“双碳”目标下住宅小区的暖通设计研究

曲疆

(河北拓朴建筑设计有限公司山西分公司，山西 太原 030000)

建筑行业在经济飞速发展背景下，迎来新的发展机遇。但同时，建筑行业发展，面临着一系列挑战，例如，在暖通设计方面往往存在能源消耗大、工作效率低、系统设计不合理等问题。无法达到碳达峰、碳中和要求。为提升能源利用效率，合理、科学设计暖通系统，有助于降低暖通碳排放量。

1 工程概况

以某住宅小区为例，该工程总占地面积为43 629.2m2，总建筑面积为162 468.25m2。建筑总层数在17～26层，建筑高度在49.8～71.3m之间。通过前期的市场调研以及专家小组讨论，该工程采用的是辐射空调系统，其特点在于温湿度相对独立。空调冷热源为地源热泵机，末端为毛细管辐射系统。

2 暖通冷热源设计

2.1 冷源

由于该小区属于住宅小区，对空调的工作要求为能够24h全天使用，新风和生活热水也需要不间断供应，所以能源的消耗较大。为满足“双碳”发展要求，提高建筑的节能性，空调冷源和热源的控制使用的是热回收型高温地源热泵机组。热回收型高温地源热泵机组依据该小区的冬季的实际需求进行热量的选取，夏季冷源不充足的位置则要求配备常规的高温型冷水机组。如果热回收型高温地源热泵机组储热水箱出现未超过40℃的情况，应采用热回收型高温热地源热泵机组。其余热回收系统要及时开启，确保空调在制冷的过程中能够为生活的热水预热。

一旦储热水箱中的水位超过指定范围达到最高水位，则要即刻停止热回收功能，随着空调冷负荷的增大，要重视冷水机组的开启工作。常规型高温冷水机组热回收地源热泵机组一般无法开启热回收功能，此时要利用冷水机组完成相关工作。在负荷不断增大的过程中，应保证地源热泵开启顺序，防止土壤因热量过多而发生失衡问题。与此同时，为降低热回收机组启停频率过快，尽量降低储热水箱容积，热回收循环水泵流量高于20L/min，水温保持在40℃。当热水箱中温度较低时，要立即启动地源热泵机组的回收功能。在初始状态下的储热水箱水温要低于12℃，满足上述条件后，最后启动热回收机组热回收功能[1]。

2.2 热源

该住宅小区的地源热泵机组向空调提供热源，由于该小区对供热有着较高的要求，所以，为避免地埋管换热器因需要长期工作而造成换热率不高，施工建筑人员在暖通设计方面加入了燃气锅炉，并将其作为生活热水辅助热源，增加燃气锅炉供热量。生活用水一般来源于地源热泵机组和热水锅炉加热两个方面。夏季、秋季的自来水在地源热泵机组热回收端的温度一般要控制在40～45℃之间，将自来水存储在蓄热水箱中，在板式换热器的作用下将温度提高到65℃。该小区的冬季生活热水量都由燃气锅炉承担，储热水箱和恒温水箱温度保持在65℃左右。两个水箱为居民的日常生活提供充足的热水量。空调冷热源原理如图1所示。

图1 空调冷热源原理

地源热泵主要是向空调热负荷以及生活余热水提供热量。如果地源热泵机组热效率不高，应保证热水锅炉能完成基本的生活用水供给。

3 室外供热

3.1 热源供暖规模

该小区不仅是住宅小区，而且小区规模较大，因此，低温地板辐射采暖系统的应用尤为必要，散热器的采暖系统供热规模往往较大。该小区的换热站系统设计过程中，不仅要满足小区的供热要求，还要满足后续的管理和室外景观要求。所以，可以在负荷中心的位置设置热交换站，供热管线以同程式分布为主，符合水力平衡的要求。但在实际的应用过程中，异程式系统的水力稳定性更高。因此，室外供热系统管网采用异程式设计，针对环路远近差异性较大的问题，则通过适当增加末端管径的方式予以解决。

3.2 平衡阀设置

对于平衡阀的设计，由于室外供热网管的复杂性较强，因此主要在供热系统内部设置静态平衡阀，有效解决水力失衡问题。静态平衡阀旨在改善环路剩余压头，避免水流量过高。水系统设计重点为计算管网支路水力平衡，根据所得数据进行平衡阀的选择。动态平衡阀的设置则要依据室外管网水力平衡、建筑物内供暖系统所使用的调节方法来决定。热网系统的动态性、灵活性对阀门的调节对阀门调节的要求较高，所以在设计过程中，应保持管路设计的均匀性，最大程度降低管网压降，保证系统压降在一定范围内，提升管网水力可靠性。但在实际的设计过程中，一些设计人员对系统比摩阻认识存在误区，导致供暖系统比摩阻较小的系统，该种方式对系统的运行具有一定的局限性。管路的比摩组一般要根据主干线各管段比摩组予以确定，分支管路的比摩组则应依据分支管段起终点压力降决定。在设计的过程中，末端设备阻力较大的情况下，系统发生失衡的概率较小，风机盘管系统和低温地板辐射采暖的阻力损失也较小[2]。

4 新风系统设计

4.1 风量选择

新风系统是暖通设计的重要组成部分，该工程中新风系统以置换式通风系统为主，即由下向上排出新风。该种方式能够极大满足“双碳”发展要求，在新风机组的选择上，以预冷型热回收溶液调湿机组为主。夏季送入到室内的新风干球温度通常在16～20℃的范围内，湿度则保持在60%。为避免小区房屋室内出现房间结露问题，设计人员在设计阶段就应考虑室外热湿空气对空调房间的影响，减少室外热湿空气进入空调的可能性，确保空调中的密闭效果。为实现上述目标，新风量通常应做好新风量需求和除湿新风量值。室外设计参数如表1所示。

表1 室外设计参数

4.2 新风控制

对于新风控制系统来说，主要采用的是分段式送风，在此过程中保证气流是从下向上排送。在该工程中，新风机设置在了屋顶。室外新风在完成机组冷却和除湿后，将立即送入新风竖井内，保证新风输送的有效性。室内新风支管设置在竖井周围，经过集管后送入到房间。在此过程中，只需要在厨房、卫生间设置排风口。房间排风口设置于房顶，通过起居室统一输送到排风竖井内排向室外。新风系统如图2所示。该工程新风机组运用了预冷式热泵型溶液调湿机组。受到季节因素的影响，溶液调湿型风机也将发生一定的改变。对于新风控制系统来说，由于夏季温度过高且容易出现暴雨等天气，因此，新风机组的预冷除湿功能应长期处于开启状态。低温低湿空气进入房间后的送风干球温度控制在16～20℃范围内，相对湿度保持在60%。在气象条件不稳定，当气候较为极端时，送风温度一般在12～15℃左右。在秋季，地热源泵机无需开启，而冬季则需要开启预热、加湿功能，此时的压缩机无需启动。

图2 新风系统运行图

5 毛细管辐射设计

在毛细管辐射设计方面，该工程采用的是共用立管分户独立循环双管系统，并将其放置在竖井中。为最大程度降低工程建设成本，毛细管安装在结构板楼下，完成毛细管安装后应及时抹灰，保证安装效果。供回水管包括自分水器、集水器两种，建筑房屋内以并联为主。屋内不同房间要安装带有露点保护温度控制器，在分集水器的支路上安装相应的电动阀通断，满足房间对湿度、温度的要求[3]。

6 暖通技术应用

6.1 能耗传输技术

传统的暖通空调设计能源损耗较大，尤其在传输过程中更是进一步增加了能源的消耗量。而在“双碳”发展背景下，对能源消耗量有着严格的要求。所以，为保证“双碳”背景下暖通空调设计的科学性、合理性，需要不断提升能源的转化效率，降低能源的损耗率。该工程中，暖通空调的设计人员在设计时一方面从暖通空调运转流速、风机以及水泵等方面开展了优化、完善工作，保障暖通空调的实际参数信息保持在合理的范围内，最大程度降低暖通空调在实际运行中产生大量的能源排放。另一方面，暖通空调的设计人员选择了具有高传输率、低耗能的介质，减少能源传输过程中损耗量，提升能源的利用效率。对于暖通空调来说，低碳清洁技术能够有效优化能源的传输效率。运用现代化的智能化信息技术，实现建筑室内的空气流量、温室气体排放以及温湿度的动态、全过程监测，空调在使用过程中出现能源消耗量高于警戒线，暖通空调可达到自动切断传输开关的效果。

6.2 内部水循环技术

暖通空调在运行中，内部水资源再循环过程中将产生大量的热量，该住宅小区对空调的使用时间有着较高的要求，因此暖通空调的使用效率将影响小区居民的使用需求。因此，暖通空调设计阶段就应重视水资源循环系统管道的科学、合理连接，从而在水资源循环路径、水压以及温度方面实现低碳、环保的目的，满足“双碳”要求。水质过硬将对水循环效率也具有一定的不良影响，其原因在于硬水的长时间堆积，将在管道中形成大量水垢，管道极易出现堵塞现象，对水流的正常通过产生消极作用。为避免上述问题的出现，设计人员可以从管道设计入手，逐步提升内部循环技术的应用频率，以优化管道连接的方式使得水资源内部循环能够流畅运行，水资源的热能传递的效果得到保障。该工程中，水资源正式循环前对水质情况予以全面、系统化检测，最大程度确保水资源的硬度符合循环要求，防止管内水垢堆积严重[4]。

6.3 太阳能节能技术

近年来，随着清洁、环保能源的开发，人们逐渐认识到太阳能节能技术作为环保型能源的积极作用。将其应用到住宅暖通空调设计中，能够实现能源的高效利用。与此同时，由于太阳能的供暖结构相对简单，主要是由集热器、循环控制系统组成，因此能够达到热量全面系统收集的效果，通过转化自然界能量的方式，实现“双碳”发展目标。在此过程中，该工程的设计人员借助了循环和地板采暖系统，在短时间内实现热水的循环流动，达到调节室温的目的。由于环境保护与暖通空调存在一定的矛盾性，为保证暖通空调在运行过程中符合“双碳”目标要求，应重视绿色、环保技术的应用，最大限度满足人们生活需求，实现环境保护、资源节约的发展目标。为我国建筑行业的可持续发展奠定坚实基础。除此之外，气候条件具有一定的复杂性，雨雪天气下，太阳能技术的实际应用能力不断降低，但暖通控制系统的有效应用可对能源实现自动切换。所以，冬季或夏季都能对建筑室内的温度进行随意调节，满足居民对暖通空调的需求。一直以来，太阳能技术的最大优势还在于成本投入低，对生态环境保护起到积极作用的同时，实现企业经济效益的最大化[5]。

7 结语

在“双碳”背景下实现暖通空调的有效设计，不仅能够提升居民的生活质量，还有助于实现节能、环保的发展要求。在此过程中，要注重地热源泵系统、新风系统以及毛细管辐射系统的有效应用，从不同的角度优化和完善暖通空调设计方案。在提升企业经济效益、社会效益的基础上，符合“双碳”目标下对清洁能源、可再生能源的应用要求。所以，住宅小区的暖通设计，一方面要保证系统的安全性、可靠性，另一方面还需要注重系统能够长期、稳定运行，为改善居民的生活质量提供支持。