從節能與舒適的角度出發 ,對上海張江某酒店式公寓空調末端採用溫溼度獨立控制系統 ,即吊頂輻射供冷供熱系統加獨立新風系統。 採用高效熱泵式溶液調溼機組處理新風 ,地源熱泵機組供冷 、供熱 、供生活熱水 。 詳細介紹了整個空調系統及自控系統 ,並分析了吊頂防結露 、廚房風量平衡等設計難點及其解決措施 。 樹上鳥教育暖通設計在線教學杜老師。
工程概況
本工程 (見圖 1) 位於上海某高科技產業園內 ,景觀與環境優良 ,為園區內高科技公司高管層商務居住的高檔酒店式公寓。 其總建築面積 24 138m2,地下 1 層為設備用房 ,裙房 1 層 、2 層為商場和會所 ,其上有 2 座主樓 ,其中 92A # 樓 10 層、建築高度 33 m ,92B # 樓 25 層 、建築高度 80 m 。
為體現高科技產業園的科技內涵 ,響應國家節能減排的號召 ,業主從一開始就要求把本項目設計成節能建築、精品建築、綠色建築 ,這給建築節能提出了很高的要求 :一方面要提高建築本身的節能特性 ,另一方面要在建築設備上採取相應的節能措施 ,特別是暖通空調系統 。
設計思路
綠色建築首先是節能建築 ,要節能首先要分析哪裡費能 。
首先從空調區夏季得熱量與冬季耗熱量分析可知 :通過圍護結構所引起的負荷為空調總負荷的重要組成部分 ,因此建築專業從建築體形、窗牆比、圍護結構 、外遮陽等方面著手提高建築本身的節能特性 ,它是建築節能最基本 、最關鍵的方面。
如在影響建築美觀的條件下減小建築表面積 ,使 92A # 樓體形係數為 0. 3 ,92B # 樓體形係數為 0. 27 ,更趨合理 ;圍護結構採用聚苯板保溫 ,使外牆傳熱係數小於 0. 5 W/ (m2 · K) 、屋面傳熱係數小於0. 4W/ (m2 · K) ;減少東西向開窗數量 ,同時縮小所有窗戶的寬度 ,大幅度減小窗牆比 ,使之小於 0. 15 。
外窗採用雙層 Low2e 中空玻璃 ,增加保溫、密封性能 ,傳熱係數不大於 2. 00 W/ ( m2 · K) ;在窗戶外邊設置鋁合金百葉窗簾進行外遮陽。
其次作為建築的耗能大戶 ——常規對流式空調系統目前效率不高 ,主要有以下原因 :
1) 末端處理裝置效率不高。 50 %以上的顯熱來自高溫表面 ,消除顯熱只需要溫度低於 20 ℃的冷源 ,而消除餘溼需要溫度低於 12 ℃的冷源 ,除溼負荷佔空調總冷負荷比例不到 40 % ,如果統一採用低溫冷源 ,會導致效率低下。
2) 冷卻除溼難以實現好的控制。由於室內產溼量與人數呈正比 ,變化範圍小 ,而室內產熱量與氣候、室內設備有關 ,如果只用冷卻除溼 ,很難滿足熱溼負荷的變化。 3) 對流式空調系統冬季吹熱風 ,有吹風感 ,使舒適度降低 。
因此空調末端系統考慮採用溫溼度獨立控制的系統 ,即溫度控制系統由輻射吊頂承擔 ,溼度控制系統由獨立新風 (簡稱 DOAS) 承擔。 溫溼度獨立控制空調系統的優點在於 :熱溼解耦 ,控制方便 ;輻射末端具有更高的舒適性 ,輸送效率更高 ;輻射末端可使用高溫冷源 ,節能顯著。
地埋管地源熱泵系統利用地下淺層土壤能量 ,通過地埋管內的循環介質與土壤進行閉式換熱達到供冷供熱目的。 夏季通過熱泵將建築內的熱量轉移到地下 ,對建築進行降溫 ;冬季通過熱泵將土壤中的低位熱能提高品位對建築供暖。
本項目空調方案經過多次研究論證確定為 :空調主機採用地源熱泵系統 ,並且對熱泵機組進行熱回收與太陽能系統一起供應生活熱水 ;空調末端在下部公共區域採用常規的定風量一次迴風式全空氣低速空調系統和風機盤管加新風系統 ,在上部公寓採用獨立新風加吊頂輻射的空調系統 。
吊頂輻射已被美國能源部列為 21 世紀 15 項最節能、最有前途的空調技術之一 ,其突出的優點是更加舒適、節能 、安靜 。 獨立新風空調系統 (DOAS) 除了承擔新風負荷外 ,還承擔室內全部潛熱 ,室內的顯熱負荷由輻射吊頂承擔。 新風機組選用熱泵式溶液調溼機組 ,實現對空氣溼度的調節。
空調負荷與冷熱源
（1）空調負荷計算
獨立新風加吊頂輻射空調系統的負荷計算與傳統空調系統負荷計算在內容上略有區別 ,需分別計算新風負荷、室內空調的顯熱負荷和溼負荷。 92B # 樓公寓標準層夏季總冷負荷 (全熱) 29 218 W ,其中新風負荷 15 408 W ,室內顯熱負荷 9 515 W ,溼負荷 6 285 g/ h 。
由於空調主機擬採用地源熱泵機組 ,按照《地源熱泵系統工程技術規範》 ( GB 50366 —2005) 的規定 ,需進行全年負荷的逐時動態模擬。 筆者採用DeST 軟體對該酒店式公寓進行了全年 8 760 h 的逐時負荷計算 ,得到整個建築的總冷 、熱負荷分別為 1 271 kW 和 818 kW。
（2）冷熱源
通過對各功能區冷、熱負荷的分析 ,並與給排水專業溝通後 ,最終確定採用地源熱泵機組進行供冷、供熱、供應生活熱水 。
本工程共設置 4 臺帶部分熱回收裝置的地源熱泵機組 ,為滿足不同空調末端的需要 ,其中 2 臺機組供主樓輻射空調 (製冷/ 制熱量分別為 225 kW/ 264. 7 kW ,製冷/ 制熱用電量分別為 42 kW/ 48. 2 kW ,機組的冷水供、回水溫度分別為 15 ℃/ 20 ℃ ,熱水供、回水溫度分別為 33℃/ 28 ℃) ,
2 臺機組供裙房常規空調 (製冷/ 制熱量分別為 251 kW/ 261. 8 kW ,製冷/ 制熱用電量分別為57 kW/ 65 kW ,機組的冷水供、回水溫度分別為 7℃/ 12 ℃,熱水供、回水溫度分別為 45 ℃/ 40 ℃) 。
本工程周邊綠化地帶面積較大 ,為地源熱泵系統提供了充足的埋管面積 ,故在綠化地帶打孔布置豎直地埋管換熱器與土壤進行換熱 ,夏季放熱、冬季吸熱 。 通過計算確定採用單 U 形管 200 根 ,埋管深度為 100 m ,鑽孔直徑為 130 mm ,孔間距 5m ,地埋管水平連接採用非集管式 ,它是將單口能源井管道單獨匯總至檢查井集分水器 ,水平管採用同程敷設 。
其優點是管道連接處少、施工難度小 ,檢修方便 ,在單個能源井出現洩漏的情況下 ,關閉該迴路即可 ,不影響其他迴路正常使用 。 圖 2 為該地源熱泵系統地埋管示意圖。
由於輻射末端可使用高溫冷源 ,考慮儘可能使用地源水或冷卻塔作為過渡季節吊頂輻射系統的冷源,特設 1 臺板式換熱器與地源熱泵機組並聯。
空調系統
（1）空調水系統
本工程共有 4 套水系統 :地源側水系統、常規空調水系統、吊頂輻射水系統 、生活熱水水系統。其中常規空調水系統採用一次泵 、兩管制、閉式機械循環 ,冷水供 、回水溫度分別為 7 ℃/ 12 ℃ ,熱水供、回水溫度分別為 45 ℃/ 40 ℃ ,同時設一個定壓裝置。
吊頂輻射水系統採用一次泵、兩管制 、閉式機械循環 ,冷水供、回水溫度分別為 18 ℃/ 20 ℃ ,熱水供、回水溫度分別為 30 ℃/ 28 ℃ ,同時設一個定壓裝置 。 地源側水系統採用一次泵、閉式機械循環。 生活熱水系統由給排水專業設計。
（2）空調末端系統
本工程公共區域的商鋪 、酒吧、遊泳池等大空間採用定風量一次迴風式全空氣低速空調系統 ,氣流組織為上送上回 ;公共區域的辦公室採用風機盤管加新風系統 ,便於室溫獨立控制 ,氣流組織為上送上回。
本工程上部公寓採用獨立新風加吊頂輻射空調系統。 新風機組選用熱泵式溶液調溼機組 ,它是一種利用具有調溼特性的鹽溶液為工作介質的空氣處理設備 ,通過鹽溶液向空氣吸收或釋放水分 ,實現對空氣溼度的調節 ,其夏季與冬季的運行模式見圖 3 ,4 。
該機組具有冷卻 、除溼、加熱 、加溼、淨化等多種功能 ,與常規製冷除溼相比 ,不僅能降低除溼能耗 ,而且消除了潮溼表面 ,從而杜絕了黴菌滋生 ,提高了室內空氣品質。 新風由設於屋頂新風機房的新風機組通過若干豎管向下送至各套住宅。
為保證進入各套住宅的新風量恆定 ,每套住宅的連接支管上均設置一個定風量調節閥 ,各房間的新風支管均為 80 mm ×50 mm 的 ABS 不燃風管 ,沿地面敷設 ,採用地板送風方式 ,新風口安裝於室內外窗和外牆下 ,出口風速小於 0. 3 m/ s ,這樣可以形成架空的絕熱層 ,使得樓板輻射傳熱方向向下 ,並儘量形成置換通風模式 ,提高通風換氣效率 ,改善室內空氣品質。
吊頂輻射供冷與供暖系統由預埋於鋼筋混凝土樓板內的盤管組成 ,盤管為聚丁烯管 ( PB) ,規格為 D20 mm ×2. 0 mm 。 原則上盤管離牆 250 mm ,管間距為 120 ,150 ,200 mm 三種規格 ,取決於各房間負荷的大小 ,每一迴路盤管 (中間無接頭) 直接與設於各單元管井內的分集水器連接 ,並設有流量計與流量調節機構 (與分集水器一體化) ,室內頂部嚴禁吊頂或隨意打孔。 圖 5 為 92B # 樓標準層輻射盤管平面圖 ,圖 6 為 92B # 樓標準層送排風平面圖。
自動控制
（1）本工程設有樓宇自動控制系統 (BAS) ,除風機盤管外 ,其他所有冷熱源設備、通風設備 、空調設備等均納入 BAS 系統進行合理的監測 、控制與管理。
（2）公寓套房內安裝溫溼度 (露點) 控制器 ,嚴格監控室內溼度在設計的範圍內 ,防止頂棚結露。
（3）由於樓板的蓄熱作用 ,吊頂輻射供冷是一個「慢反應」系統 ,其調節反應速度具有一定的延遲性 ,因此在系統設計與控制等多方面與傳統空調系統 、毛細管輻射系統相比 ,理念上存在明顯的不同 。
本工程採用帶室溫反饋的室外溫度控制方式 (前饋2反饋控制) ,這種方式對於內部條件和外部氣象條件變化引起的擾動較為敏感 。 由於樓板供冷系統熱惰性較大 ,對於室內負荷變化調節反應不如其他供冷方式靈敏,且不容易通過控制方式的選擇來解決 ,可以用熱惰性小的新風系統供冷作為吊頂輻射供冷系統的補充 ,具有較好的控制效果 。
（4）樓板輻射供冷系統入戶前的供水管上安裝熱量表 ,進行分戶熱計量 。
設計難點與解決措施
（1）地源熱泵系統的運行可靠性
從地源熱泵系統的使用特點可以看出 ,如果熱平衡受到破壞 ,將使土壤溫度發生改變 (升高或者降低) ,會嚴重影響到若干年後的可靠使用 ,因此地源熱泵系統的熱平衡是能否成功的關鍵因素。
雖然本工程冷、熱量的需求在數值上存在差距 ,但通過熱回收裝置的使用可以平衡 ,為了使系統安全運行 ,特設置 1 臺小型閉式冷卻塔 ,保證長時間運行時的土壤熱平衡 。
（2）防結露
上海位於長江下遊 ,屬於夏熱冬冷地區 ,全年相對溼度普遍較高 ,夏季平均相對溼度在 80 %以上 ,空氣含溼量在 20 g/ kg 以上 ,輻射吊頂夏季供冷時的結露問題是其應用中首要的問題 。
避免結露就要求冷卻頂板的表面溫度必須保持在室內空氣的露點溫度之上。 這可以通過兩個途徑達到 :其一是提高冷卻頂板進水溫度 ,使其高於室內空氣露點溫度 1 ℃以上。
本工程室內空氣設計參數為 :室內溫度 tn = 26 ℃ ,相對溼度φn = 55 % ,比焓 hn = 56kJ / kg ,露點溫度約 16 ℃ ,因此設定夏季輻射供、回水溫度為 18 ℃/ 20 ℃ ,並且在室內安裝空氣露點傳感器以控制頂板進水溫度不低於室內空氣露點溫度。 其二是降低室內空氣露點溫度。
夏季應先啟動新風系統進行除溼 ,當室內空氣的相對溼度接近或達到設計值後再開啟吊頂輻射供冷系統 ,可很好地避免冷吊頂結露問題。 此外 ,還要很好地控制建築內壓和滲透率 ,對建築做好密封 ,儘可能少開門、不開窗 ,防止室外空氣滲入室內。
（3）廚房風量平衡
本工程為酒店式公寓 ,在每套公寓內均設有中式廚房 ,其最大特點是排油煙機風量大 ,一般風量為 400～800 m3 / h ,遠大於房間的新風量 ,當排油煙機開啟後 ,室內新風全部被抽走 ,並吸入大量室外潮溼空氣 (外門、外窗不密封) ,或者從排風管道中倒抽其他房間內的新風 (外門、外窗密封) 。
為解決這個難點 ,在廚房外牆上增設一臺補氣扇 ,並與排油煙機聯鎖 ,使之平衡廚房的進排風量而不影響房間的空氣平衡 ,從而保證室內熱溼環境。
結語
地源熱泵系統屬於利用可再生能源的系統 ,地源熱泵機組夏季供冷並免費製取生活熱水減少了對土壤的放熱 ,有利於夏熱冬冷地區土壤的全年熱平衡 。
輻射供冷空調系統則是近幾年逐漸在國內開始應用的一種較新的空調方式 。 其節能特點主要體現在 :
1) 在滿足同等舒適度情況下可以將室內設計溫度提高 ,減少冷源設備安裝容量 ;
2) 可利用高溫冷源 ,提高冷源設備運行效率 ,並實現免費供冷 ;
3) 輸送能耗小 ;
4) 利用了樓板的蓄熱特點。由於吊頂輻射供冷的能力有限 ,應在滿足使用要求的前提下將外圍護結構的得熱降低到最小 ,這是一個關鍵的因素。 值得一提的是要做好窗戶的外遮陽。
選用熱泵式溶液調溼機組進行新風處理是本設計的一個大膽嘗試 ,筆者認為其原理是節能、先進的 ,應在實際運行中收集數據與經驗 ,使產品更加完善 。 #暖通設計視頻#
超高層空調水系統設計要點分析