空调系统在绿色住宅节能应用方面的优化设计

崔 超 魏义平 陆兰馨 谷志旺

上海建工四建集团有限公司 上海 201103

随着社会城市化水平和人民生活水平的提高，人们越来越趋向于集中居住在大型小区。统计数据显示，住宅生活的能量消耗中，采暖空调的能量消耗占总消耗的65%，生活热水、电气照明等只分别占15%和14%。这是因为通过围护结构散失的能量和采暖供热系统的能量消耗在整个建筑能耗中占比大；同时严重的雾霾天气和装修造成的室内空气污染使人们对室内空气品质也异常关心。这些因素加强了人们对于住宅小区的节能型和舒适性的需求[1-4]。本文通过介绍南京某小区对冷热源和末端空调形式的选择，计算小区整体运行费用，提出了在绿色住宅中空调系统的优化设计。

1 地源热泵空调系统

1.1 工作原理

地源热泵是一种利用地下浅层地热资源，既可以制冷又可以供热的高效节能系统。这种空调系统是将换热器置于地下，以水为热量载体，水在地埋管与热泵机组之间循环流动，实现机组与土壤之间的热量交换。

其工作原理为依靠消耗较少的电能驱动热泵机组，通过四通换向阀的切换，实现不同的能量需求。夏季将房间内的热量转移到地下，对房间进行降温，同时储存热量，以备冬用；冬季则是将土壤的热量转移到房间，对房间进行供热。大地提供了一个良好的免费能量储存源泉，这样就实现了能量的季节转换。但是，为了保持全年在土壤中储存或吸取的热量平衡，有时需要设置冷却塔或锅炉作为补充的冷却源或辅助热源。

1.2 系统优势

地下土壤温度全年基本保持在15.5～16.5 ℃之间，所以地源热泵空调系统不像风冷热泵那样容易受到环境温度影响，可以全年保持较高的系统能效比；同时土壤的蓄热能力远高于空气，不易由于空调系统排放的废热而造成住宅小区的“热岛效应”。

地源热泵供冷时热量存于地下，供暖所需能量大部分来源于地能，有25%左右来源于电力输入，相对于传统的冷水机组加锅炉的形式，既减少了一次性矿石能源消耗造成的污染，又能减少大型冷却塔和锅炉房的占地面积，保证了住宅小区土地的高利用率。

地源热泵空调系统只是利用土壤进行热转换，不需要像地下水源热泵那样通过抽取地下水与空调循环系统进行换热，并回灌到地下水层，因而对环境没有污染；同时空调系统适用性更强，不受水资源丰富性程度的限制。

2 末端形式

2.1 舒适性优化

一般情况下，人体产生的全部热量有30%通过对流散热，45%通过辐射散热，25%通过蒸发散热。传统普通分体式家用空调或室内机通常采用顶送风或侧送风的对流制冷形式，而气体运动速度是影响人体舒适性的一个重要因素。当气流速度变大时，可以加强人体的对流、蒸发换热，有利于人体热平衡，但气流速度过大会使人产生吹冷风的感觉，长期处于通风气流下，甚至会患病；非变频家用空调通常采用启停控制，而温度传感器一般设置在靠蒸发器盘管的位置，这样容易造成室内温度场分布不均匀的情况，即虽然温度传感器检测房间温度已达到要求而使空调停止制冷，但房间内部分角落区域的空气可能并未经过充分的对流热交换。

运用天棚辐射+置换新风冷暖系统，将耐热阻氧聚乙烯管构成的盘管预埋在钢筋混凝土楼板内，通过冷热媒水将顶板变成一块均匀的辐射面，与人体进行热交换。这种辐射换热方式非常契合人体的主要散热方式，提高了热舒适性。同时辐射吊顶的制冷能力随辐射板冷媒水温与室内空气温度之间差值的增加而增加，当室外温度升高时，室内空气温度也随之升高，此时辐射吊顶的工作温差变大，辐射吊顶的制冷量也自动增大，可以使房间温度维持在比较稳定的范围内。

屋顶设置新风处理机组，设回风段、初中效过滤段、变冷加湿段、送风段、消声段等，新风经过处理后统一送入各住户内，其空气处理质量明显高于一般家用新风处理机。送至户内的新风以较低的风速（0.2～0.3 m/s）和小温差经置换风口送入人员活动区。在送风气流及室内热源形成的对流气流共同作用下，携带污染物和热量从顶部排（回）风口排出，形成了自地板至吊顶的全面空气流动；同时上部区的空气不会再循环进入下部区，保证了室内空气质量。

2.2 节能型优化

天棚辐射+置换新风冷暖系统在节能方面主要考虑以下3点：

1）有关实验表明，在冷辐射作用下，人在房间内所感受到的温度比实际温度低于2～3 K。这意味着在人的舒适感相同的情况下，使用冷辐射的房间，设计空气温度可以比常规系统的房间高2～3 K。从理论上讲，这可以节能20%～30%。

2）室内污浊的空气通过管井统一排至屋顶新风机组内，通过与室外空气进行热交换，回收部分能量。

3）在一年的某些季节，制冷机组可以不运行，而利用冷却塔进行自然冷却来直接供冷。根据冷却塔的冷却特性可知，冷却塔进出水温差在5 K的前提下，当室外空气温度为10 ℃时，冷却塔的出水温度就已经低到14 ℃。

3 经济性分析

南京某小区工程位于南京市河西区域，住宅楼最高29层，项目总建筑面积约为274 664 m2。总冷负荷8 688.2 kW，总热负荷5 635.9 kW，采用地源热泵空调系统制冷、供热并提供生活热水，空调末端采用内天棚辐射吊顶+置换通风。

3.1 初投资

本项目地源热泵系统工程的综合单价约为520元/m2，主要包括热泵机组设备、安装费，相对于常规系统增加了钻孔、地埋管管线、天棚盘管、新风管道及风机、自控控制部分等。

3.2 运行费用分析

本案例的电费按照0.5483元/（kW·h）计算，平均负荷率按0.7。通过采集空调系统运行数据，可以计算出地源热泵空调系统在2018年9月—2019年1月这5个月期间的总运行费用为2 695 000元，采用户式中央空调系统的总运行费用为3 278 000元（表1）。

表1 运行电量统计

从运行费用分析（表2）中可以看到，在5个月空调整体需求不高的情况下，地源热泵空调系统在保持24 h不间断运行且提供新风的工况下，仍然比分体空调系统运行费用更低。在制冷和供暖需求旺盛的情况下，其费用差距会更加明显，地源热泵系统的热水费用更是比电热水器节省了75%。

表2 运行费用分析

3.3 其他

由于避免了业主采用分体式空调，故建筑外立面没有因预留墙洞而遭到破坏，同时室外机的废热和噪声问题也得以解决，大量室外机外挂形成的安全隐患也得以消除。

北方集中供暖系统的常年运行使区域供冷暖管理系统日臻成熟，辅以现代化的数据采集和监控系统，物业管理部门可以对小区统一管理，及时发现并解决问题，同时在管理过程中能够与小业主充分交流，从而使管理互动性更强且更有效。

小区屋顶增设了新风空调箱，室外新风经降温（加热）、除湿（加湿）、过滤等处理后，统一送至各住户房间，较采用分体式空调形式，住户房间空气质量有了明显改善和保证。天棚辐射盘管敷设在混凝土楼板中，新风管置于房间架空地板处，整体占用层高为0.075 m，对房间空间占用小，对建筑立面和室内家具布置等没有影响。

4 结语

本文通过对地源热泵系统原理的和天棚辐射末端形式的介绍，提出了住宅的空调系统在节能应用方面的优化设计，它不仅能够满足人们对于住宅内部安全、舒适、健康的环境要求，同时在节能方面也贡献颇多，既响应了国家关于绿色节能的政策号召，又拥有可观的投入回报比。相信在不久的将来，绿色低碳住宅的理念会得到越来越多的人的响应，绿色节能技术也会逐步得到推广和应用。