某住宅小區(qū)溫濕度獨立控制空調系統(tǒng)設計

何青青 楊曉舒 尹 龍 寇紅曉

(中國建筑上海設計研究院有限公司,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+新風除濕空調系統(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,而新風處理需要高品位冷源,因此,如何提高新風處理效率、減少新風處理能耗,做到系統(tǒng)經(jīng)濟合理、節(jié)能高效、低碳環(huán)保,成為該空調系統(tǒng)的關鍵。

1 冷熱源系統(tǒng)設計

1.1 項目概況和室內設計參數(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系統(tǒng),其室內設計參數(shù)見表1。

表1 室內設計參數(shù)[2]

1.2 空調負荷

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

1.3 冷熱源形式

冷熱源采用復合式地源熱泵系統(tǒng):地源熱泵+冷卻塔電制冷機組,地埋管換熱系統(tǒng)按照承擔全部空調熱負荷設計;地埋管換熱系統(tǒng)可提供約70%的空調供冷量,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,應優(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置1臺開式冷卻塔。冬季空調供/回水溫度為45 ℃/38 ℃,夏季空調供/回水溫度為8 ℃/15 ℃。系統(tǒng)設計工況下的總制冷量為 5 402 kW,制熱量為3 675 kW。

1.4 地埋管換熱器設計

根據(jù)該地塊的《地源熱泵巖土熱響應試驗報告》,巖土初始平均溫度為19.09 ℃,巖土綜合導熱系數(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,地埋管側供/回水溫度10 ℃/5 ℃,設計工況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,計算井數(shù)為754口,該項目設計采用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。一級分集水器設于靠近地下室外墻的檢查井內,一級分集水器匯總后接入地源熱泵機房,管線穿墻處需設柔性防水套管。豎直地埋管及水平聯(lián)絡管采用高密聚乙稀(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。當夏季熱泵機組地源側出水溫度超過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 空調水系統(tǒng)

2.1 空調水溫及冷熱源輸配系統(tǒng)選擇

空調形式為“毛細管輻射+置換新風”系統(tǒng)[5],毛細管承擔房間顯熱負荷,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)設置空調水井,空調水井內設置空調水立管、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空調水輸送至末端,與傳統(tǒng)集中換熱方式相比,大大縮短了二次側輸配距離。一次側輸配距離雖然增加,但一次側采用7 ℃溫差輸配,相比集中換熱二次側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。因末端毛細管內徑極小,易堵塞而影響使用,因此對水質要求更高,二次側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,一次側空調水使用無縫鋼管輸送至空調水井,減少初投資。

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

2.2 空調水系統(tǒng)

一次側空調水系統(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節(jié)冷水循環(huán)泵流量。主干管采用水平異程形式,一次側戶式換熱模塊立管采用豎向同程形式,屋頂新風空調箱立管采用豎向異程形式。

二次側水系統(tǒng)采用戶式換熱模塊與一次側水系統(tǒng)隔離,戶式換熱模塊內集成熱計量、氣壓罐、換熱器、平衡調節(jié)閥、補水閥、減壓閥、戶用分集水器,戶內毛細管水系統(tǒng)工作壓力為0.2 MPa,板式換熱器二次側供給毛細輻射系統(tǒng)的水管采用2級鋁合金襯塑(PE-RT)復合管,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?？照{水井大樣圖見圖2。

2.3 水系統(tǒng)補水定壓

一次側及地埋管水處理、定壓補水均在制冷機房。為避免水質惡化導致毛細管堵塞,二次側補水采用軟化水,在制冷機房設置集中軟化水系統(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置支管減壓閥,確保換熱器補水壓力不大于0.1 MPa。二次側系統(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 空調風系統(tǒng)

3.1 新風系統(tǒng)及系統(tǒng)分區(qū)

該項目住宅均為18層,新風系統(tǒng)分為高、低區(qū),1～9層為低區(qū),10～18層為高區(qū)。排風系統(tǒng)不分區(qū),所有樓層排風經(jīng)屋面雙冷源深度熱回收新風機組回收能量后高位排放。低區(qū)新風機組不作熱回收,采用雙冷源深度除濕新風機組。該系統(tǒng)可避免把污濁排風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,為新風機房設置在住宅下方地庫內提供有利條件,可避免新風機房占用停車位。

3.2 戶內置換新風系統(tǒng)

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

圖4 微降板地板送風做法(單位:mm)

3.3 新風熱回收處理

采用雙冷源深度熱回收新風機組回收排風能量,處理過程如下[6]:室外新風經(jīng)板式熱回收段回收低溫回風能量后進入水冷表冷段預冷,新風預冷采用一次側供/回水溫度為8 ℃/15 ℃的冷水,預冷后低溫低濕新風再進入直膨表冷段進行深度除濕,深度除濕后的低溫新風再經(jīng)過冷凝再熱段加熱后被再次過濾,過濾后新風經(jīng)豎向新風管道送入室內。夏季排風處理流程為:豎向排風管道將室內回風引入機組,室內低溫低濕回風先經(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回收顯熱,溫度上升后再經(jīng)過風冷冷凝段,回風能量被深度利用后經(jīng)排風風機排出室外。新風處理過程見圖5。

注:N為室內狀態(tài)點;S為送風狀態(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為新風熱回收過程,室外新風經(jīng)過板式熱回收段回收室內排風能量(室內排風先經(jīng)噴淋蒸發(fā)冷卻達到飽和狀態(tài),溫度降低);2為新風冷卻除濕過程,由水冷表冷段完成;3為新風深度冷卻除濕過程,由熱泵蒸發(fā)器冷卻完成;4為新風再熱過程,由熱泵冷凝熱回收段完成(熱泵多余冷凝熱由排風風冷冷凝器帶走);5為新風送風過程。圖5 雙冷源熱回收新風處理過程

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

表2 雙冷源熱回收新風處理狀態(tài)點參數(shù)

表3 設計工況典型戶型空調箱除濕量校核

3.4 戶內風量平衡及氣流組織

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

戶內置換通風[8]:新風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)域排風口排出,公共區(qū)域排風口設置在餐廳附近,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)生間均設置排風。戶內排風以公共區(qū)域集中排風為主、衛(wèi)生間分散排風為輔,每個衛(wèi)生間排風量為50 m3/h,集中排風量為80%新風量扣除衛(wèi)生間風量。

4 空調末端系統(tǒng)

戶內采用頂面毛細管預制板輻射空調系統(tǒng)[9],夏季供冷、冬季供熱,控制室內溫度,毛細管預制板敷設于室內頂面,毛細管預制板由隔熱層、傳導層、毛細管席及管路和面層一體成型,工廠加工為成品,敷設方式為吊頂敷設。戶內毛細管席環(huán)路按照房間布置,每個房間均設置獨立環(huán)路,客餐廳面積較大,可布置2個環(huán)路;衛(wèi)生間、廚房不設置毛細管輻射板,避免濕度過大造成結露。毛細管預制板內毛細管席材質為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,在設計供回水溫度及室內溫度下,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,連接方式為同側熱熔連接。

為防止首層冬季室內溫度達不到設計要求,在首層設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二次側主管,引出管上設置關斷閥,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,為避免臨近墻壁結露,1層大堂設置風機盤管,空調水管接自空調水井立管,大堂風機盤管在供冷季和供暖季均開啟。

5 防結露及戶式換熱模塊水溫控制

5.1 防結露控制

房間溫濕度采用分室控制,每個空調房間(不包括廚房、衛(wèi)生間)設置溫度控制器,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];防結露采用主動控制策略,在靠近外圍護結構輻射面上設置防結露溫度傳感器,當戶內控制器監(jiān)測到輻射面溫度接近室內設定露點溫度時,系統(tǒng)及時關斷該輻射末端環(huán)路上的閥門,對輻射系統(tǒng)結露進行主動控制,控制原理見圖7。空調房間濕度控制:供冷季,將室外高溫潮濕的新風經(jīng)過新風除濕機組處理后送入空調房間內;供暖季,將室外低溫干燥的新風經(jīng)過新風除濕機組處理后送入空調房間內。

圖7 防結露及戶式換熱模塊控制原理圖

5.2 換熱模塊水溫控制

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

6 結束語

空調系統(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;用戶側定壓補水采用豎向分區(qū)減壓補水,控制用戶側毛細管系統(tǒng)工作壓力,提高毛細管輻射末端可靠性及使用壽命;置換新風采用局部微降板埋地處理,節(jié)省戶內空間;新風系統(tǒng)豎向分區(qū),減小戶內風井面積,增加使用面積,由雙冷源深度熱回收新風機組集中回收排風能量,優(yōu)化機組配置,避免熱泵室外冷凝器接管,熱泵回收低溫排風能量,提高內置熱泵效率;優(yōu)化地下室新風機組功能段配置,減小機組尺寸,節(jié)省安裝空間。