长沙某高层住宅空调系统介绍及运行能耗分析

陈震夏卓平王建民柳明一费良斌

1江苏省建筑设计研究院有限公司

2当代置业（湖南）有限公司

长沙某高层住宅空调系统介绍及运行能耗分析

陈震1夏卓平1王建民2柳明一2费良斌2

1江苏省建筑设计研究院有限公司

2当代置业（湖南）有限公司

该工程为住房和城乡建设部2007年国家重点可再生能源示范居住建筑，采用垂直埋管地源热泵系统作为冷热源，末端采用天棚辐射+转轮热回收置换新风系统。结合该系统2012年～2013年实际运行参数做了详细的分析研究，冬季供暖期单位面积耗电量指标为16.48kWh/m2，夏季供冷期单位面积耗电量指标为23.63kWh/m2，全年为40.11kWh/m2。

可再生能源示范项目 地源热泵 天棚辐射 置换通风 运行分析

本工程位于湖南省长沙市，为住房和城乡建设部2007年国家重点可再生能源应用示范项目之一。由两栋18层高层住宅构成，地下建筑面积为0.96万m2，地上建筑面积3.99万m2，建筑总高度60.6m，总户数272户。

1 设计说明

空调冷热源采用垂直埋管地源热泵系统，末端采用天棚辐射+置换新风系统。该系统为温湿度独立控制，采用两个相互独立的系统分别对室内的温度和湿度进行调控，能显著提高室内温湿度的控制精度，使空调系统的综合能效比得到进一步提高，达到节能、舒适和提高室内空气品质的目的[1～3]。

本工程外围护结构采取了较好的被动节能措施，室内温度场受外温波动影响较小；采用天棚辐射末端方式，室内垂直温度梯度小，无明显的吹风感，人的实际感觉比相同室温对流换热时舒适得多；置换通风系统，新风由地板送风口送出，污浊空气由设置于房间顶部的排风口排出，人员活动处于相对清洁的空气环境中，提高了活动区空气品质；噪音较低，不会产生空调器、风机盘管等无法避免的噪音[4]。

1.1 空调负荷及生活热水负荷

天棚辐射系统：夏季冷负荷为920kW，冬季热负荷为730kW；独立新风系统：夏季冷负荷为1150kW，冬季热负荷为700kW；生活热水按50L/人·天计算，冬季小时耗热量为450kW，春秋季为363kW，夏季为236kW。

1.2 地埋管系统

根据地质勘察热响应报告：φ130实验井120m，双U管布置，夏季地埋管放热量65W/延米，冬季吸热量50W/延米。地埋管设计长度依据冬季空调热负荷及生活热水负荷来计算，并考虑一定的富余量，设计地埋管总长度32160延米。共402口井，单井有效深度80m，钻孔间距4.2m×4.2m，双U并联布置。

为消除可能引起的土壤热平衡破坏，本工程设计一台175t/h的闭式冷却塔作为补充冷却源。

1.3 地源热泵机房系统

选用五台地源热泵机组（编号为：GSHP-1、2、3和全热回收机组GSHP-4、5）。其中GSHP-1、2为高温冷水机组，夏季提供16/21℃的冷冻水，通过旁通供应18/21℃的天棚辐射冷水，冬季提供33/28℃热水，通过旁通供应31/28℃的天棚辐射热水。GSHP-3、4、5夏季同时提供7/12℃的低温冷冻水供新风机组冷冻除湿和一层入口门厅吊装空调箱，同时热回收机组GSHP-4回收冷凝热制取60/55℃的生活热水；冬季GSHP-3提供45/40℃的空调热水供新风机组和一层入口门厅吊装空调箱，两台热回收机组GSHP-4、5提供60/55℃的生活热水。原设计的地源主机冬季、夏季运行模式分别见表1和表2。

表1 地源主机冬季运行模式（原设计）

表2 地源主机夏季运行模式（原设计）

过渡季节制生活热水，开启GSHP-4和GSHP-5其中一台或两台高温制热运行。通过以上设备选型，夏季新风总制冷量为1186.6kW，生活热水热回收量为264.8kW；冬季新风总制热量为803.8kW，生活热水制热量为478.8kW。夏季天棚制冷量为930.8kW，冬季天棚制热量为842.8kW。冬季新风制热量超过了设计计算负荷14.8%，主要是设备选型造成的冷热负荷不匹配。

地源主机在招标采购时做了一定调整，调整后的机组制冷量都增大了，后文的测试数据均来自调整后的主机运行参数，具体调整如表3和表4。

表3 地源主机冬季运行模式（实际运行）

表4 地源主机夏季运行模式（实际运行）

1.4 独立新风系统

空调新风采用转轮式热回收新风机组，分别设于地下室和屋顶，向上/向下送入各套住宅内。新风机组回风来自卫生间及厨房竖向的排风。夏季新风除承担室内湿负荷外，还承担了部分显热负荷。新风机组设回风段、粗中效过滤段、全热回收段、表冷段、铝合金湿膜加湿段、送风机段、消音段、检修中间段等，具有对空气进行冷却、除湿、加热、加湿和净化等功能。

1.5 空调末端方式

空调末端采用天棚辐射供冷/暖方式，天棚辐射系统由预埋在钢筋混凝土板内的盘管组成，盘管材质为耐热阻氧聚乙烯管（PE-RT），规格为D20×2.0mm，盘管间距依据计算负荷的大小布置，每一回路盘管设有流量调节装置（与分集水器一体化）。

新风由设在屋顶或地下室的新风机组通过竖管送至户内，为保证各户的新风量恒定，每户的连接支管上设定风量阀，单个房间的新风支管均为φ75的PE双壁波纹管不燃风管，沿地面敷设，新风口安装于室内靠外窗的地面上，出风口风速小于0.3m/s。

2 运行分析

2012年底实际入住86户，入住率为31.6%，本文以2012年冬季和2013年夏季空调系统监测能耗为研究对象，对该系统节能性做出详细分析。

物业公司对系统能耗做了详细计量，包括地源主机、水泵、新风机组等主要设备运行参数。实际运行期间，未入住房间新风系统开启，天棚辐射系统关小运行，长沙地区电价为0.93元/kWh（前两年按商业电价计，之后由业主委员会申请后调整为居民电价）。

2.1 冬季采暖能耗

天棚系统运行时间从2012年11月12日至2013年3月4日，总共112天；新风系统从2012年11月9日到2013年4月7日停止，总共运行149天。冬季供暖逐月总耗电量与冬季供暖期能耗分析分别见表5和表6。

表5 冬季供暖逐月总耗电量

表6 冬季供暖期能耗分析表

整个冬季供暖期耗电量指标为16.48kWh/m2，单位面积能源费用为15.32元/m2，相对于常规居住建筑空调系统来讲，虽然系统综合能效比较高，但系统一直不间断运行，总的节能量有限。

2.2 夏季空调能耗

天棚辐射系统从2013年5月10日供冷至2013年9月21日，共135天；独立新风系统从2013年5月2日运行至2013年9月21日，共143天。夏季空调逐月总耗电量与冬季供暖期能耗分析分别见表7、表8。

表7 夏季空调逐月总耗电量

表8 夏季空调期能耗分析表

以上数据是在冷却塔未开启，均靠地源水释热的情况下监测的，记录数据中地源水最高供水温度达到36℃，可见夏季增设冷却塔辅助降温很有必要。从表中可知：夏季供冷单位面积耗电量指标为23.63kWh/m2，单位面积能源费用为21.98元/m2。

根据业主提供的新风系统主机GSHP-3从5月1日0:00至8月23日15:00的逐时运行参数和天棚辐射系统主机GSHP-1、GSHP-2从6月5日14:00至8月27日16:00的逐时运行参数见表9。

表9 地源主机运行参数

夏季新风系统主机GSHP-3运行平均COP=3.70，供回水温差△t=3℃；天棚辐射系统主机GSHP-1、GSHP-2运行平均COP=4.90，△t=2.5℃，不需要旁通就能满足天棚系统供回水3℃温差的要求。原因分析为入住率偏低，空调负荷较小，主机长期在低负荷工况下运行，循环水泵变频措施未安装到位等。

实际运行新风系统累计制冷量和天棚辐射系统累计制冷量占总耗冷量比例分别为62.2%和37.8%，而空调负荷计算时各自所占比例分别为55.6%和44.4%，二者相差不多。

2.3 生活热水能耗

表10、表11为冬季生活热水逐月总耗电量及冬季生活热水能耗分析表。

表10 冬季生活热水逐月总耗电量

表11 冬季生活热水能耗分析表

物业公司仅提供了冬季的运行参数，由于缺乏生活热水总用水量，不能详细计算出冬季每立方米生活热水的成本价。夏季机组制冷热回收运行，“免费”制取生活热水，所以主要是冬季和过渡季机组高温制热运行的成本。根据测算，物业公司目前按照20元/m3收取生活热水费用。

2.4 全年能耗

综合冬夏季能耗可知：全年单位面积耗电量指标为40.11kWh/m2，单位面积能源费用为37.3元/m2，加上物业公司估算的每年维保成本3.7元/m2，合计约41元/m2。目前按照全年40元/m2收取住户空调采暖费，当实行居民电价0.53元/kWh以后，实际全年成本为25元/m2。

该项目节能计算报告结果见表12，可以看出：分体空调的年耗电量反而少，这是因为天棚辐射+置换通风的系统属于“全时间、全空间”的空调方式，在整个空调/供暖期全时间全空间运行，且二者计算的周期不一样（分体空调计算时间：夏季从6月15日至8月31日，冬季从当年12月1日至次年2月28日）。

表12 18#与19#楼模拟计算耗电量和地源热泵系统实测值比较

结合生活热水能耗考虑，由于热泵机组制热效率高于锅炉，且机组夏季可回收空调冷凝热，综合来看，该系统还是有一定的节能效果。

除以上优点外，该系统存在初投资较高，投资回收期较长等缺点。不仅因地埋管、地源热泵主机、天棚辐射盘管和置换通风末端系统等设备方面增加的投资，且受辐射系统单位面积散冷/热量较小的影响，对建筑外围护结构热工参数等方面也提出了严苛的要求。

3 结论

在实际入住率31.6%情况下，冬季耗电量指标为16.48kWh/m2，夏季为 23.63kWh/m2，全年约为40.11kWh/m2，按商业电价0.93元/kWh时，能源费用37.3元/m2。当实行居民电价0.53元/kWh后，加上物业维保成本3.7元/m2，实际全年成本为25元/m2。由于未入住房间的空调系统依然开启，且接近满负荷运行，所以该系统适用于入住率较高的住宅。在如今住宅小区入住率偏低的大环境下，既要满足住户舒适性的要求，又要降低空调系统能耗，可选择分户的小型地源或空气源热泵热回收机组+户式热回收新风换气机。

本工程空调系统为“全时间、全空间”方式，在低入住率的情况下，空调/采暖总能耗较高，但由于该系统室内人员整体舒适性较高，全年25元/m2的空调成本，目前存在一定的市场接受度。

[1]刘晓华,江亿.温湿度独立控制空调系统[M].北京:中国建筑工业出版社,2006

[2]张涛,刘晓华,张海强.温湿度独立控制空调系统设计方法[J].暖通空调,2011,41(1):1-8

[3]寿炜炜,张伟程,孙斌.温湿度独立调节技术在夏热冬冷低区的应用研究[J].暖通空调,2012,42(5):1-5

[4]陆耀庆.实用供热空调设计手册(第二版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2007

The De s ign a nd Ene rgy Cons um ption Ana lys is of the High Re s ide ntia l Air-c onditioning Sys te m in Cha ngs ha

CHEN Zhen1,XIA Zhuo-ping1,WANG Jian-min1,LIU Ming-yi2,FEI Liang-Bin2
1 Jiangsu Provincial Architectural Design&Research Institute Ltd.
2 Modern Land(Hunan)Co.,Ltd.

The project published by the ministry of Housing and Urban-Rural Development in 2007 is the demonstration residential buildings that utilize national renewable energy,using vertical ground heat exchanger design of ground-source heat pump system as cold and heat sources.Air-condition terminal device take ceiling radiation and displacement ventilation using rotary enthalpy recovery equipment.This paper did a detailed analysis that combine with the actual operating parameters of this system from 2012 to 2013.The result shows that the index of power consumption per unit area is 16.48kWh/m2in winter heating period,while,the index of power consumption per unit area in Summer heating period is 23.63kWh/m2,in hence,the whole year figure is 40.11kWh/m2.

renewable energy demonstration project,groundsource heat pump,ceiling radiation,displacement ventilation,operation analysis

1003-0344（2015）03-083-4

2014-5-15

陈震（1983～），男，硕士，工程师；江苏省南京市建邺区创意路86号江苏省建筑设计研究院有限公司机电所（210019）；E-mail:jsadchen@126.com