“双碳”目标下住宅小区的暖通设计

随着“碳达峰、碳中和”政策的深入推进，提高能源、资源的利用效率，推进可再生能源利用，降低碳排放，已成为设计行业中的重中之重。为此，本文将以上海某住宅小区项目的集中空调设计为例，简要介绍地源热泵系统作为可再生能源应用在住宅小区项目中的低能耗设计和节能运行，以及与之配套的辐射空调末端系统的设计要点和技术措施，与大家一起探讨。
一、空调冷、热源形式

由于该小区要求有24h不间断的空调、新风和生活热水供应，导致能耗需求较大。为达到节能效果，提高系统COP，对空调冷、热源及生活热水的选取及运行策略均提出了较高要求。
1、空调冷、热源及生活热水

空调冷、热源选用热回收型高温地源热泵机组，热回收型高温地源热泵机组的选型按小区冬季所需供热量选取，冷源不足部分配置1台常规高温型冷水机组。

空调热源全部由地源热泵机组提供，考虑到该小区24h不间断供热，为防止地埋管换热器整个供热季不间断工作而引起换热效率低下，燃气锅炉可作为生活热水的备用热源，燃气锅炉的供热量在选型时不予增大。

该工程生活用热水由地源热泵机组预热和热水锅炉再热。在夏季和过渡季，自来水经地源热泵机组热回收端预热至45℃，储存于蓄热水箱，再经板式换热器加热至60℃，储存于恒温水箱中；在冬季空调设计工况，生活热水用热量全部由燃气锅炉承担，储热水箱与恒温水箱均储存60℃的恒温水，此时日生活用热水量均由2个水箱联合供给。

2、运行策略

注：1.热回收高温型地源热泵机组；2.高温型地源热泵机组；3.高温型冷水机组；4.燃气锅炉；5.地源侧循环水泵；6.用户侧循环水泵；7.冷水循环水泵；8.冷却水泵；9.热回收循环水泵；10.锅炉侧热水一次循环水泵；11.空调热水循环水泵；12.生活用热再热循环水泵；13.生活用热板式换热器；14.空调用热板式换热器；15.储热水箱；16.恒温水箱；17.集水器；18.分水器；19.热水用分水器；20.热水用集水器。
      在夏季和过渡季，当储热水箱的水温低于40℃时，优先使用热回收型高温地源热泵机组（编号1），并开启其热回收功能，制冷的同时给生活热水预热；当储热水箱达到最高水位，且储热水箱内水温为45℃时，停止热回收功能的使用；随着空调冷负荷增大，开启常规高温型冷水机组（编号3），最后开启第2台地源热泵机组（编号2）。
     
      当热回收型地源热泵机组（编号1）热回收功能不开启时，优先使用常规高温型冷水机组（编号3），随着负荷的增大，逐台开启地源热泵机组（编号2、3），以最大程度减轻土壤全年热量得失的不平衡。
 
      为防止热回收机组（编号1）频繁启停，储热水箱（编号15）的有效容积不宜选得过小，不宜少于30min热回收循环水泵的流量，且储热水箱的水温保持在45℃左右。

     在冬季，优先使用地源热泵机组（编号1、2）承担空调热负荷和生活热水预热，当地源热泵机组（编号1、2）热效率较低或热量不足时，则由热水锅炉承担生活热水。

二、末端新风系统
新风系统采用置换式通风系统，下送上排；新风机组选用预冷型热回收溶液调湿机组，夏季送入室内的新风干球温度为18℃，相对湿度为62%，含湿量为8g/kg。

1、新风量的选择

为防止室内房间结露，应避免室外热湿空气进入空调房间，保证房间的密闭性，故新风量的选择应同时保证人员所需新风量L₁、维持正压所需新风量L₂、新风除湿所需的新风量L₃，取三者中的最大值。以某户型为例，其室内外设计参数见表1、2。

①保证人员所需新风量：使用HDY-SMAD暖通空调负荷计算及分析软件V1.92计算得到的空调冷热负荷结果见表3。从表3可知，L₁＝240m³/h。

▶▶②维持正压所需新风量：按JGJ 134-2010《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》第3.0.2条，新风量按换气次数1.0h^－1计算：L₂＝225m³ /h。

▶▶③除湿所需新风量：除湿所需新风量计算公式为

式中L₃为除湿所需新风量，m³ /h；W为室内湿负荷，g/h；ρ为空气密度，kg/m³ ；Δd为室内状态点与室内新风送风状态点的湿度差，g/kg。

室内状态点参数为干球温度26℃、相对湿度50%、含湿量10.57g/kg，新风送入状态点参数为干球温度18℃、相对湿度62%、含湿量8.0g/kg，在此基础上，将表3数据代入式（1）可算得除湿所需新风量，结果见表4。

从表4可知，L₃＝254m³ /h。综合L₁、L₂、L₃，该户型所需新风量不得低于254m³/h。
2、新风系统的输配

新风系统采用分段式送风方式，气流组织为下送上排，新风机组设置于地下1层和屋顶层的新风机房。室外新风经新风机组冷却、除湿处理后，输送到新风竖井；室内新风支管从新风竖井处接出，经防火阀和定风量阀后，流经集管，再向室内各个房间输送，其中厨房和卫生间仅设置排风。房间的排风口设置于上部，通过起居室的集中排风口排至排风竖井，再经换热后排至室外。

3、新风控制策略

该项目新风机组采用预冷式热泵型溶液调湿新风机组，其主要功能段包括预冷段、溶液除湿单元和再生单元。随着全年室外气象参数的变化，溶液调湿型新风机组的运行模式也会发生变化。

▶▶①系统新风控制：在夏季高温潮湿的气象条件下，新风机组开启预冷除湿功能和溶液除湿降温功能，得到的低温低湿空气送入室内后，送风状态点参数：干球温度为18℃、相对湿度为62%，如果在极端情况下，送风温度可达16℃，相对湿度为62%；过渡季，地源热泵主机可以不开启，仅开启溶液除湿降温功能；冬季，可以开启预热和加湿功能，新风机组压缩机可不工作。

▶▶②户内新风控制：当室内温度为27℃、相对湿度为55%时，露点温度为17.2℃，而毛细管空调的供水温度为17℃，此时室内有结露的风险，建议新风系统于毛细管系统工作之前开启，同时户内新风不作控制，无论户内是否有人，均开启新风系统，以保障系统的安全性和舒适性。

三、末端毛细管辐射系统

1、毛细管辐射系统的计算
 

根据各空调房间的夏季显热冷负荷、冬季热负荷和毛细管单位面积（有效面积）的换热能力，确定毛细管铺设量。毛细管以铺设于结构楼板下为主，不足部分设于内墙或有保温的外墙上。新风系统所承担的室内显热负荷计算公式为

Q=cMΔt   (2)

式中Q为新风所承担的室内显热负荷，kW；c为空气比热容，1.01kJ/（kg·K）；M为送入室内的新风量，kg/s；Δt为室内温度与室内新风送风状态点的温度差，℃。

将表3数据代入式（2）可计算得到新风系统所承担的室内显热负荷和毛细管承担的空调冷负荷，结果见表5。

2、毛细管户内安装和连接方式

毛细管辐射系统的制式采用共用立管的分户独立循环双管系统，其供回水立管、每户的毛细管集、分水器均设置在公共空间的竖井内。考虑到建造成本，毛细管席布置于结构楼板下和墙面，抹灰安装。毛细管的供回水管接自分、集水器，在室内的连接方式为并联同程式，其毛细管平面布置图见下图。

3、毛细管辐射系统的控制方式
每个空调房间（包括卫生间）设置带露点保护的温度控制器，通过该温控器控制分、集水器支路上安装的电动两通阀的通断，来实现该房间温度和湿度，其中露点保护优于温度控制。

结语：毛细管辐射系统与置换新风系统组成了完整的温湿度独立控制末端系统，给室内提供了舒适、健康的热湿环境及安静的居住空间，而地源热泵系统又具有绿色、环保、高效、节能等特点，带来了较好的经济效益，十分契合“双碳”目标下的高度电气化、可再生能源化、智慧化的要求。