隨著“碳達(dá)峰、碳中和”政策的深入推進(jìn)，提高能源、資源的利用效率，推進(jìn)可再生能源利用，降低碳排放，已成為設(shè)計行業(yè)中的重中之重。為此，本文將以上海某住宅小區(qū)項目的集中空調(diào)設(shè)計為例，簡要介紹地源熱泵系統(tǒng)作為可再生能源應(yīng)用在住宅小區(qū)項目中的低能耗設(shè)計和節(jié)能運行，以及與之配套的輻射空調(diào)末端系統(tǒng)的設(shè)計要點和技術(shù)措施，與大家一起探討。
一、空調(diào)冷、熱源形式

由于該小區(qū)要求有24h不間斷的空調(diào)、新風(fēng)和生活熱水供應(yīng)，導(dǎo)致能耗需求較大。為達(dá)到節(jié)能效果，提高系統(tǒng)COP，對空調(diào)冷、熱源及生活熱水的選取及運行策略均提出了較高要求。
1、空調(diào)冷、熱源及生活熱水

空調(diào)冷、熱源選用熱回收型高溫地源熱泵機(jī)組，熱回收型高溫地源熱泵機(jī)組的選型按小區(qū)冬季所需供熱量選取，冷源不足部分配置1臺常規(guī)高溫型冷水機(jī)組。

空調(diào)熱源全部由地源熱泵機(jī)組提供，考慮到該小區(qū)24h不間斷供熱，為防止地埋管換熱器整個供熱季不間斷工作而引起換熱效率低下，燃?xì)忮仩t可作為生活熱水的備用熱源，燃?xì)忮仩t的供熱量在選型時不予增大。

該工程生活用熱水由地源熱泵機(jī)組預(yù)熱和熱水鍋爐再熱。在夏季和過渡季，自來水經(jīng)地源熱泵機(jī)組熱回收端預(yù)熱至45℃，儲存于蓄熱水箱，再經(jīng)板式換熱器加熱至60℃，儲存于恒溫水箱中；在冬季空調(diào)設(shè)計工況，生活熱水用熱量全部由燃?xì)忮仩t承擔(dān)，儲熱水箱與恒溫水箱均儲存60℃的恒溫水，此時日生活用熱水量均由2個水箱聯(lián)合供給。

2、運行策略

注：1.熱回收高溫型地源熱泵機(jī)組；2.高溫型地源熱泵機(jī)組；3.高溫型冷水機(jī)組；4.燃?xì)忮仩t；5.地源側(cè)循環(huán)水泵；6.用戶側(cè)循環(huán)水泵；7.冷水循環(huán)水泵；8.冷卻水泵；9.熱回收循環(huán)水泵；10.鍋爐側(cè)熱水一次循環(huán)水泵；11.空調(diào)熱水循環(huán)水泵；12.生活用熱再熱循環(huán)水泵；13.生活用熱板式換熱器；14.空調(diào)用熱板式換熱器；15.儲熱水箱；16.恒溫水箱；17.集水器；18.分水器；19.熱水用分水器；20.熱水用集水器。
      在夏季和過渡季，當(dāng)儲熱水箱的水溫低于40℃時，優(yōu)先使用熱回收型高溫地源熱泵機(jī)組（編號1），并開啟其熱回收功能，制冷的同時給生活熱水預(yù)熱；當(dāng)儲熱水箱達(dá)到最高水位，且儲熱水箱內(nèi)水溫為45℃時，停止熱回收功能的使用；隨著空調(diào)冷負(fù)荷增大，開啟常規(guī)高溫型冷水機(jī)組（編號3），最后開啟第2臺地源熱泵機(jī)組（編號2）。
     
      當(dāng)熱回收型地源熱泵機(jī)組（編號1）熱回收功能不開啟時，優(yōu)先使用常規(guī)高溫型冷水機(jī)組（編號3），隨著負(fù)荷的增大，逐臺開啟地源熱泵機(jī)組（編號2、3），以最大程度減輕土壤全年熱量得失的不平衡。
 
      為防止熱回收機(jī)組（編號1）頻繁啟停，儲熱水箱（編號15）的有效容積不宜選得過小，不宜少于30min熱回收循環(huán)水泵的流量，且儲熱水箱的水溫保持在45℃左右。

     在冬季，優(yōu)先使用地源熱泵機(jī)組（編號1、2）承擔(dān)空調(diào)熱負(fù)荷和生活熱水預(yù)熱，當(dāng)?shù)卦礋岜脵C(jī)組（編號1、2）熱效率較低或熱量不足時，則由熱水鍋爐承擔(dān)生活熱水。

二、末端新風(fēng)系統(tǒng)
新風(fēng)系統(tǒng)采用置換式通風(fēng)系統(tǒng)，下送上排；新風(fēng)機(jī)組選用預(yù)冷型熱回收溶液調(diào)濕機(jī)組，夏季送入室內(nèi)的新風(fēng)干球溫度為18℃，相對濕度為62%，含濕量為8g/kg。

1、新風(fēng)量的選擇

為防止室內(nèi)房間結(jié)露，應(yīng)避免室外熱濕空氣進(jìn)入空調(diào)房間，保證房間的密閉性，故新風(fēng)量的選擇應(yīng)同時保證人員所需新風(fēng)量L₁、維持正壓所需新風(fēng)量L₂、新風(fēng)除濕所需的新風(fēng)量L₃，取三者中的最大值。以某戶型為例，其室內(nèi)外設(shè)計參數(shù)見表1、2。

①保證人員所需新風(fēng)量：使用HDY-SMAD暖通空調(diào)負(fù)荷計算及分析軟件V1.92計算得到的空調(diào)冷熱負(fù)荷結(jié)果見表3。從表3可知，L₁＝240m³/h。

??②維持正壓所需新風(fēng)量：按JGJ 134-2010《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》第3.0.2條，新風(fēng)量按換氣次數(shù)1.0h^－1計算：L₂＝225m³ /h。

??③除濕所需新風(fēng)量：除濕所需新風(fēng)量計算公式為

式中L₃為除濕所需新風(fēng)量，m³ /h；W為室內(nèi)濕負(fù)荷，g/h；ρ為空氣密度，kg/m³ ；Δd為室內(nèi)狀態(tài)點與室內(nèi)新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點的濕度差，g/kg。

室內(nèi)狀態(tài)點參數(shù)為干球溫度26℃、相對濕度50%、含濕量10.57g/kg，新風(fēng)送入狀態(tài)點參數(shù)為干球溫度18℃、相對濕度62%、含濕量8.0g/kg，在此基礎(chǔ)上，將表3數(shù)據(jù)代入式（1）可算得除濕所需新風(fēng)量，結(jié)果見表4。

從表4可知，L₃＝254m³ /h。綜合L₁、L₂、L₃，該戶型所需新風(fēng)量不得低于254m³/h。
2、新風(fēng)系統(tǒng)的輸配

新風(fēng)系統(tǒng)采用分段式送風(fēng)方式，氣流組織為下送上排，新風(fēng)機(jī)組設(shè)置于地下1層和屋頂層的新風(fēng)機(jī)房。室外新風(fēng)經(jīng)新風(fēng)機(jī)組冷卻、除濕處理后，輸送到新風(fēng)豎井；室內(nèi)新風(fēng)支管從新風(fēng)豎井處接出，經(jīng)防火閥和定風(fēng)量閥后，流經(jīng)集管，再向室內(nèi)各個房間輸送，其中廚房和衛(wèi)生間僅設(shè)置排風(fēng)。房間的排風(fēng)口設(shè)置于上部，通過起居室的集中排風(fēng)口排至排風(fēng)豎井，再經(jīng)換熱后排至室外。

3、新風(fēng)控制策略

該項目新風(fēng)機(jī)組采用預(yù)冷式熱泵型溶液調(diào)濕新風(fēng)機(jī)組，其主要功能段包括預(yù)冷段、溶液除濕單元和再生單元。隨著全年室外氣象參數(shù)的變化，溶液調(diào)濕型新風(fēng)機(jī)組的運行模式也會發(fā)生變化。

??①系統(tǒng)新風(fēng)控制：在夏季高溫潮濕的氣象條件下，新風(fēng)機(jī)組開啟預(yù)冷除濕功能和溶液除濕降溫功能，得到的低溫低濕空氣送入室內(nèi)后，送風(fēng)狀態(tài)點參數(shù)：干球溫度為18℃、相對濕度為62%，如果在極端情況下，送風(fēng)溫度可達(dá)16℃，相對濕度為62%；過渡季，地源熱泵主機(jī)可以不開啟，僅開啟溶液除濕降溫功能；冬季，可以開啟預(yù)熱和加濕功能，新風(fēng)機(jī)組壓縮機(jī)可不工作。

??②戶內(nèi)新風(fēng)控制：當(dāng)室內(nèi)溫度為27℃、相對濕度為55%時，露點溫度為17.2℃，而毛細(xì)管空調(diào)的供水溫度為17℃，此時室內(nèi)有結(jié)露的風(fēng)險，建議新風(fēng)系統(tǒng)于毛細(xì)管系統(tǒng)工作之前開啟，同時戶內(nèi)新風(fēng)不作控制，無論戶內(nèi)是否有人，均開啟新風(fēng)系統(tǒng)，以保障系統(tǒng)的安全性和舒適性。

三、末端毛細(xì)管輻射系統(tǒng)

1、毛細(xì)管輻射系統(tǒng)的計算
 

根據(jù)各空調(diào)房間的夏季顯熱冷負(fù)荷、冬季熱負(fù)荷和毛細(xì)管單位面積（有效面積）的換熱能力，確定毛細(xì)管鋪設(shè)量。毛細(xì)管以鋪設(shè)于結(jié)構(gòu)樓板下為主，不足部分設(shè)于內(nèi)墻或有保溫的外墻上。新風(fēng)系統(tǒng)所承擔(dān)的室內(nèi)顯熱負(fù)荷計算公式為

Q=cMΔt   (2)

式中Q為新風(fēng)所承擔(dān)的室內(nèi)顯熱負(fù)荷，kW；c為空氣比熱容，1.01kJ/（kg·K）；M為送入室內(nèi)的新風(fēng)量，kg/s；Δt為室內(nèi)溫度與室內(nèi)新風(fēng)送風(fēng)狀態(tài)點的溫度差，℃。

將表3數(shù)據(jù)代入式（2）可計算得到新風(fēng)系統(tǒng)所承擔(dān)的室內(nèi)顯熱負(fù)荷和毛細(xì)管承擔(dān)的空調(diào)冷負(fù)荷，結(jié)果見表5。

2、毛細(xì)管戶內(nèi)安裝和連接方式

毛細(xì)管輻射系統(tǒng)的制式采用共用立管的分戶獨立循環(huán)雙管系統(tǒng)，其供回水立管、每戶的毛細(xì)管集、分水器均設(shè)置在公共空間的豎井內(nèi)?？紤]到建造成本，毛細(xì)管席布置于結(jié)構(gòu)樓板下和墻面，抹灰安裝。毛細(xì)管的供回水管接自分、集水器，在室內(nèi)的連接方式為并聯(lián)同程式，其毛細(xì)管平面布置圖見下圖。

3、毛細(xì)管輻射系統(tǒng)的控制方式
每個空調(diào)房間（包括衛(wèi)生間）設(shè)置帶露點保護(hù)的溫度控制器，通過該溫控器控制分、集水器支路上安裝的電動兩通閥的通斷，來實現(xiàn)該房間溫度和濕度，其中露點保護(hù)優(yōu)于溫度控制。

結(jié)語：毛細(xì)管輻射系統(tǒng)與置換新風(fēng)系統(tǒng)組成了完整的溫濕度獨立控制末端系統(tǒng)，給室內(nèi)提供了舒適、健康的熱濕環(huán)境及安靜的居住空間，而地源熱泵系統(tǒng)又具有綠色、環(huán)保、高效、節(jié)能等特點，帶來了較好的經(jīng)濟(jì)效益，十分契合“雙碳”目標(biāo)下的高度電氣化、可再生能源化、智慧化的要求。