某住宅小區(qū)地源熱泵空調(diào)方案研究

摘 要：介紹了南京某住宅小區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，包括小區(qū)建筑空調(diào)冷熱負(fù)荷、地埋管換熱系統(tǒng)、輔助冷源、水源熱泵機(jī)組選擇、空調(diào)水系統(tǒng)組織、末端空調(diào)形式等，并對(duì)方案比選中的一些不同選項(xiàng)進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：住宅小區(qū);地源熱泵空調(diào)系統(tǒng);方案設(shè)計(jì)

0? 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于住宅的室內(nèi)環(huán)境要求越來(lái)越高，空調(diào)已成為現(xiàn)代住宅的必要設(shè)施。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)因其節(jié)能、改善小區(qū)環(huán)境及提升住戶(hù)空調(diào)使用體驗(yàn)感等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多的高端住宅所采用。本文介紹了南京某住宅小區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案，包括小區(qū)建筑空調(diào)冷熱負(fù)荷、地埋管換熱系統(tǒng)、輔助冷源、水源熱泵機(jī)組選擇、空調(diào)水系統(tǒng)組織、末端空調(diào)形式等，并對(duì)方案比選中的一些不同選項(xiàng)進(jìn)行了討論。

1? 工程概況

住宅小區(qū)項(xiàng)目位于國(guó)家級(jí)新區(qū)南京市江北新區(qū)核心區(qū)研創(chuàng)園板塊，項(xiàng)目占地面積約38 260 m2，總建筑面積為135 575.34 m2，住宅區(qū)供能面積為85 539 m2。本項(xiàng)目共包含10棟高層住宅、1棟會(huì)所及沿街商業(yè)。本項(xiàng)目住宅按建筑高度劃分可分為兩種，其中，1#～6#樓為18層住宅，建筑高度為53.1 m 。7#～10#樓為26層住宅，建筑高度為76.7 m。會(huì)所位于地下一層，包括一個(gè)25 m×12 m泳池、一個(gè)健身房及一個(gè)會(huì)客室，總建筑面積約1 200 m2。小區(qū)住宅區(qū)域的空調(diào)冷熱水及會(huì)所區(qū)域的空調(diào)冷熱水、會(huì)所生活熱水負(fù)荷由集中式地源熱泵系統(tǒng)提供。住宅室內(nèi)空調(diào)采暖末端形式為風(fēng)機(jī)盤(pán)管供冷、地板輻射采暖。

2? 空調(diào)冷熱負(fù)荷

2.1? 圍護(hù)結(jié)構(gòu)

本項(xiàng)目住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能按《江蘇省居住建筑熱環(huán)境和節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（DGJ32/J 71—2014）中的要求選定。圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要熱工性能如下：（1）外墻的傳熱系數(shù)為0.58 W/（m2·℃），熱惰性指標(biāo)為2.96;（2）屋面的傳熱系數(shù)為0.48 W/（m2·℃），熱惰性指標(biāo)為3.44;（3）外窗的傳熱系數(shù)為2.0 W/（m2·℃）。

2.2? 室內(nèi)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

本項(xiàng)目室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

2.3? 冷熱計(jì)算負(fù)荷

本項(xiàng)目采用華電源HDY-SMAD 4.0全年負(fù)荷計(jì)算軟件，項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算冷負(fù)荷為5 815 kW，單位建筑面積冷負(fù)荷為65.6 W/m2，項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算熱負(fù)荷為3 727.2 kW，單位建筑面積熱負(fù)荷為43.9 W/m2，生活熱水負(fù)荷220 kW（含泳池初始加熱）。

3? 復(fù)合地埋管換熱系統(tǒng)

3.1? 設(shè)計(jì)原則

為了最大限度地利用項(xiàng)目地?zé)豳Y源，地源熱泵地埋管換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則為：提供住宅及會(huì)所的空調(diào)、生活熱水供熱負(fù)荷，夏季地埋管換熱系統(tǒng)釋熱能力不足部分由冷卻塔分擔(dān)，冷卻塔的容量也能同時(shí)滿(mǎn)足全年地?zé)崞胶庑枰?。通過(guò)冷卻塔與地埋管復(fù)合換熱系統(tǒng)運(yùn)行邏輯的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)全年地?zé)崞胶馀c系統(tǒng)高效運(yùn)行。

3.2? 換熱器系統(tǒng)

項(xiàng)目采用雙U豎向埋管換熱器形式，雙U換熱器采用工作壓力為1.6 MPa、規(guī)格為De25的高密度聚乙烯塑料管（HDPE100）制作。小區(qū)地下車(chē)庫(kù)底板下的地埋管換熱系統(tǒng)換熱孔按照4.5 m間距布置。根據(jù)《熱響應(yīng)測(cè)試報(bào)告》，項(xiàng)目采用的雙U地埋管換熱器單位延米換熱能力：夏季工況釋熱量為65 W/m，冬季工況取熱量為41 W/m。經(jīng)計(jì)算，需要設(shè)置730口換熱井。為監(jiān)測(cè)地溫變化，另外設(shè)置了4口巖土體溫度監(jiān)測(cè)井。

本項(xiàng)目地埋管換熱系統(tǒng)每個(gè)換熱器單元獨(dú)立接至檢查井的分集水器，單個(gè)分集水器對(duì)應(yīng)連接20～25個(gè)換熱器單元。為節(jié)省管道長(zhǎng)度，降低建筑結(jié)構(gòu)底板下?lián)Q熱管布置難度，每個(gè)換熱器回路采用異程形式，通過(guò)設(shè)置于回水管道上的平衡閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)各回路水力平衡。水平地埋管敷設(shè)在管溝中。本項(xiàng)目共設(shè)置了4個(gè)換熱單元分集水器檢查井，每個(gè)檢查井內(nèi)設(shè)置若干分集水器。換熱井內(nèi)集管通過(guò)穿墻防水套管進(jìn)入地下室，連接至熱泵機(jī)房，可實(shí)現(xiàn)分區(qū)控制。

3.3? 輔助換熱系統(tǒng)

根據(jù)華電源全年負(fù)荷計(jì)算，本項(xiàng)目全年累計(jì)向巖土體釋熱量為10 590.3 MW，全年累計(jì)從巖土體取熱量為6 755.6 MW，熱不平衡率36.2%。另外，地埋管換熱系統(tǒng)不能全部承擔(dān)夏季空調(diào)系統(tǒng)釋熱量，結(jié)合夏季空調(diào)系統(tǒng)釋熱與巖土體熱平衡需要，經(jīng)計(jì)算，選擇1臺(tái)500 t/h的冷卻塔作為輔助冷源。為減少外界環(huán)境對(duì)地源側(cè)水的影響，同時(shí)為了方便管理與節(jié)能需要，選用閉式冷卻塔。閉式冷卻塔可直接并聯(lián)連接至熱泵機(jī)房地源側(cè)分集水器上。根據(jù)節(jié)能運(yùn)行原則，當(dāng)室外空氣濕球溫度低于地源側(cè)土壤溫度時(shí)，優(yōu)先使用冷卻塔運(yùn)行。

4? 室內(nèi)系統(tǒng)與熱泵機(jī)房

4.1? 空調(diào)供熱末端與水系統(tǒng)

結(jié)合項(xiàng)目定位，住宅室內(nèi)采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管空調(diào)+地板輻射供暖與單向流新風(fēng)組合形式，分戶(hù)新風(fēng)系統(tǒng)配置亞高效過(guò)濾器。

由于地板輻射供暖盤(pán)管的承壓一般不超過(guò)0.8 MPa，且《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.3.9條規(guī)定：“建筑物的熱水采暖系統(tǒng)高度超過(guò)50 m時(shí)，宜豎向分區(qū)設(shè)置”，結(jié)合本項(xiàng)目情況，選擇空調(diào)與供暖共用立管，按供暖系統(tǒng)材質(zhì)特點(diǎn)，空調(diào)與采暖水系統(tǒng)豎向以10層為界分兩個(gè)區(qū)，即10層及以下為低區(qū)，10層以上為高區(qū)。據(jù)此，空調(diào)（供暖）水系統(tǒng)有以下3種組織形式：

方案1，在地源熱泵機(jī)房?jī)?nèi)集中設(shè)置高區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)板式換熱器，將高區(qū)空調(diào)（供暖）水系統(tǒng)與低區(qū)水系統(tǒng)及地源熱泵機(jī)組隔開(kāi)。低區(qū)由地源熱泵機(jī)組直供，高區(qū)通過(guò)板式換熱器換熱后供應(yīng)。

方案2，在各住宅樓棟內(nèi)，分散設(shè)置高區(qū)空調(diào)水系統(tǒng)板式換熱器，將該樓棟高區(qū)空調(diào)（供暖）水系統(tǒng)與低區(qū)水系統(tǒng)及地源熱泵機(jī)組隔開(kāi)。低區(qū)由地源熱泵機(jī)組直供，高區(qū)通過(guò)板式換熱器換熱后供應(yīng)。

方案3，將小區(qū)高區(qū)空調(diào)（供暖）水系統(tǒng)與低區(qū)水系統(tǒng)完全隔開(kāi)，均由地源熱泵機(jī)組直供，即低區(qū)與高區(qū)均有分屬自己系統(tǒng)的地源熱泵機(jī)組及配套設(shè)施，形成獨(dú)立系統(tǒng)，取消了為高區(qū)設(shè)置的板式換熱器。為高區(qū)服務(wù)的地源熱泵機(jī)組及配套設(shè)施工作壓力應(yīng)能適應(yīng)高區(qū)壓力需要。

綜合項(xiàng)目實(shí)際條件，經(jīng)造價(jià)、能效、機(jī)房面積、隔聲等綜合比較，選定方案3。

4.2? 地源熱泵機(jī)房

根據(jù)前面的討論分析，經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目選用2臺(tái)額定制冷量為1 469 kW的螺桿式地源熱泵機(jī)組作為低區(qū)空調(diào)供暖冷熱源，選用2臺(tái)額定制冷量為1 280 kW的螺桿式地源熱泵機(jī)組作為高區(qū)空調(diào)供暖冷熱源。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況：夏季用戶(hù)側(cè)供回水溫度為6 ℃與12 ℃，地源側(cè)供回水溫度為30 ℃與35 ℃;冬季用戶(hù)側(cè)供回水溫度為39 ℃與45 ℃，地源側(cè)供回水溫度為10 ℃與5 ℃?？照{(diào)冷熱水系統(tǒng)采用一次泵變流量系統(tǒng)。

會(huì)所最大生活熱水加熱負(fù)荷為220 kW/h，平時(shí)加熱負(fù)荷為120 kW/h。配備1臺(tái)地源熱泵高溫?zé)崴畽C(jī)組，額定制熱量為250 kW/h，高溫?zé)岜脽崴畽C(jī)組采用有2個(gè)獨(dú)立回路的雙機(jī)頭機(jī)型，以提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

地源熱泵機(jī)房位于地下一層，與住宅房間有足夠距離，同時(shí)采取了隔音、隔振設(shè)計(jì)，避免設(shè)備工作時(shí)對(duì)住戶(hù)產(chǎn)生影響。

5? 結(jié)語(yǔ)

住宅采用地源熱泵空調(diào)技術(shù)對(duì)于促進(jìn)節(jié)能減排具有重要的意義。住宅小區(qū)地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，冬季采用地板輻射供暖，提高了冬季室內(nèi)熱舒適性，通過(guò)降低系統(tǒng)供水溫度，從而進(jìn)一步提高系統(tǒng)供暖能效。夏季采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管供冷、冬季采用地板輻射供暖形式，水系統(tǒng)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，必須滿(mǎn)足地板采暖系統(tǒng)工作壓力一般不超過(guò)0.8 MPa的要求，同時(shí)為減少水力失調(diào)，超過(guò)50 m的住宅樓，一般也要將水系統(tǒng)豎向分區(qū)。高低區(qū)可以用板式換熱器隔開(kāi)，也可采用高低區(qū)分設(shè)獨(dú)立空調(diào)供暖系統(tǒng)的方式。后者，熱泵設(shè)備投入會(huì)相對(duì)多一點(diǎn)，但是考慮到機(jī)房、中間換熱器等綜合因素，造價(jià)還是比較節(jié)省的。采用高低區(qū)分設(shè)獨(dú)立空調(diào)供暖系統(tǒng)的方式明顯提高了系統(tǒng)效率，減少了系統(tǒng)主機(jī)及水泵能耗。

住宅采用風(fēng)機(jī)盤(pán)管供冷+地板輻射供暖的系統(tǒng)形式，應(yīng)考慮防止夏季空調(diào)冷水進(jìn)入地板輻射管內(nèi)。在室內(nèi)實(shí)施水系統(tǒng)切換，公共區(qū)域管線(xiàn)可以簡(jiǎn)單些，但增加了住戶(hù)使用的難度，所以建議在公共區(qū)域，如公共水管井內(nèi)實(shí)現(xiàn)室內(nèi)水系統(tǒng)切換，這種方式便于物業(yè)進(jìn)行專(zhuān)業(yè)化管理，可以提高系統(tǒng)安全性。

住宅建筑地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)方案對(duì)系統(tǒng)造價(jià)、運(yùn)行能耗與費(fèi)用、系統(tǒng)安全性起著十分重要的作用，只有結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，多方案比選研究，才能最終確定合適的方案，更好地發(fā)揮地源熱泵技術(shù)在住宅應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。

收稿日期：2020-06-15

作者簡(jiǎn)介：朱煥明（1965—），男，江蘇宜興人，工程師，研究方向：建筑設(shè)備系統(tǒng)綠色節(jié)能技術(shù)。