上海某住宅小区多功能空气源热泵系统设计

罗民

上海思纳建筑设计有限公司

1 小区建筑概况

本住宅小区位于上海市闸北区，紧邻大宁商业中心和大宁绿地中心，为新建的全装饰房住宅小区。规划用地面积51250m2，总建筑面积141693m2，其中包含9幢高层和4幢多层住宅建筑，总建筑面积97040m2。应开发商要求设计了A～F，6类共26种户型，套内建筑面积从55.5m2到249.5m2不等。

2 设计计算参数

1）主要室外设计计算参数[1]：夏季空调计算干球温度34℃，空调计算湿球温度28.2℃；冬季采暖计算干球温度-2℃，室外计算相对湿度75%。

2）室内设计计算参数[2]：起居室和卧式的夏季空调计算温度为26℃；冬季采暖（地暖）计算温度为18℃；无机械通风设备，靠住户开窗自然通风；换气次数（新风量）取为1次/h并以此计入冷、热负荷。

3）开发商提出的补充设计要求：在施工图设计阶段开发商提出，在9幢高层住宅中的5～7号楼，C1户型；8号楼，D1～D4户型以及4幢多层住宅9～12号楼，F1～F9户型均采用某一品牌的多功能空气源热泵机组（表1）。每户独立设置。

表1多功能空气源热泵机组的功能注：冬季除表中所示功能外，还可实现室内机供暖＋地板辐射采暖和单一地板辐射采暖另外两种工况。

3 空调系统设计

3.1 空调冷负荷及采暖热负荷的计算

选取C1和F7户型，利用负荷计算软件，对夏季空调负荷进行了逐时计算。另外，按民用住宅用户一直以来使用空调的习惯，即“人到哪里就开哪里的空调”。因此，在计算某个房间的负荷时，计入了其室间的传热量，但不计入该户的总负荷中。该空调系统是每户独立设置的，即每户一台室外机，因此，每户的总负荷也计入了户间传热量。最后将负荷计算的结果汇总列于表2。

表2C1和F7户型的冷、热负荷

3.2 空调的平面布置

每个相对独立的房间（空间）设置一台室内机。为配合室内装饰，室内机均采用卧式暗装型。气流组织均为天花上侧送风、顶回风的送回风方式。考虑到卫生要求和厨房油烟的情况，在卫生间和厨房间均设置机械通风机和脱排油烟机，但并未设置空调室内机。C1户型的空调平面布置见图1。

图1 C1户型的空调平面布置

4 地板辐射采暖系统设计

除了厨房和一些储藏和辅助间以外，每个相对独立的房间（空间）均设置一个地埋盘管的环路，其供回水管均连接至一套分水、集水器上。系统的供、回水设计温度为50/45℃。每个环路都设有温控阀。各环路管长65～110m不等。环路之间的水力平衡靠安装于分水、集水器上的阀门调节。系统为闭式环路，其密闭式膨胀水箱、循环水泵及自动补水装置与冷剂-水热交换器组装于一体，详见图2[3]。

图2 地板辐射采暖系统和生活热水供应系统的接管

套内除厨房和阳台外，其它各个房间地板内均埋设有专用塑料供暖管。每一房间的供暖管构成独立的单一环路，并联于分水器和集水器之间。分水器和集水器及调节阀作为系统中的一个组装部件安装于卫生间的台盆下方。地板埋管的平面布置见图3。

图3 C1户型地板采暖的水管平面图

5 热水供应系统的设计

每户设置一至二台立式容积式蓄热水箱。蓄热水箱内装有主加热器。其热源与地板采暖热源均共同来自冷剂-水热交换器。两者之间通过三通转换阀（见图2）相连。三通转换阀的作用在于实现地板采暖和热水供热两个工况的转换。由此可见，系统只能在地板采暖或者热水供应两者之间任选，不可两者同时使用。热水供应水箱的设计出水温度为55～60℃，水箱内另外加装有3kW的辅助电加热器，以备加热温度或者容量可能的不足之需。

6 主要设备的选型

6.1 空调室内机

室内机的容量一律按房间的夏季供冷计算负荷选型确定。

6.2 空调室外机

1）根据技术资料要求，空调室外机的容量应根据整套住房的空调总冷负荷和采暖总热负荷的比较结果，取其中大值确定并选型。

2）对于冬季运行工况，应适当考虑室外温度及机组化霜对制热量的影响。不过，在所用品牌机型的技术资料中已对此进行了修正。

3）在制冷剂接管总长度和室内、外机安装高差异常情况下，需按相应技术资料对机组额定容量进行必要的修正。

4）在室内机总容量与室外机容量配比超出100%的情况下，需对室外机额定制冷/制热量进行修正。

6.3 冷剂-水热交换器及蓄热水箱

1）如图2所示，该换热器承担着地板采暖系统和热水供应蓄热水箱两个系统的加热，但是，地板采暖系统与蓄热水箱加热两者工况和功能，在一个时间里却只能是择一而为，不能同时进行。考虑到地板采暖与蓄热水箱加热两者都可能结合机组完全独立运行，此时，机组的制热量有可能会全部作用于换热器，所以，冷剂-水换热器的容量确定，当以机组冬季工况下额定制热量为依据。

2）热水供应热负荷按GB50015-2003《建筑给水排水设计规范》（2009年版）[4]中的相关条文规定和数据进行计算，计算结果见表3。

表3热水供应负荷

3）蓄热水箱容量的确定

蓄热水箱的容量同时涉及两个量值：一个是水量；另一个是热量。与蓄水量直接关联的是水箱容积，水箱容积可按用户一天的热水用水定额，通过简单的计算获得。

根据上述各项主要设备的选型计算原则进行的计算结果作出的试算选型汇总于表4。

表4主要设备选型表

7 节能效果分析

1）以C1和F7房型为例，在冬季时采用多功能空气源热泵机组与燃气热源热水器及电热热水器三种不同方式的每小时能耗和费用见表5。

2）该系统在夏季制冷工况下运行时，其生活热水加热的能耗理论值为零，因为这部分热量完全来自于制冷系统冷凝热的废热回收，不需消耗一次或二次能源。

综上所述，该多功能空气源热泵机组系统节能和节省费用的效果是显而易见的。如果以上述的装机容量，按上海地区供暖期为90天平均每天运行12小时估算，可节约电能453×104kWh，相当于每年可节约标煤约1590t（仅为采暖期的采暖和热水供应能耗比较）。但是由于住宅使用时间的随机性，其实际的节能数据肯定有所不同。

注：①天然气热值为35700kJ/m3；②多功能空气源热整个冬季的平均综合能效比为3.5；③上海居民天然气价格为2.5元/m3；电价为昼夜平均电价0.5/kW.h。④实际情况可能会随气象条件的变化与上述试算值有差异。

8 工程设计总结

从分析可以看出，这类机组的节能效果是十分明显的，但是只有在连续不断使用条件下，其性能才能得到最佳发挥，如果一天之中只有少数几个小时开机，是很难满足使用要求的。供应商技术部门为了在使用的效果和节能之间找到一个平衡点，在设计选定的机型上放大了一档。这也就是上述试配机型与最终选定机型不一致的原因。

本工程在2012年底土建及室内装饰工程基本竣工，2013年3月底设备安装完毕并调试结束，交付使用。按室外主机的台数来计算，共安装252套多功能空气源热泵机组，总装机空调制冷量4696.8kW，制热量为5339kW；用电量装机容量为1145.86kW（此用电量不含辅助加热和循环水泵的用电量）。该住宅小区项目已申报上海市建筑节能示范项目和住建部A级住宅项目，并已获专家评审通过。

[1] 采暖通风空气调节设计规范(GB50019-2003)[S]

[2] 夏热冬冷地区住宅建筑节能设计标准(JGJ134-2010)[S]

[3] 地板辐射供暖技术规程(JGJ142-2004)[S]

[4] 建筑给排水设计规范(2009年版)(GB50015-2003)[S]