溶液调湿空调与地源热泵在修缮建筑中的应用

翟淼

同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司

温湿度独立控制的空调系统由潜热处理与显热处理两个系统组成，新风承担室内湿负荷，显热负荷由室内干式末端承担。溶液调湿的新风处理装置具有高效节能、健康舒适、控制精确等优点，日益被设计人员重视，特别是在多雨潮湿的江南地区表现良好。用于排除室内显热负荷的冷源，只需要提供14～19℃的高温冷水即可满足要求，因此溶液调湿技术与地源热泵相结合的系统是一种可以充分发挥温湿度独立控制空调系统优势的配置方案[1-2]。

1 工程背景

工程所在地上海市，为某仓库建筑修缮设计。基地共包含三个单体，分别为仓库，厂房和空压站。其中仓库建造时期早于二十世纪二十年代，其工业特征明显，具有较高的艺术价值。厂房建造于二十世纪七十年代，空压站建造于二十世纪八十年代。三个单体具有重要的历史意义。

2 修缮原则

由于设计对象的特殊性，暖通设计要在不影响建筑风格和修缮要求的前提下，满足室内的温湿度要求，同时要考虑进一步为优秀历史建筑提供保护。

3 工程概况

原仓库地上五层，均为大空间展区及商业区，原厂房地上三层，为商业、展览功能，空压站为地上三层，为配套办公区域。修缮后的总建筑面积为10436 m2。

4 设计计算参数

1）室外计算参数

夏季空调34.4℃，湿球温度27.9℃，冬季空调-2.2℃，相对湿度75%。

2）室内计算参数

表1为室内计算参数。

3）空调负荷计算

经计算，本工程的夏季冷负荷（含新风）为1024 kW，其中室内夏季显热负荷为541.2 kW，冬季热负荷（含新风）为535 kW，冬季室内热负荷为321.5 kW。

5 冷热源选择

5.1 方案确定

本工程采用地埋管地源热泵系统。建筑物周边有较大面积的绿地，可作为埋管区域。靠近绿地的区域有地下室，可设置机房，既靠近埋管区域缩短管线敷设长度，节省了投资，又可以避免机器运行对其他区域的影响。

5.2 主机选型

选用2台名义制冷量 297 kW，名义制热量316 kW的螺杆式地源热泵机组，机房设置在地下一层，夏季供回水温度12/17℃，冬季供回水温度45/40℃。根据全年冷热平衡计算，全年排热量多于吸热量，故设置一台65 m3/h的闭式冷却塔设于绿化内，通过调整冷却塔的使用时间来满足土壤的热平衡。

5.3 地埋管系统

本工程采用钻孔埋管形式。钻孔埋管采用并联单U型埋管，根据地源热泵夏季冷凝热排放量计算，需设置埋管井177个，有效深度100 m，按照5 m×5 m间距埋设管径为De32，具体埋管见图1。

图1 埋管区域示意图

6 末端

6.1 系统划分及空调方式

1）原仓库各层均为大空间展区及商业区，考虑到区域功能及空调舒适性，该单体采用热泵式溶液全空气空调系统，空调设备均设置在每层的集中机房内。

2）原厂房、空压站采用干式风机盘管+热泵式溶液调湿新风机组的空调形式。

6.2 空气处理过程

1）溶液全空气空调系统

图2为溶液全空气空调系统示意图。夏季，高温高湿的新风在全热回收单元中以溶液为媒介和排风进行热交换，新风被初步降温除湿，然后进入除湿单元进一步除湿。新风单独处理至低湿状态后与回风混合，通过外界提供的高温冷水（12/17℃）对混合空气进行降温，达到送风状态点（图3）。冬季，低温干燥的新风在全热回收单元中以溶液为媒介和排风进行热交换，新风被初步加热加湿，然后进入加湿单元进一步加湿。湿润的新风与回风混合，通过外界提供的热水（45/40℃）对混合空气进行加热，达到送风状态点（图4）。

图2 溶液全空气系统示意图

图3 典型房间的夏季处理过程

图4 典型房间的冬季处理过程

表2为溶液全空气空调箱选型的参数。

图5 溶液新风系统示意图

2）干式风机盘管+热泵式溶液调湿新风机组

新风系统负荷由带全热回收的热泵式溶液除湿新风机组承担。夏季，由热泵式溶液调湿新风模块对新风进行独立除湿，承担室内湿负荷，同时去除室内VOC，异味及细颗粒物，冷冻水承担室内显热负荷。冬季，新风机组独立承担新风负荷，并对新风进行加湿，室内负荷由地源热泵热源承担。系统原理图如图5所示，溶液新风机选型参数如表3所示。

6.3 气流组织形式

原仓库各层采用上送风、机房高位侧回风的送回风方式，风口选用方形散流器，百叶风口回风。原厂房、空压站采用上送上回，新风口选用散流器，回风选用百叶风口。为了充分展示历史建筑的原貌，所有风管、设备均明装，所以在风管、设备的选用上尽量做到使用功能与美观性的统一。

7 空调水系统

空调冷热水系统采用二管制，竖向异程，水平同程，一次变流量系统，末端变流量运行，并在供回水干管之间设置压差旁通控制。空调冷冻水系统主机侧定流量运行。空调机组末端采用动态平衡电动两通调节阀，风机盘管末端设置温控开关式电动两通阀。冷热水管道风机盘管和空调箱支环路分开设置，各风机盘管支环路处设自力式压差平衡阀。水系统原理图如图6所示。

图6 水系统原理图

8 经验与总结

1）冷热源配置。由于工程所在地为夏热冬冷的上海地区，对于商业建筑来说，夏季的显热负荷（541.2 kW）远大于冬季的显热负荷（321.5 kW），按照冷负荷来选择地源热泵机组会造成夏季向土壤中释放的热量要大于冬季从土壤中吸收的热量，因此必须通过增加辅助冷却塔来避免土壤热环境的恶化，通过调整冷却塔的运行时间来控制机组向土壤中释热，实现土壤的热平衡。如果将冷热源的配置调整为地源热泵+高温冷水机组的模式，以冬季热负荷作为地源热泵的选择依据，也是一种比较常见的配置模式。不过两种方案也各有利弊，选择两台热泵机组，在冬季的运行会更加可靠，且两台同样型号的机器更有利的水泵、机组的控制与调节，但也会增加室外埋管空间，投资较大，辅助冷却塔的开启、运行时间也给控制带来一定难度。采用地源热泵+高温冷机的方案，可以节省室外埋管的投资，简化冷却水侧的控制，但也会带来水泵型号增多，负荷侧控制调节难度加大，土壤热环境失衡的问题。笔者认为在建筑物体量不大或者在经过充分热平衡计算的前提下，选择地源热泵+高温冷机的方案会较为经济合理，但也要注意两种主机的容量匹配问题。

2）末端防结露控制。由于本工程定位为商业展览建筑，作为主要湿负荷来源的人，流动性较大，会造成湿负荷始终处于不稳定的状态，且由于要维持历史建筑的原貌，末端均为明装，结露是需要着重考虑的问题。因此，在设计中，干末端均选用带有凝水盘的风机盘管，在得热量相对较少的区域安装温度探测器，防止末端供冷表面的最低温度低于室内露点。在运行策略的制定中，优先开启溶液调湿新风机，待室内露点温度低于盘管供水温度后，再开启干末端。

3）末端、冷源的选型。根据笔者以往的经验，在缺乏样本参数的条件下，往往会参照传统末端干工况运行条件下的参数进行选型。根据文献[3]，对于温湿度独立控制的空调系统，应选用专门的干式末端以实现最佳的运行效果。在机组的选型上，也应选用高温型机组，而不是选择常规的机组在高温工况下运行。理论上提高常规机组的蒸发温度似乎可以提高机组效率，但是根据一些研究[3]，常规冷机限定冷冻水出口水温不高于12～14℃，很难用于高温出水或难以在高温出水工况下保持良好的性能，因此设计师在高温冷源的选择上也要特别注意。