浅谈温湿度独立控制系统在西安某高层住宅项目的应用

康 炜

（成都基准方中建筑设计有限公司西安分公司，陕西 西安 710054）

目前人们的生活水平越来越高，对居住环境的要求也越来越高，因此为了得到更舒适的高品质的室内空气，结合绿色建筑、低能耗的空调系统，进而推出了“科技住宅的”的概念，并在全国多个项目中得到了运用。

该项目为西安某高层住宅，总用地面积约4.2 万m2，由9栋高层住宅楼及1栋商业楼组成，住宅为25～31层不等，科技商业为16层，总建筑面积约11.08 万m2，整个小区容积率为3.1。住宅及城市商业空调系统采用毛细管网辐射加集中新风的温湿度独立控制空调系统。

夏季冷源采用地源热泵与螺杆机，冬季热源采用地源热泵加锅炉的复合系统，打造恒温的住宅高品质环境，将舒适健康的环境与绿色节能相结合，力求建造低碳可持续的建筑。该空调系统的设计为取得英国BREEM 绿色认证做出了重要贡献。

1 负荷计算

该项目通过DeST软件对每栋住宅建立模型，根据住宅建筑的特点，内扰因素主要是人员、灯光和设备的使用，设定各种内扰参数进行模拟。

根据该项目的全年的负荷模拟计算，最终确定冬季峰值热负荷为4 990 kW，热指标为49.1 W/m2，出现在1月9日5：00；夏季峰值冷负荷为6 190 kW，冷指标为60.8 W/m2，出现在7月31日17：00。

根据负荷计算分析，夏季建筑冷负荷大多集中在峰值负荷的10%～60%之间，大于峰值负荷60%的时间只占到整个供冷季的6%左右，大于峰值负荷80%的时间只占到整个供冷季的1%左右；冬季建筑热负荷大多集中在峰值负荷的40%～80%之间，大于峰值负荷80%的时间只占到整个供暖季的8%左右，低于峰值负荷20%的时间约占供暖季的10%左右。

2 冷热源方案分析

本项目夏季冷负荷为冬季热负荷的1.24倍，且容积率为3.1，由于该项目的容积率的因素制约，可打井的面积无法满足建筑负荷的要求，因此，供冷季利用常规电制冷机组和冷却塔进行调峰，供暖季利用燃气锅炉进行调峰。

根据该项目的热响应实验，本地块对岩土体热响应实验的数据进行分析单U工况与双U工况的换热参数；根据实验结果，双U管夏季 （30/35 ℃） 每延米排热量57.73 W，冬季 （4/8 ℃） 每延米取热量38.00 W。单U工况延米换热量为双U换热量的79.83%。故项目采用双U型De32的地埋管换热器，设计深度为120～140 m。为群孔运作，设计时预留10%裕量，根据容积率及沉降带的考虑，车库底板下可打换热孔数为620口。

冬季地埋管取热量约为38.00 W/m，即总取热量约为：

620×130×38.00/1.1/1.1=2 531 kW，地源热泵机组最大有效供热量约3 037 kW，供热占比60.9%；

夏季地埋管散热量约为57.73 W/m，即总排热量约为：

620×130×57.73/1.1/1.1=3 845 kW，地源热泵机组最大有效供冷量约为3 204 kW。供冷占比51.7%。延米换热量的参数如表1所示，延米换热量及单U及双U的参数如表2所示。

表1 延米换热量的参数

表2 延米换热量及单U及双U的参数

在理想情况下，地源热泵供暖占比约60%，满足地源热泵控制范围，考虑成本等原因对地库面积和机房面积的要求较高，可采用的冷热源方案分析如下：

方案一：地源热泵 （供热占比60%） +燃气锅炉 （供热占比40%） +调峰冷机+冷却塔；

方案二：地源热泵 （供热占比50%） +燃气锅炉 （供热占比50%） +调峰冷机+冷却塔。

对两种方案的经济性分析进行了对比（见表3），方案一中因为地源热泵占比为60%，在地源井的数量上比方案二的多，所以在地源井的成本上比方案二多80%。在地源热泵机组方面，方案一占比多，机组方面方案一多投资26.6万。在锅炉及辅助设备方面，由于地源井占比小，相应的锅炉及水泵的投资将大于方案一，大约比方案一要多48.3万，所以综合热泵系统及附属配套设备，方案一比方案二初投资多58.3万。供冷季及供暖季的运行负荷具体数据如表4和表5所示。

表3 两种方案对比

表4 供冷期两种方案运行能耗

表5 供暖期两种方案运行能耗

表6 两种方案对比

表6为两种方案的对比分析，以上测算基于民用电价，方案一地源热泵承担比例较高，运行费用较低，但因民用电价及采暖燃气费均较低，投入回收期大于5年，经济性较差。综合考虑成本及打井时间，采用方案二，即地源热泵系统占比50%，其余部门夏季由螺杆机加冷却塔补充，冬季由锅炉补充。

根据地源热泵承担50%的负荷方案，2台热泵机组冬季向土壤源取热量为3 037 kW，夏季散热量约为3 204 kW。冷却塔2台450 m3/h，散热量2 986 kW，根据供暖季运行140天，供冷季运行122天计算：

地源测冬季取热量：6.97×106kWh；

地源测夏季散热量：4.84×106kWh。

由此可见冬季取热量远大于夏季散热量，不平衡率约为44%，需要通过调整热泵与调峰锅炉之间的运行策略来平衡土壤能量。整个供暖季末端地源温度场较低，热泵效率大幅下降，可适当关闭热泵主机。 设置地源温度场监测功能，当土壤温度过低（＜4 ℃）时，或土壤温度过高（＞37 ℃）时，地源热泵机组停止运行，启动调峰锅炉或冷机。供暖初期有限启动地源热泵，2台地源热泵运行负荷大于90%时，开启调峰锅炉，且2月15日以后停止地源热泵运行，采用燃气锅炉供暖。

调整后地源热泵运行结果：

地源侧冬季总取热量：4.89×106kWh；

地源侧夏季总散热量：4.84×106kWh。

土壤源冬夏不平衡率可控制在8%左右。

3 温湿度独立控制空调系统设计

对于温湿度独立控制的系统，有室内辐射冷板承担室内显热负荷，为了室内空气质量品质，辐射供冷系统夏季供水温度需要高于室内漏点温度1～2 ℃，供回水温差不宜大于5 ℃。辐射供暖供回水温度宜采用30～35 ℃，供回水温差宜采用3～6 ℃。室内新风承担了室内潜热负荷与新风负荷，用于调节室内CO2浓度，保证空气质量品质。

依据《住宅设计规范》（ GB 50096—2011），住宅新风换气冬季为0.6 次/h换气，夏季为0.8 次/h。置换新风系统不仅承担新风本身的负荷，同时也承担了室内的湿负荷。新风通过新风机组处理后，经送风管直接送入室内，室内送风管为下送，送风口设置在房间窗户下方，房间门的上方设置了消声排风口，用于房间内排风，并在餐厅设置了集中回风口，回风口上回。

独立新风一般设置为双冷源冷冻调湿机组或者采用双冷源溶液式调湿机组。2种新风方式，均有两部分组成，一部分是来自地源热泵机组提供的冷水，另一部分是来自新风机组自带的制冷剂压缩系统，使夏季室外的新风可以做2次降温除湿，以保证室内全年在任何时刻均不结露。

空调新风系统的主要设计参数如下：

（1） 新风机采用一级表冷器为水冷表冷器，由热泵机房夏季提供6/13 ℃的冷水，冬季提供46/39 ℃的热水。二级表冷器为直喷式表冷器。

（2） 新风机组的控制模式为：夏季模式。新风机组夏季送风状态参数为干球温度16 ℃，绝对含湿量8 g/kg，冬季送风状态参数为干球温度22 ℃，相对湿度45%，经风管送至室内。

（3） 新风系统采用分布式系统，每栋楼设置独立的新风系统，为了保证室内风压及风系统平衡，高层新风分两段设置，低区设置在地下室，高区设置在屋面机房。户内房间新风设置定风量阀，保证每个房间新风量满足要求。

（4） 新风机组的运行模式为，夏季当表冷却后温度高于11.3 ℃时，降低风量，为额定风量的80%，若新风温度仍不能达到要求，则启动直喷段的压缩机进行降温。冬季为定风量运行，根据回风湿度决定加湿器的开停，根据送风温度控制水阀的开启大小。当表冷器后温度小于2 ℃时停止风机运行。春秋季只进行通风，控制室内PM2.5，不对温度，湿度进行控制。

4 输配系统

地源热泵机组和冷水机组采用的供/回水温度为6/13 ℃，利用大温差 （7 ℃） 小流量来减少输配能耗。冬季地源热泵机组供回水温度为46/39 ℃。全年采用变流量调节。

末端系统采用毛细管辐射式供冷、供暖，辐射表面温度与室内温度的温差小，如果温度过高时会导致辐射表面发生开裂，如果温度过低时会导致辐射表面结露的现象，因此毛细管辐射式系统供冷时供回水温差不宜超过3 ℃，供暖时供回水温差不宜超过5 ℃。该项目二次侧采用供冷季供/回水设计温度为17/20 ℃，供暖季供回水温度为35/30 ℃。根据辐射末端的特点和设计日动态负荷的峰值选择变频循环水泵，以减小循环水泵的设计运行工况与实际运行空调的偏差，减少输配系统的能耗，根据末端负荷调节水流量，提高系统综合能效。

该项目综合考虑能源侧和空调末端侧的循环温度、整个空调系统的服务半径，降低整个系统的综合能耗等要素，采用一、二次变流量输配系统，利用板式换热器进行换热。集中设置能源机房，根据楼栋情况，每三栋楼设置一个换热机房，一次侧变流量输配系统循环半径从热泵机房到每栋楼设置的换热机房，二次侧变流量输配系统循环半径从换热机房到毛细管网末端。

5 结语

根据西安的气候条件，高层住宅在使用温湿度独立控制的科技系统时，不但保证了室内空气品质，在舒适度及绿色环保上起到良好的效果。对于科技系统的冷热源，采用地源热泵加冷机与锅炉的混合系统，不但保证了热源的需要，而且做到低碳建筑的要求。末端采用辐射毛细管加独立新风，保证室内空气恒温恒氧，保证了室内空气品质。所以在西安地区，对于温湿度独立控制系统的设计及实施有广阔的前景。