長(zhǎng)沙某高層住宅空調(diào)系統(tǒng)介紹及運(yùn)行能耗分析

陳震夏卓平王建民柳明一費(fèi)良斌

1江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

2當(dāng)代置業(yè)（湖南）有限公司

長(zhǎng)沙某高層住宅空調(diào)系統(tǒng)介紹及運(yùn)行能耗分析

陳震1夏卓平1王建民2柳明一2費(fèi)良斌2

1江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司

2當(dāng)代置業(yè)（湖南）有限公司

該工程為住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2007年國(guó)家重點(diǎn)可再生能源示范居住建筑，采用垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)作為冷熱源，末端采用天棚輻射+轉(zhuǎn)輪熱回收置換新風(fēng)系統(tǒng)。結(jié)合該系統(tǒng)2012年～2013年實(shí)際運(yùn)行參數(shù)做了詳細(xì)的分析研究，冬季供暖期單位面積耗電量指標(biāo)為16.48kWh/m2，夏季供冷期單位面積耗電量指標(biāo)為23.63kWh/m2，全年為40.11kWh/m2。

可再生能源示范項(xiàng)目 地源熱泵 天棚輻射 置換通風(fēng) 運(yùn)行分析

本工程位于湖南省長(zhǎng)沙市，為住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部2007年國(guó)家重點(diǎn)可再生能源應(yīng)用示范項(xiàng)目之一。由兩棟18層高層住宅構(gòu)成，地下建筑面積為0.96萬(wàn)m2，地上建筑面積3.99萬(wàn)m2，建筑總高度60.6m，總戶數(shù)272戶。

1 設(shè)計(jì)說(shuō)明

空調(diào)冷熱源采用垂直埋管地源熱泵系統(tǒng)，末端采用天棚輻射+置換新風(fēng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)為溫濕度獨(dú)立控制，采用兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)分別對(duì)室內(nèi)的溫度和濕度進(jìn)行調(diào)控，能顯著提高室內(nèi)溫濕度的控制精度，使空調(diào)系統(tǒng)的綜合能效比得到進(jìn)一步提高，達(dá)到節(jié)能、舒適和提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的目的[1～3]。

本工程外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采取了較好的被動(dòng)節(jié)能措施，室內(nèi)溫度場(chǎng)受外溫波動(dòng)影響較小；采用天棚輻射末端方式，室內(nèi)垂直溫度梯度小，無(wú)明顯的吹風(fēng)感，人的實(shí)際感覺比相同室溫對(duì)流換熱時(shí)舒適得多；置換通風(fēng)系統(tǒng)，新風(fēng)由地板送風(fēng)口送出，污濁空氣由設(shè)置于房間頂部的排風(fēng)口排出，人員活動(dòng)處于相對(duì)清潔的空氣環(huán)境中，提高了活動(dòng)區(qū)空氣品質(zhì)；噪音較低，不會(huì)產(chǎn)生空調(diào)器、風(fēng)機(jī)盤管等無(wú)法避免的噪音[4]。

1.1 空調(diào)負(fù)荷及生活熱水負(fù)荷

天棚輻射系統(tǒng)：夏季冷負(fù)荷為920kW，冬季熱負(fù)荷為730kW；獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)：夏季冷負(fù)荷為1150kW，冬季熱負(fù)荷為700kW；生活熱水按50L/人·天計(jì)算，冬季小時(shí)耗熱量為450kW，春秋季為363kW，夏季為236kW。

1.2 地埋管系統(tǒng)

根據(jù)地質(zhì)勘察熱響應(yīng)報(bào)告：φ130實(shí)驗(yàn)井120m，雙U管布置，夏季地埋管放熱量65W/延米，冬季吸熱量50W/延米。地埋管設(shè)計(jì)長(zhǎng)度依據(jù)冬季空調(diào)熱負(fù)荷及生活熱水負(fù)荷來(lái)計(jì)算，并考慮一定的富余量，設(shè)計(jì)地埋管總長(zhǎng)度32160延米。共402口井，單井有效深度80m，鉆孔間距4.2m×4.2m，雙U并聯(lián)布置。

為消除可能引起的土壤熱平衡破壞，本工程設(shè)計(jì)一臺(tái)175t/h的閉式冷卻塔作為補(bǔ)充冷卻源。

1.3 地源熱泵機(jī)房系統(tǒng)

選用五臺(tái)地源熱泵機(jī)組（編號(hào)為：GSHP-1、2、3和全熱回收機(jī)組GSHP-4、5）。其中GSHP-1、2為高溫冷水機(jī)組，夏季提供16/21℃的冷凍水，通過(guò)旁通供應(yīng)18/21℃的天棚輻射冷水，冬季提供33/28℃熱水，通過(guò)旁通供應(yīng)31/28℃的天棚輻射熱水。GSHP-3、4、5夏季同時(shí)提供7/12℃的低溫冷凍水供新風(fēng)機(jī)組冷凍除濕和一層入口門廳吊裝空調(diào)箱，同時(shí)熱回收機(jī)組GSHP-4回收冷凝熱制取60/55℃的生活熱水；冬季GSHP-3提供45/40℃的空調(diào)熱水供新風(fēng)機(jī)組和一層入口門廳吊裝空調(diào)箱，兩臺(tái)熱回收機(jī)組GSHP-4、5提供60/55℃的生活熱水。原設(shè)計(jì)的地源主機(jī)冬季、夏季運(yùn)行模式分別見表1和表2。

表1 地源主機(jī)冬季運(yùn)行模式（原設(shè)計(jì)）

表2 地源主機(jī)夏季運(yùn)行模式（原設(shè)計(jì)）

過(guò)渡季節(jié)制生活熱水，開啟GSHP-4和GSHP-5其中一臺(tái)或兩臺(tái)高溫制熱運(yùn)行。通過(guò)以上設(shè)備選型，夏季新風(fēng)總制冷量為1186.6kW，生活熱水熱回收量為264.8kW；冬季新風(fēng)總制熱量為803.8kW，生活熱水制熱量為478.8kW。夏季天棚制冷量為930.8kW，冬季天棚制熱量為842.8kW。冬季新風(fēng)制熱量超過(guò)了設(shè)計(jì)計(jì)算負(fù)荷14.8%，主要是設(shè)備選型造成的冷熱負(fù)荷不匹配。

地源主機(jī)在招標(biāo)采購(gòu)時(shí)做了一定調(diào)整，調(diào)整后的機(jī)組制冷量都增大了，后文的測(cè)試數(shù)據(jù)均來(lái)自調(diào)整后的主機(jī)運(yùn)行參數(shù)，具體調(diào)整如表3和表4。

表3 地源主機(jī)冬季運(yùn)行模式（實(shí)際運(yùn)行）

表4 地源主機(jī)夏季運(yùn)行模式（實(shí)際運(yùn)行）

1.4 獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)

空調(diào)新風(fēng)采用轉(zhuǎn)輪式熱回收新風(fēng)機(jī)組，分別設(shè)于地下室和屋頂，向上/向下送入各套住宅內(nèi)。新風(fēng)機(jī)組回風(fēng)來(lái)自衛(wèi)生間及廚房豎向的排風(fēng)。夏季新風(fēng)除承擔(dān)室內(nèi)濕負(fù)荷外，還承擔(dān)了部分顯熱負(fù)荷。新風(fēng)機(jī)組設(shè)回風(fēng)段、粗中效過(guò)濾段、全熱回收段、表冷段、鋁合金濕膜加濕段、送風(fēng)機(jī)段、消音段、檢修中間段等，具有對(duì)空氣進(jìn)行冷卻、除濕、加熱、加濕和凈化等功能。

1.5 空調(diào)末端方式

空調(diào)末端采用天棚輻射供冷/暖方式，天棚輻射系統(tǒng)由預(yù)埋在鋼筋混凝土板內(nèi)的盤管組成，盤管材質(zhì)為耐熱阻氧聚乙烯管（PE-RT），規(guī)格為D20×2.0mm，盤管間距依據(jù)計(jì)算負(fù)荷的大小布置，每一回路盤管設(shè)有流量調(diào)節(jié)裝置（與分集水器一體化）。

新風(fēng)由設(shè)在屋頂或地下室的新風(fēng)機(jī)組通過(guò)豎管送至戶內(nèi)，為保證各戶的新風(fēng)量恒定，每戶的連接支管上設(shè)定風(fēng)量閥，單個(gè)房間的新風(fēng)支管均為φ75的PE雙壁波紋管不燃風(fēng)管，沿地面敷設(shè)，新風(fēng)口安裝于室內(nèi)靠外窗的地面上，出風(fēng)口風(fēng)速小于0.3m/s。

2 運(yùn)行分析

2012年底實(shí)際入住86戶，入住率為31.6%，本文以2012年冬季和2013年夏季空調(diào)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能耗為研究對(duì)象，對(duì)該系統(tǒng)節(jié)能性做出詳細(xì)分析。

物業(yè)公司對(duì)系統(tǒng)能耗做了詳細(xì)計(jì)量，包括地源主機(jī)、水泵、新風(fēng)機(jī)組等主要設(shè)備運(yùn)行參數(shù)。實(shí)際運(yùn)行期間，未入住房間新風(fēng)系統(tǒng)開啟，天棚輻射系統(tǒng)關(guān)小運(yùn)行，長(zhǎng)沙地區(qū)電價(jià)為0.93元/kWh（前兩年按商業(yè)電價(jià)計(jì)，之后由業(yè)主委員會(huì)申請(qǐng)后調(diào)整為居民電價(jià)）。

2.1 冬季采暖能耗

天棚系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間從2012年11月12日至2013年3月4日，總共112天；新風(fēng)系統(tǒng)從2012年11月9日到2013年4月7日停止，總共運(yùn)行149天。冬季供暖逐月總耗電量與冬季供暖期能耗分析分別見表5和表6。

表5 冬季供暖逐月總耗電量

表6 冬季供暖期能耗分析表

整個(gè)冬季供暖期耗電量指標(biāo)為16.48kWh/m2，單位面積能源費(fèi)用為15.32元/m2，相對(duì)于常規(guī)居住建筑空調(diào)系統(tǒng)來(lái)講，雖然系統(tǒng)綜合能效比較高，但系統(tǒng)一直不間斷運(yùn)行，總的節(jié)能量有限。

2.2 夏季空調(diào)能耗

天棚輻射系統(tǒng)從2013年5月10日供冷至2013年9月21日，共135天；獨(dú)立新風(fēng)系統(tǒng)從2013年5月2日運(yùn)行至2013年9月21日，共143天。夏季空調(diào)逐月總耗電量與冬季供暖期能耗分析分別見表7、表8。

表7 夏季空調(diào)逐月總耗電量

表8 夏季空調(diào)期能耗分析表

以上數(shù)據(jù)是在冷卻塔未開啟，均靠地源水釋熱的情況下監(jiān)測(cè)的，記錄數(shù)據(jù)中地源水最高供水溫度達(dá)到36℃，可見夏季增設(shè)冷卻塔輔助降溫很有必要。從表中可知：夏季供冷單位面積耗電量指標(biāo)為23.63kWh/m2，單位面積能源費(fèi)用為21.98元/m2。

根據(jù)業(yè)主提供的新風(fēng)系統(tǒng)主機(jī)GSHP-3從5月1日0:00至8月23日15:00的逐時(shí)運(yùn)行參數(shù)和天棚輻射系統(tǒng)主機(jī)GSHP-1、GSHP-2從6月5日14:00至8月27日16:00的逐時(shí)運(yùn)行參數(shù)見表9。

表9 地源主機(jī)運(yùn)行參數(shù)

夏季新風(fēng)系統(tǒng)主機(jī)GSHP-3運(yùn)行平均COP=3.70，供回水溫差△t=3℃；天棚輻射系統(tǒng)主機(jī)GSHP-1、GSHP-2運(yùn)行平均COP=4.90，△t=2.5℃，不需要旁通就能滿足天棚系統(tǒng)供回水3℃溫差的要求。原因分析為入住率偏低，空調(diào)負(fù)荷較小，主機(jī)長(zhǎng)期在低負(fù)荷工況下運(yùn)行，循環(huán)水泵變頻措施未安裝到位等。

實(shí)際運(yùn)行新風(fēng)系統(tǒng)累計(jì)制冷量和天棚輻射系統(tǒng)累計(jì)制冷量占總耗冷量比例分別為62.2%和37.8%，而空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)各自所占比例分別為55.6%和44.4%，二者相差不多。

2.3 生活熱水能耗

表10、表11為冬季生活熱水逐月總耗電量及冬季生活熱水能耗分析表。

表10 冬季生活熱水逐月總耗電量

表11 冬季生活熱水能耗分析表

物業(yè)公司僅提供了冬季的運(yùn)行參數(shù)，由于缺乏生活熱水總用水量，不能詳細(xì)計(jì)算出冬季每立方米生活熱水的成本價(jià)。夏季機(jī)組制冷熱回收運(yùn)行，“免費(fèi)”制取生活熱水，所以主要是冬季和過(guò)渡季機(jī)組高溫制熱運(yùn)行的成本。根據(jù)測(cè)算，物業(yè)公司目前按照20元/m3收取生活熱水費(fèi)用。

2.4 全年能耗

綜合冬夏季能耗可知：全年單位面積耗電量指標(biāo)為40.11kWh/m2，單位面積能源費(fèi)用為37.3元/m2，加上物業(yè)公司估算的每年維保成本3.7元/m2，合計(jì)約41元/m2。目前按照全年40元/m2收取住戶空調(diào)采暖費(fèi)，當(dāng)實(shí)行居民電價(jià)0.53元/kWh以后，實(shí)際全年成本為25元/m2。

該項(xiàng)目節(jié)能計(jì)算報(bào)告結(jié)果見表12，可以看出：分體空調(diào)的年耗電量反而少，這是因?yàn)樘炫镙椛?置換通風(fēng)的系統(tǒng)屬于“全時(shí)間、全空間”的空調(diào)方式，在整個(gè)空調(diào)/供暖期全時(shí)間全空間運(yùn)行，且二者計(jì)算的周期不一樣（分體空調(diào)計(jì)算時(shí)間：夏季從6月15日至8月31日，冬季從當(dāng)年12月1日至次年2月28日）。

表12 18#與19#樓模擬計(jì)算耗電量和地源熱泵系統(tǒng)實(shí)測(cè)值比較

結(jié)合生活熱水能耗考慮，由于熱泵機(jī)組制熱效率高于鍋爐，且機(jī)組夏季可回收空調(diào)冷凝熱，綜合來(lái)看，該系統(tǒng)還是有一定的節(jié)能效果。

除以上優(yōu)點(diǎn)外，該系統(tǒng)存在初投資較高，投資回收期較長(zhǎng)等缺點(diǎn)。不僅因地埋管、地源熱泵主機(jī)、天棚輻射盤管和置換通風(fēng)末端系統(tǒng)等設(shè)備方面增加的投資，且受輻射系統(tǒng)單位面積散冷/熱量較小的影響，對(duì)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工參數(shù)等方面也提出了嚴(yán)苛的要求。

3 結(jié)論

在實(shí)際入住率31.6%情況下，冬季耗電量指標(biāo)為16.48kWh/m2，夏季為 23.63kWh/m2，全年約為40.11kWh/m2，按商業(yè)電價(jià)0.93元/kWh時(shí)，能源費(fèi)用37.3元/m2。當(dāng)實(shí)行居民電價(jià)0.53元/kWh后，加上物業(yè)維保成本3.7元/m2，實(shí)際全年成本為25元/m2。由于未入住房間的空調(diào)系統(tǒng)依然開啟，且接近滿負(fù)荷運(yùn)行，所以該系統(tǒng)適用于入住率較高的住宅。在如今住宅小區(qū)入住率偏低的大環(huán)境下，既要滿足住戶舒適性的要求，又要降低空調(diào)系統(tǒng)能耗，可選擇分戶的小型地源或空氣源熱泵熱回收機(jī)組+戶式熱回收新風(fēng)換氣機(jī)。

本工程空調(diào)系統(tǒng)為“全時(shí)間、全空間”方式，在低入住率的情況下，空調(diào)/采暖總能耗較高，但由于該系統(tǒng)室內(nèi)人員整體舒適性較高，全年25元/m2的空調(diào)成本，目前存在一定的市場(chǎng)接受度。

[1]劉曉華,江億.溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2006

[2]張濤,劉曉華,張海強(qiáng).溫濕度獨(dú)立控制空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].暖通空調(diào),2011,41(1):1-8

[3]壽煒煒,張偉程,孫斌.溫濕度獨(dú)立調(diào)節(jié)技術(shù)在夏熱冬冷低區(qū)的應(yīng)用研究[J].暖通空調(diào),2012,42(5):1-5

[4]陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊(cè)(第二版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007

The De s ign a nd Ene rgy Cons um ption Ana lys is of the High Re s ide ntia l Air-c onditioning Sys te m in Cha ngs ha

CHEN Zhen1,XIA Zhuo-ping1,WANG Jian-min1,LIU Ming-yi2,FEI Liang-Bin2
1 Jiangsu Provincial Architectural Design&Research Institute Ltd.
2 Modern Land(Hunan)Co.,Ltd.

The project published by the ministry of Housing and Urban-Rural Development in 2007 is the demonstration residential buildings that utilize national renewable energy,using vertical ground heat exchanger design of ground-source heat pump system as cold and heat sources.Air-condition terminal device take ceiling radiation and displacement ventilation using rotary enthalpy recovery equipment.This paper did a detailed analysis that combine with the actual operating parameters of this system from 2012 to 2013.The result shows that the index of power consumption per unit area is 16.48kWh/m2in winter heating period,while,the index of power consumption per unit area in Summer heating period is 23.63kWh/m2,in hence,the whole year figure is 40.11kWh/m2.

renewable energy demonstration project,groundsource heat pump,ceiling radiation,displacement ventilation,operation analysis

1003-0344（2015）03-083-4

2014-5-15

陳震（1983～），男，碩士，工程師；江蘇省南京市建鄴區(qū)創(chuàng)意路86號(hào)江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司機(jī)電所（210019）；E-mail:jsadchen@126.com