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“雙碳”目標(biāo)下住宅小區(qū)的暖通設(shè)計

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

、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。

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L1L2
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


、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)
。考慮到建造成本
,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

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