某住宅小区温湿度独立控制空调系统设计

何青青 杨晓舒 尹 龙 寇红晓

(中国建筑上海设计研究院有限公司,上海)

0 引言

近几年,随着社会经济发展,一方面,人们对生活居住环境的要求越来越高,具有恒温、恒湿、恒氧、恒洁、恒静特点的五恒住宅可以满足人们对美好居住环境的需求;另一方面,如何作好五恒住宅空调系统节能减排,降低全寿命周期碳排放,又成为一大挑战。五恒住宅采用毛细管辐射+新风除湿空调系统[1],毛细管冷热源通常采用地源热泵,该系统效率高且低碳环保,而新风处理需要高品位冷源,因此,如何提高新风处理效率、减少新风处理能耗,做到系统经济合理、节能高效、低碳环保,成为该空调系统的关键。

1 冷热源系统设计

1.1 项目概况和室内设计参数

项目位于江苏省南京市溧水区某住宅小区,总占地面积约46 158 m2,总建筑面积130 860 m2,包括10栋18层高层住宅。该项目采用温湿度独立控制空调系统,其室内设计参数见表1。

表1 室内设计参数[2]

1.2 空调负荷

采用HDY-SMAD负荷计算软件计算该项目空调负荷[3],空调冷负荷为5 072 kW,单位空调面积冷指标为85 W/m2;空调热负荷为3 522 kW,单位空调面积热指标为59 W/m2。

1.3 冷热源形式

冷热源采用复合式地源热泵系统:地源热泵+冷却塔电制冷机组,地埋管换热系统按照承担全部空调热负荷设计;地埋管换热系统可提供约70%的空调供冷量,其余30%冷量由冷却塔电制冷机组提供。冷却塔电制冷机组在供冷季初期、末期室外温湿度较低时有较高的效率,且供冷初期、末期优先采用冷却塔供冷有利于地温场恢复,应优先运行;供冷中期,室外温湿度均较高,冷却塔电制冷机组效率下降,应采取地源热泵优先运行策略。以上2种运行工况下机组均应在较低负荷下保持较高运行效率,综合系统运行效率及初投资,冷热源配置如下:3台单台额定制冷量为1 304 kW(单台制热量为1 299 kW)的螺杆式地源热泵机组(其中1台为变频机组)+1台额定制冷量为1 583 kW的变频磁悬浮离心式冷水机组,变频磁悬浮离心式冷水机组配套设置1台开式冷却塔。冬季空调供/回水温度为45 ℃/38 ℃,夏季空调供/回水温度为8 ℃/15 ℃。系统设计工况下的总制冷量为 5 402 kW,制热量为3 675 kW。

1.4 地埋管换热器设计

根据该地块的《地源热泵岩土热响应试验报告》,岩土初始平均温度为19.09 ℃,岩土综合导热系数为1.85 W/(m·K)。换热孔径为150 mm,有效深度为120 m,采用双U形地埋管,单口井排热量为7.20 kW,单口井取热量为5.64 kW。该工程地埋管换热器按冬季工况选型,钻孔间距为4.5 m,地埋管侧供/回水温度10 ℃/5 ℃,设计工况COP为5.119,冬季负荷为3 522 kW,土壤取热量为2 834 kW,考虑安全系数为1.2、换热管群附加修正系数为0.8,计算井数为754口,该项目设计采用760口井,其中6口作为地源温度监测井,另外布置3口作为土壤温度监测井。

地下换热系统换热器单元每口井单独1个回路,汇总为若干组一级分集水器。一级分集水器设于靠近地下室外墙的检查井内,一级分集水器汇总后接入地源热泵机房,管线穿墙处需设柔性防水套管。竖直地埋管及水平联络管采用高密聚乙稀(HDPE)管,竖直地埋管规格为De25×2.3 mm(SDR11系列,承压1.6 MPa),水平集管规格为De32×3.0 mm(SDR13.6系列,承压1.25 MPa),地埋管采用热熔连接。

1.5 地埋管换热器热平衡

为平衡释热量与取热量,需要开启冷却塔及磁悬浮机组辅助运行[4],计算及运行控制模式建议如下:根据全年能耗计算结果,得出该项目住宅部分年累计耗热量为447万kW·h,年累计耗冷量为612万kW·h。当夏季热泵机组地源侧出水温度超过32 ℃或累计放热量大于取热量时,开启冷却塔及磁悬浮机组。根据全年负荷计算,8月中旬冷负荷出现峰值,因此,建议设定6月15日至9月1日冷却塔和地埋管换热器同时运行。该运行策略下土壤年累计取热量和放热量相差不大,满足土壤热平衡要求。冷热源系统示意见图1。

图1 冷热源系统示意

2 空调水系统

2.1 空调水温及冷热源输配系统选择

空调形式为“毛细管辐射+置换新风”系统[5],毛细管承担房间显热负荷,夏季水温需高于房间露点温度,夏季毛细管供/回水温度为16 ℃/19 ℃;冬季为避免房间顶部辐射热量大而导致人员头部冷热源输配采用“集中冷热源+分户换热输配”形式,在住宅公共区设置空调水井,空调水井内设置空调水立管、换热器补水立管、户式换热模块。这种分户换热方式直接将一次侧空调水输送至末端,与传统集中换热方式相比,大大缩短了二次侧输配距离。一次侧输配距离虽然增加,但一次侧采用7 ℃温差输配,相比集中换热二次侧3 ℃温差输配,减少输送能耗,且主干管管径减小,对于地下车库净高也较为有利。因末端毛细管内径极小,易堵塞而影响使用,因此对水质要求更高,二次侧输配一般采用不锈钢管或衬塑不锈钢管,造价较高。采用分户换热,一次侧空调水使用无缝钢管输送至空调水井,减少初投资。

感受过热,冬季毛细管供/回水温度为34 ℃/30 ℃;新风采用“冷水预处理+直膨深度除湿”方案,新风经2次除湿后可达到较低露点温度来承担室内潜热负荷。综合考虑户式换热器尺寸、新风预处理、输配系统能耗及冷热源能效,夏季空调供/回水温度为8 ℃/15 ℃,冬季热水供/回水温度为45 ℃/38 ℃。

2.2 空调水系统

一次侧空调水系统为两管制闭式变流量系统,可根据供、回水的压差变化自动调节冷水循环泵流量。主干管采用水平异程形式,一次侧户式换热模块立管采用竖向同程形式,屋顶新风空调箱立管采用竖向异程形式。

二次侧水系统采用户式换热模块与一次侧水系统隔离,户式换热模块内集成热计量、气压罐、换热器、平衡调节阀、补水阀、减压阀、户用分集水器,户内毛细管水系统工作压力为0.2 MPa,板式换热器二次侧供给毛细辐射系统的水管采用2级铝合金衬塑(PE-RT)复合管,外层为无缝铝合金管。分户换热系统相比集中换热系统减小了毛细管末端的工作压力,提高了毛细管辐射末端使用寿命。空调水井大样图见图2。

2.3 水系统补水定压

一次侧及地埋管水处理、定压补水均在制冷机房。为避免水质恶化导致毛细管堵塞,二次侧补水采用软化水,在制冷机房设置集中软化水系统,并由定压补水机组加压供至户式换热模块,二次侧补水管采用衬塑钢管。为避免补水时毛细管末端压力过高,补水系统设置减压阀进行竖向分区,补水系统竖向分3个区:1～6层为低区,7～12层为中区,13～18层为高区。每层户式换热器补水支管上设置支管减压阀,确保换热器补水压力不大于0.1 MPa。二次侧系统水容量小,系统工作压力低,泄漏可能性小,因此仅考虑定期补水,供冷、供暖前由物业统一检查二次侧换热器气囊压力,压力不足时开启补水阀补水。分区定压补水原理见图3。

图3 分区定压补水原理图

3 空调风系统

3.1 新风系统及系统分区

该项目住宅均为18层,新风系统分为高、低区,1～9层为低区,10～18层为高区。排风系统不分区,所有楼层排风经屋面双冷源深度热回收新风机组回收能量后高位排放。低区新风机组不作热回收,采用双冷源深度除湿新风机组。该系统可避免把污浊排风抽到地下进行热回收后在地面排放而污染地面人员活动区环境;同时,低区新风机组采用常规机组,机组尺寸减小,所需机房面积减小,为新风机房设置在住宅下方地库内提供有利条件,可避免新风机房占用停车位。

3.2 户内置换新风系统

户内设置竖向新风、排风管井,每户卫生间设置独立排风系统,为保证户内各房间送风量,必须进行集中排风,在各房间入户门顶上设置20～25 mm过流口,户内公共区域设置集中排风口,平衡各房间风量。新风通过竖向风管与户内分风静压箱连接,为节约户内面积,户内分风静压箱设置在地面局部微降板区域内,送风支管布置在地板架空层内,户内分风静压箱支管处均设置风量调节装置。新风支管采用150 mm×50 mm矩形PE(聚乙烯)双壁波纹保温管,新风口安装于室内外窗和外墙下,出口风速不大于0.25 m/s,夏季新风送风温度为16～18 ℃,含湿量低于8 g/kg。微降板地板送风做法见图4。

图4 微降板地板送风做法(单位:mm)

3.3 新风热回收处理

采用双冷源深度热回收新风机组回收排风能量,处理过程如下[6]:室外新风经板式热回收段回收低温回风能量后进入水冷表冷段预冷,新风预冷采用一次侧供/回水温度为8 ℃/15 ℃的冷水,预冷后低温低湿新风再进入直膨表冷段进行深度除湿,深度除湿后的低温新风再经过冷凝再热段加热后被再次过滤,过滤后新风经竖向新风管道送入室内。夏季排风处理流程为:竖向排风管道将室内回风引入机组,室内低温低湿回风先经过喷淋蒸发冷却段进一步降低温度,再经过板式热回收段被新风回收显热,温度上升后再经过风冷冷凝段,回风能量被深度利用后经排风风机排出室外。新风处理过程见图5。

注:N为室内状态点;S为送风状态点;L2为直膨蒸发除湿后状态点;L1为水冷表冷除湿后状态点;W1为热回收后状态点;W为室外状态点;1为新风热回收过程,室外新风经过板式热回收段回收室内排风能量(室内排风先经喷淋蒸发冷却达到饱和状态,温度降低);2为新风冷却除湿过程,由水冷表冷段完成;3为新风深度冷却除湿过程,由热泵蒸发器冷却完成;4为新风再热过程,由热泵冷凝热回收段完成(热泵多余冷凝热由排风风冷冷凝器带走);5为新风送风过程。图5 双冷源热回收新风处理过程

该新风热回收系统通过内置风冷冷凝器深度挖掘排风能量回收潜力,提高热泵机组效率。双冷源深度热回收新风机组把风冷冷凝器内置于机组排风段,机组高度集成,便于安装维修;热泵压缩机设置在冷凝器前的排风段,低温排风有利于压缩机散热,延长压缩机使用寿命。双冷源深度热回收新风机组利用低温排风气流带走冷凝热,排风温度恒定且不受室外温度影响,内置热泵冷凝温度降低,热泵COP提高15%。新风处理状态点参数和设计工况典型户型空调箱除湿量校核见表2、3。双冷源深度热回收新风机组原理见图6。

表2 双冷源热回收新风处理状态点参数

表3 设计工况典型户型空调箱除湿量校核

3.4 户内风量平衡及气流组织

新风主要承担湿负荷及部分显热负荷,新风量按照0.8 h-1换气次数计算取值,并按40 m3/(人·h)校核[7]。户内维持微正压,减少室外空气渗透,排风量为新风量的80%;户内新风管接分风箱处设置定风量阀以保证每户的新风供应,排风管上设置调节阀,平衡房间排风量。为避免厨房排油烟风机开启破坏房间微正压环境,厨房外窗上均设置电动窗式通风器,并与排油烟风机联动启闭,厨房排油烟时形成局部自平衡排风系统。

户内置换通风[8]:新风从靠近外窗地面低速送出,流经人员活动区,经房间门顶部过流口至公共区域排风口排出,公共区域排风口设置在餐厅附近,及时排走食物散湿;为避免卫生间湿空气渗透至周边区域,卫生间均设置排风。户内排风以公共区域集中排风为主、卫生间分散排风为辅,每个卫生间排风量为50 m3/h,集中排风量为80%新风量扣除卫生间风量。

4 空调末端系统

户内采用顶面毛细管预制板辐射空调系统[9],夏季供冷、冬季供热,控制室内温度,毛细管预制板敷设于室内顶面,毛细管预制板由隔热层、传导层、毛细管席及管路和面层一体成型,工厂加工为成品,敷设方式为吊顶敷设。户内毛细管席环路按照房间布置,每个房间均设置独立环路,客餐厅面积较大,可布置2个环路;卫生间、厨房不设置毛细管辐射板,避免湿度过大造成结露。毛细管预制板内毛细管席材质为PP-R(聚丙烯)管,主管尺寸为De20×2.0 mm,毛细管规格为De4.3×0.8 mm,间距20 mm,在设计供回水温度及室内温度下,辐射板供冷量不低于75 W/m2,供热量不低于120 W/m2,毛细管能够在水温≤40 ℃、压力0.6 MPa时稳定运行,连接方式为同侧热熔连接。

为防止首层冬季室内温度达不到设计要求,在首层设置地板辐射供暖系统[10],冬季辅助毛细管网系统供暖,地板辐射供暖系统单独用1套分集水器,地板辐射供暖水管接自户式换热器内二次侧主管,引出管上设置关断阀,仅供冬季供暖使用。因夏季1层门厅人员出入频繁,室外空气渗透量大,为避免临近墙壁结露,1层大堂设置风机盘管,空调水管接自空调水井立管,大堂风机盘管在供冷季和供暖季均开启。

5 防结露及户式换热模块水温控制

5.1 防结露控制

房间温湿度采用分室控制,每个空调房间(不包括厨房、卫生间)设置温度控制器,通过该温控器控制分集水器支路上安装的电动两通阀的通断,以实现该房间的温度控制[11];防结露采用主动控制策略,在靠近外围护结构辐射面上设置防结露温度传感器,当户内控制器监测到辐射面温度接近室内设定露点温度时,系统及时关断该辐射末端环路上的阀门,对辐射系统结露进行主动控制,控制原理见图7。空调房间湿度控制:供冷季,将室外高温潮湿的新风经过新风除湿机组处理后送入空调房间内;供暖季,将室外低温干燥的新风经过新风除湿机组处理后送入空调房间内。

图7 防结露及户式换热模块控制原理图

5.2 换热模块水温控制

换热模块一次侧回水管上设置电动调节阀(见图7),根据户内供水温度调节阀门开度,确保户内供水温度不低于16 ℃;同时,户内有多个房间均发出结露报警时,关断一次侧供水管上的电动阀,关闭二次侧循环泵,待辐射面温度升高、结露报警解除后再重新启动二次侧循环泵。

6 结束语

空调系统采用集中冷热源、分户换热输配系统,节省了管网投资,降低了输送能耗;用户侧定压补水采用竖向分区减压补水,控制用户侧毛细管系统工作压力,提高毛细管辐射末端可靠性及使用寿命;置换新风采用局部微降板埋地处理,节省户内空间;新风系统竖向分区,减小户内风井面积,增加使用面积,由双冷源深度热回收新风机组集中回收排风能量,优化机组配置,避免热泵室外冷凝器接管,热泵回收低温排风能量,提高内置热泵效率;优化地下室新风机组功能段配置,减小机组尺寸,节省安装空间。