陳震夏卓平王建民柳明一費良斌

1江蘇省建筑設計研究院有限公司

2當代置業(yè)（湖南）有限公司

長沙某高層住宅空調(diào)系統(tǒng)介紹及運行能耗分析

陳震1夏卓平1王建民2柳明一2費良斌2

1江蘇省建筑設計研究院有限公司

2當代置業(yè)（湖南）有限公司

該工程為住房和城鄉(xiāng)建設部2007年國家重點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)輪熱回收置換新風系統(tǒng)。結(jié)合該系統(tǒng)2012年～2013年實際運行參數(shù)做了詳細的分析研究，冬季供暖期單位面積耗電量指標為16.48kWh/m2，夏季供冷期單位面積耗電量指標為23.63kWh/m2，全年為40.11kWh/m2。

可再生能源示范項目 地源熱泵 天棚輻射 置換通風 運行分析

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

1 設計說明

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+置換新風系統(tǒng)。該系統(tǒng)為溫濕度獨立控制，采用兩個相互獨立的系統(tǒng)分別對室內(nèi)的溫度和濕度進行調(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一步提高，達到節(jié)能、舒適和提高室內(nèi)空氣品質(zhì)的目的[1～3]。

本工程外圍護結(jié)構(gòu)采取了較好的被動節(jié)能措施，室內(nèi)溫度場受外溫波動影響較小；采用天棚輻射末端方式，室內(nèi)垂直溫度梯度小，無明顯的吹風感，人的實際感覺比相同室溫對流換熱時舒適得多；置換通風系統(tǒng)，新風由地板送風口送出，污濁空氣由設置于房間頂部的排風口排出，人員活動處于相對清潔的空氣環(huán)境中，提高了活動區(qū)空氣品質(zhì)；噪音較低，不會產(chǎn)生空調(diào)器、風機盤管等無法避免的噪音[4]。

1.1 空調(diào)負荷及生活熱水負荷

天棚輻射系統(tǒng)：夏季冷負荷為920kW，冬季熱負荷為730kW；獨立新風系統(tǒng)：夏季冷負荷為1150kW，冬季熱負荷為700kW；生活熱水按50L/人·天計算，冬季小時耗熱量為450kW，春秋季為363kW，夏季為236kW。

1.2 地埋管系統(tǒng)

根據(jù)地質(zhì)勘察熱響應報告：φ130實驗井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。地埋管設計長度依據(jù)冬季空調(diào)熱負荷及生活熱水負荷來計算，并考慮一定的富余量，設計地埋管總長度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，本工程設計一臺175t/h的閉式冷卻塔作為補充冷卻源。

1.3 地源熱泵機房系統(tǒng)

選用五臺地源熱泵機組（編號為：GSHP-1、2、3和全熱回收機組GSHP-4、5）。其中GSHP-1、2為高溫冷水機組，夏季提供16/21℃的冷凍水，通過旁通供應18/21℃的天棚輻射冷水，冬季提供33/28℃熱水，通過旁通供應31/28℃的天棚輻射熱水。GSHP-3、4、5夏季同時提供7/12℃的低溫冷凍水供新風機組冷凍除濕和一層入口門廳吊裝空調(diào)箱，同時熱回收機組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)熱水供新風機組和一層入口門廳吊裝空調(diào)箱，兩臺熱回收機組GSHP-4、5提供60/55℃的生活熱水。原設計的地源主機冬季、夏季運行模式分別見表1和表2。

表1 地源主機冬季運行模式（原設計）

表2 地源主機夏季運行模式（原設計）

過渡季節(jié)制生活熱水，開啟GSHP-4和GSHP-5其中一臺或兩臺高溫制熱運行。通過以上設備選型，夏季新風總制冷量為1186.6kW，生活熱水熱回收量為264.8kW；冬季新風總制熱量為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。冬季新風制熱量超過了設計計算負荷14.8%，主要是設備選型造成的冷熱負荷不匹配。

地源主機在招標采購時做了一定調(diào)整，調(diào)整后的機組制冷量都增大了，后文的測試數(shù)據(jù)均來自調(diào)整后的主機運行參數(shù)，具體調(diào)整如表3和表4。

表3 地源主機冬季運行模式（實際運行）

表4 地源主機夏季運行模式（實際運行）

1.4 獨立新風系統(tǒng)

空調(diào)新風采用轉(zhuǎn)輪式熱回收新風機組，分別設于地下室和屋頂，向上/向下送入各套住宅內(nèi)。新風機組回風來自衛(wèi)生間及廚房豎向的排風。夏季新風除承擔室內(nèi)濕負荷外，還承擔了部分顯熱負荷。新風機組設回風段、粗中效過濾段、全熱回收段、表冷段、鋁合金濕膜加濕段、送風機段、消音段、檢修中間段等，具有對空氣進行冷卻、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)計算負荷的大小布置，每一回路盤管設有流量調(diào)節(jié)裝置（與分集水器一體化）。

新風由設在屋頂或地下室的新風機組通過豎管送至戶內(nèi)，為保證各戶的新風量恒定，每戶的連接支管上設定風量閥，單個房間的新風支管均為φ75的PE雙壁波紋管不燃風管，沿地面敷設，新風口安裝于室內(nèi)靠外窗的地面上，出風口風速小于0.3m/s。

2 運行分析

2012年底實際入住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)測能耗為研究對象，對該系統(tǒng)節(jié)能性做出詳細分析。

物業(yè)公司對系統(tǒng)能耗做了詳細計量，包括地源主機、水泵、新風機組等主要設備運行參數(shù)。實際運行期間，未入住房間新風系統(tǒng)開啟，天棚輻射系統(tǒng)關(guān)小運行，長沙地區(qū)電價為0.93元/kWh（前兩年按商業(yè)電價計，之后由業(yè)主委員會申請后調(diào)整為居民電價）。

2.1 冬季采暖能耗

天棚系統(tǒng)運行時間從2012年11月12日至2013年3月4日，總共112天；新風系統(tǒng)從2012年11月9日到2013年4月7日停止，總共運行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

整個冬季供暖期耗電量指標為16.48kWh/m2，單位面積能源費用為15.32元/m2，相對于常規(guī)居住建筑空調(diào)系統(tǒng)來講，雖然系統(tǒng)綜合能效比較高，但系統(tǒng)一直不間斷運行，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；獨立新風系統(tǒng)從2013年5月2日運行至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)測的，記錄數(shù)據(jù)中地源水最高供水溫度達到36℃，可見夏季增設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為23.63kWh/m2，單位面積能源費用為21.98元/m2。

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

表9 地源主機運行參數(shù)

夏季新風系統(tǒng)主機GSHP-3運行平均COP=3.70，供回水溫差△t=3℃；天棚輻射系統(tǒng)主機GSHP-1、GSHP-2運行平均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)負荷較小，主機長期在低負荷工況下運行，循環(huán)水泵變頻措施未安裝到位等。

實際運行新風系統(tǒng)累計制冷量和天棚輻射系統(tǒng)累計制冷量占總耗冷量比例分別為62.2%和37.8%，而空調(diào)負荷計算時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行參數(shù)，由于缺乏生活熱水總用水量，不能詳細計算出冬季每立方米生活熱水的成本價。夏季機組制冷熱回收運行，“免費”制取生活熱水，所以主要是冬季和過渡季機組高溫制熱運行的成本。根據(jù)測算，物業(yè)公司目前按照20元/m3收取生活熱水費用。

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為40.11kWh/m2，單位面積能源費用為37.3元/m2，加上物業(yè)公司估算的每年維保成本3.7元/m2，合計約41元/m2。目前按照全年40元/m2收取住戶空調(diào)采暖費，當實行居民電價0.53元/kWh以后，實際全年成本為25元/m2。

該項目節(jié)能計算報告結(jié)果見表12，可以看出：分體空調(diào)的年耗電量反而少，這是因為天棚輻射+置換通風的系統(tǒng)屬于“全時間、全空間”的空調(diào)方式，在整個空調(diào)/供暖期全時間全空間運行，且二者計算的周期不一樣（分體空調(diào)計算時間：夏季從6月15日至8月31日，冬季從當年12月1日至次年2月28日）。

表12 18#與19#樓模擬計算耗電量和地源熱泵系統(tǒng)實測值比較

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

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

3 結(jié)論

在實際入住率31.6%情況下，冬季耗電量指標為16.48kWh/m2，夏季為 23.63kWh/m2，全年約為40.11kWh/m2，按商業(yè)電價0.93元/kWh時，能源費用37.3元/m2。當實行居民電價0.53元/kWh后，加上物業(yè)維保成本3.7元/m2，實際全年成本為25元/m2。由于未入住房間的空調(diào)系統(tǒng)依然開啟，且接近滿負荷運行，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組+戶式熱回收新風換氣機。

本工程空調(diào)系統(tǒng)為“全時間、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接受度。

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

[2]張濤,劉曉華,張海強.溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)設計方法[J].暖通空調(diào),2011,41(1):1-8

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

[4]陸耀慶.實用供熱空調(diào)設計手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(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號江蘇省建筑設計研究院有限公司機電所（210019）；E-mail:jsadchen@126.com