翟淼

同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司

溫濕度獨立控制的空調(diào)系統(tǒng)由潛熱處理與顯熱處理兩個系統(tǒng)組成，新風(fēng)承擔(dān)室內(nèi)濕負荷，顯熱負荷由室內(nèi)干式末端承擔(dān)。溶液調(diào)濕的新風(fēng)處理裝置具有高效節(jié)能、健康舒適、控制精確等優(yōu)點，日益被設(shè)計人員重視，特別是在多雨潮濕的江南地區(qū)表現(xiàn)良好。用于排除室內(nèi)顯熱負荷的冷源，只需要提供14～19℃的高溫冷水即可滿足要求，因此溶液調(diào)濕技術(shù)與地源熱泵相結(jié)合的系統(tǒng)是一種可以充分發(fā)揮溫濕度獨立控制空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)勢的配置方案[1-2]。

1 工程背景

工程所在地上海市，為某倉庫建筑修繕設(shè)計?；毓舶齻€單體，分別為倉庫，廠房和空壓站。其中倉庫建造時期早于二十世紀二十年代，其工業(yè)特征明顯，具有較高的藝術(shù)價值。廠房建造于二十世紀七十年代，空壓站建造于二十世紀八十年代。三個單體具有重要的歷史意義。

2 修繕原則

由于設(shè)計對象的特殊性，暖通設(shè)計要在不影響建筑風(fēng)格和修繕要求的前提下，滿足室內(nèi)的溫濕度要求，同時要考慮進一步為優(yōu)秀歷史建筑提供保護。

3 工程概況

原倉庫地上五層，均為大空間展區(qū)及商業(yè)區(qū)，原廠房地上三層，為商業(yè)、展覽功能，空壓站為地上三層，為配套辦公區(qū)域。修繕后的總建筑面積為10436 m2。

4 設(shè)計計算參數(shù)

1）室外計算參數(shù)

夏季空調(diào)34.4℃，濕球溫度27.9℃，冬季空調(diào)-2.2℃，相對濕度75%。

2）室內(nèi)計算參數(shù)

表1為室內(nèi)計算參數(shù)。

3）空調(diào)負荷計算

經(jīng)計算，本工程的夏季冷負荷（含新風(fēng)）為1024 kW，其中室內(nèi)夏季顯熱負荷為541.2 kW，冬季熱負荷（含新風(fēng)）為535 kW，冬季室內(nèi)熱負荷為321.5 kW。

5 冷熱源選擇

5.1 方案確定

本工程采用地埋管地源熱泵系統(tǒng)。建筑物周邊有較大面積的綠地，可作為埋管區(qū)域?？拷G地的區(qū)域有地下室，可設(shè)置機房，既靠近埋管區(qū)域縮短管線敷設(shè)長度，節(jié)省了投資，又可以避免機器運行對其他區(qū)域的影響。

5.2 主機選型

選用2臺名義制冷量 297 kW，名義制熱量316 kW的螺桿式地源熱泵機組，機房設(shè)置在地下一層，夏季供回水溫度12/17℃，冬季供回水溫度45/40℃。根據(jù)全年冷熱平衡計算，全年排熱量多于吸熱量，故設(shè)置一臺65 m3/h的閉式冷卻塔設(shè)于綠化內(nèi)，通過調(diào)整冷卻塔的使用時間來滿足土壤的熱平衡。

5.3 地埋管系統(tǒng)

本工程采用鉆孔埋管形式。鉆孔埋管采用并聯(lián)單U型埋管，根據(jù)地源熱泵夏季冷凝熱排放量計算，需設(shè)置埋管井177個，有效深度100 m，按照5 m×5 m間距埋設(shè)管徑為De32，具體埋管見圖1。

圖1 埋管區(qū)域示意圖

6 末端

6.1 系統(tǒng)劃分及空調(diào)方式

1）原倉庫各層均為大空間展區(qū)及商業(yè)區(qū)，考慮到區(qū)域功能及空調(diào)舒適性，該單體采用熱泵式溶液全空氣空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)設(shè)備均設(shè)置在每層的集中機房內(nèi)。

2）原廠房、空壓站采用干式風(fēng)機盤管+熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機組的空調(diào)形式。

6.2 空氣處理過程

1）溶液全空氣空調(diào)系統(tǒng)

圖2為溶液全空氣空調(diào)系統(tǒng)示意圖。夏季，高溫高濕的新風(fēng)在全熱回收單元中以溶液為媒介和排風(fēng)進行熱交換，新風(fēng)被初步降溫除濕，然后進入除濕單元進一步除濕。新風(fēng)單獨處理至低濕狀態(tài)后與回風(fēng)混合，通過外界提供的高溫冷水（12/17℃）對混合空氣進行降溫，達到送風(fēng)狀態(tài)點（圖3）。冬季，低溫干燥的新風(fēng)在全熱回收單元中以溶液為媒介和排風(fēng)進行熱交換，新風(fēng)被初步加熱加濕，然后進入加濕單元進一步加濕。濕潤的新風(fēng)與回風(fēng)混合，通過外界提供的熱水（45/40℃）對混合空氣進行加熱，達到送風(fēng)狀態(tài)點（圖4）。

圖2 溶液全空氣系統(tǒng)示意圖

圖3 典型房間的夏季處理過程

圖4 典型房間的冬季處理過程

表2為溶液全空氣空調(diào)箱選型的參數(shù)。

圖5 溶液新風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2）干式風(fēng)機盤管+熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)機組

新風(fēng)系統(tǒng)負荷由帶全熱回收的熱泵式溶液除濕新風(fēng)機組承擔(dān)。夏季，由熱泵式溶液調(diào)濕新風(fēng)模塊對新風(fēng)進行獨立除濕，承擔(dān)室內(nèi)濕負荷，同時去除室內(nèi)VOC，異味及細顆粒物，冷凍水承擔(dān)室內(nèi)顯熱負荷。冬季，新風(fēng)機組獨立承擔(dān)新風(fēng)負荷，并對新風(fēng)進行加濕，室內(nèi)負荷由地源熱泵熱源承擔(dān)。系統(tǒng)原理圖如圖5所示，溶液新風(fēng)機選型參數(shù)如表3所示。

6.3 氣流組織形式

原倉庫各層采用上送風(fēng)、機房高位側(cè)回風(fēng)的送回風(fēng)方式，風(fēng)口選用方形散流器，百葉風(fēng)口回風(fēng)。原廠房、空壓站采用上送上回，新風(fēng)口選用散流器，回風(fēng)選用百葉風(fēng)口。為了充分展示歷史建筑的原貌，所有風(fēng)管、設(shè)備均明裝，所以在風(fēng)管、設(shè)備的選用上盡量做到使用功能與美觀性的統(tǒng)一。

7 空調(diào)水系統(tǒng)

空調(diào)冷熱水系統(tǒng)采用二管制，豎向異程，水平同程，一次變流量系統(tǒng)，末端變流量運行，并在供回水干管之間設(shè)置壓差旁通控制。空調(diào)冷凍水系統(tǒng)主機側(cè)定流量運行。空調(diào)機組末端采用動態(tài)平衡電動兩通調(diào)節(jié)閥，風(fēng)機盤管末端設(shè)置溫控開關(guān)式電動兩通閥。冷熱水管道風(fēng)機盤管和空調(diào)箱支環(huán)路分開設(shè)置，各風(fēng)機盤管支環(huán)路處設(shè)自力式壓差平衡閥。水系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 水系統(tǒng)原理圖

8 經(jīng)驗與總結(jié)

1）冷熱源配置。由于工程所在地為夏熱冬冷的上海地區(qū)，對于商業(yè)建筑來說，夏季的顯熱負荷（541.2 kW）遠大于冬季的顯熱負荷（321.5 kW），按照冷負荷來選擇地源熱泵機組會造成夏季向土壤中釋放的熱量要大于冬季從土壤中吸收的熱量，因此必須通過增加輔助冷卻塔來避免土壤熱環(huán)境的惡化，通過調(diào)整冷卻塔的運行時間來控制機組向土壤中釋熱，實現(xiàn)土壤的熱平衡。如果將冷熱源的配置調(diào)整為地源熱泵+高溫冷水機組的模式，以冬季熱負荷作為地源熱泵的選擇依據(jù)，也是一種比較常見的配置模式。不過兩種方案也各有利弊，選擇兩臺熱泵機組，在冬季的運行會更加可靠，且兩臺同樣型號的機器更有利的水泵、機組的控制與調(diào)節(jié)，但也會增加室外埋管空間，投資較大，輔助冷卻塔的開啟、運行時間也給控制帶來一定難度。采用地源熱泵+高溫冷機的方案，可以節(jié)省室外埋管的投資，簡化冷卻水側(cè)的控制，但也會帶來水泵型號增多，負荷側(cè)控制調(diào)節(jié)難度加大，土壤熱環(huán)境失衡的問題。筆者認為在建筑物體量不大或者在經(jīng)過充分熱平衡計算的前提下，選擇地源熱泵+高溫冷機的方案會較為經(jīng)濟合理，但也要注意兩種主機的容量匹配問題。

2）末端防結(jié)露控制。由于本工程定位為商業(yè)展覽建筑，作為主要濕負荷來源的人，流動性較大，會造成濕負荷始終處于不穩(wěn)定的狀態(tài)，且由于要維持歷史建筑的原貌，末端均為明裝，結(jié)露是需要著重考慮的問題。因此，在設(shè)計中，干末端均選用帶有凝水盤的風(fēng)機盤管，在得熱量相對較少的區(qū)域安裝溫度探測器，防止末端供冷表面的最低溫度低于室內(nèi)露點。在運行策略的制定中，優(yōu)先開啟溶液調(diào)濕新風(fēng)機，待室內(nèi)露點溫度低于盤管供水溫度后，再開啟干末端。

3）末端、冷源的選型。根據(jù)筆者以往的經(jīng)驗，在缺乏樣本參數(shù)的條件下，往往會參照傳統(tǒng)末端干工況運行條件下的參數(shù)進行選型。根據(jù)文獻[3]，對于溫濕度獨立控制的空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)選用專門的干式末端以實現(xiàn)最佳的運行效果。在機組的選型上，也應(yīng)選用高溫型機組，而不是選擇常規(guī)的機組在高溫工況下運行。理論上提高常規(guī)機組的蒸發(fā)溫度似乎可以提高機組效率，但是根據(jù)一些研究[3]，常規(guī)冷機限定冷凍水出口水溫不高于12～14℃，很難用于高溫出水或難以在高溫出水工況下保持良好的性能，因此設(shè)計師在高溫冷源的選擇上也要特別注意。