而對環(huán)境沒有污染；同時空調(diào)系統(tǒng)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(yōu)化

一般情況下，人體產(chǎn)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(fā)散熱。傳統(tǒng)普通分體式家用空調(diào)或室內(nèi)機通常采用頂送風(fēng)或側(cè)送風(fēng)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(dāng)氣流速度變大時，可以加強人體的對流、蒸發(fā)換熱，有利于人體熱平衡，但氣流速度過大會使人產(chǎn)生吹冷風(fēng)的感覺，長期處于通風(fēng)氣流下，甚至?xí)疾?；非變頻家用空調(diào)通常采用啟停控制，而溫度傳感器一般設(shè)置在靠蒸發(fā)器盤管的位置，這樣容易造成室內(nèi)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(dá)到要求而使空調(diào)停止制冷，但房間內(nèi)部分角落區(qū)域的空氣可能并未經(jīng)過充分的對流熱交換。

運用天棚輻射+置換新風(fēng)冷暖系統(tǒng)，將耐熱阻氧聚乙烯管構(gòu)成的盤管預(yù)埋在鋼筋混凝土樓板內(nèi)，通過冷熱媒水將頂板變成一塊均勻的輻射面，與人體進(jìn)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?shù)闹评淠芰﹄S輻射板冷媒水溫與室內(nèi)空氣溫度之間差值的增加而增加，當(dāng)室外溫度升高時，室內(nèi)空氣溫度也隨之升高，此時輻射吊頂?shù)墓ぷ鳒夭钭兇?，輻射吊頂?shù)闹评淞恳沧詣釉龃?，可以使房間溫度維持在比較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

屋頂設(shè)置新風(fēng)處理機組，設(shè)回風(fēng)段、初中效過濾段、變冷加濕段、送風(fēng)段、消聲段等，新風(fēng)經(jīng)過處理后統(tǒng)一送入各住戶內(nèi)，其空氣處理質(zhì)量明顯高于一般家用新風(fēng)處理機。送至戶內(nèi)的新風(fēng)以較低的風(fēng)速（0.2～0.3 m/s）和小溫差經(jīng)置換風(fēng)口送入人員活動區(qū)。在送風(fēng)氣流及室內(nèi)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(fēng)口排出，形成了自地板至吊頂?shù)娜婵諝饬鲃?；同時上部區(qū)的空氣不會再循環(huán)進(jìn)入下部區(qū)，保證了室內(nèi)空氣質(zhì)量。

2.2 節(jié)能型優(yōu)化

天棚輻射+置換新風(fēng)冷暖系統(tǒng)在節(jié)能方面主要考慮以下3點：

1）有關(guān)實驗表明，在冷輻射作用下，人在房間內(nèi)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(shè)計空氣溫度可以比常規(guī)系統(tǒng)的房間高2～3 K。從理論上講，這可以節(jié)能20%～30%。

2）室內(nèi)污濁的空氣通過管井統(tǒng)一排至屋頂新風(fēng)機組內(nèi)，通過與室外空氣進(jìn)行熱交換，回收部分能量。

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

3 經(jīng)濟(jì)性分析

南京某小區(qū)工程位于南京市河西區(qū)域，住宅樓最高29層，項目總建筑面積約為274 664 m2?？偫湄?fù)荷8 688.2 kW，總熱負(fù)荷5 635.9 kW，采用地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)制冷、供熱并提供生活熱水，空調(diào)末端采用內(nèi)天棚輻射吊頂+置換通風(fēng)。

3.1 初投資

本項目地源熱泵系統(tǒng)工程的綜合單價約為520元/m2，主要包括熱泵機組設(shè)備、安裝費，相對于常規(guī)系統(tǒng)增加了鉆孔、地埋管管線、天棚盤管、新風(fēng)管道及風(fēng)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(fù)荷率按0.7。通過采集空調(diào)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，可以計算出地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)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(diào)系統(tǒng)的總運行費用為3 278 000元（表1）。

表1 運行電量統(tǒng)計

從運行費用分析（表2）中可以看到，在5個月空調(diào)整體需求不高的情況下，地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在保持24 h不間斷運行且提供新風(fēng)的工況下，仍然比分體空調(diào)系統(tǒng)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(tǒng)的熱水費用更是比電熱水器節(jié)省了75%。

表2 運行費用分析

3.3 其他

由于避免了業(yè)主采用分體式空調(diào)，故建筑外立面沒有因預(yù)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(tǒng)的常年運行使區(qū)域供冷暖管理系統(tǒng)日臻成熟，輔以現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)，物業(yè)管理部門可以對小區(qū)統(tǒng)一管理，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，同時在管理過程中能夠與小業(yè)主充分交流，從而使管理互動性更強且更有效。

小區(qū)屋頂增設(shè)了新風(fēng)空調(diào)箱，室外新風(fēng)經(jīng)降溫（加熱）、除濕（加濕）、過濾等處理后，統(tǒng)一送至各住戶房間，較采用分體式空調(diào)形式，住戶房間空氣質(zhì)量有了明顯改善和保證。天棚輻射盤管敷設(shè)在混凝土樓板中，新風(fēng)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(nèi)家具布置等沒有影響。

4 結(jié)語

本文通過對地源熱泵系統(tǒng)原理的和天棚輻射末端形式的介紹，提出了住宅的空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能應(yīng)用方面的優(yōu)化設(shè)計，它不僅能夠滿足人們對于住宅內(nèi)部安全、舒適、健康的環(huán)境要求，同時在節(jié)能方面也貢獻(xiàn)頗多，既響應(yīng)了國家關(guān)于綠色節(jié)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(yīng)，綠色節(jié)能技術(shù)也會逐步得到推廣和應(yīng)用。