彭淑英

某辦公樓和生產(chǎn)車間水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭淑英

（上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200434）

以水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在某辦公樓和生產(chǎn)車間的應(yīng)用為例，對空調(diào)冷熱源、循環(huán)水系統(tǒng)、輻射供暖供冷末端進(jìn)行了介紹。并從系統(tǒng)配置、運(yùn)行費(fèi)用等方面對辦公樓地埋管地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)與設(shè)置分體空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行比較，總結(jié)得出地埋管地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在節(jié)能保方面具備優(yōu)勢。

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)；輻射供暖供冷；地源熱泵；節(jié)能

0 引言

隨著人們生活水平的提高，對室內(nèi)環(huán)境舒適度的要求也越來越高，但建筑能耗所占的比例越來越大，而合理的空調(diào)形式、用能方式對建筑節(jié)能意義重大，因此，合理選擇建筑物的空調(diào)系統(tǒng)冷熱源及室內(nèi)采暖及空調(diào)形式是建筑節(jié)能的關(guān)鍵。暖通設(shè)計(jì)師應(yīng)就地取材，合理利用可再生能源，降低能源消耗。近幾年，水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)在我國得到廣泛應(yīng)用，而水環(huán)熱泵作為一種節(jié)能型空調(diào)系統(tǒng)已在諸多工程中成功應(yīng)用。

水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在制熱時(shí)以水為加熱源，而在制冷時(shí)以水為排熱源。這種空調(diào)系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可再生能源，排熱設(shè)備可采取天然冷源（如井水、河水、地下水）加換熱設(shè)備方案；（2）高效節(jié)能；（3）空調(diào)系統(tǒng)簡單，不需要主機(jī)房；（4）初投資少；（5）計(jì)費(fèi)方便，可實(shí)現(xiàn)分戶計(jì)量，滿足節(jié)能發(fā)展方向；（6）使用靈活，同時(shí)滿足制冷、制熱需求；（7）系統(tǒng)可靠性高，維修方便；（8）投資靈活，可實(shí)現(xiàn)分期分批投資。

本文以水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)在某辦公樓和廠房的應(yīng)用為例，對空調(diào)冷熱源、循環(huán)水系統(tǒng)、輻射供暖供冷末端進(jìn)行了介紹，為同類型的水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

1 工程概況及特點(diǎn)

該工程為德國獨(dú)資企業(yè)-某叉車有限公司新建廠房，建設(shè)地點(diǎn)位于上海市青浦區(qū)，聯(lián)合廠房包括單層高大車間和3層辦公樓，辦公樓緊貼生產(chǎn)車間。生產(chǎn)車間凈高最低處為8.0m，總高度為12.03m，辦公樓每層層高為3.7m。聯(lián)合廠房建筑面積約為39959.84m2，辦公樓建筑面積為3995.9m2。根據(jù)項(xiàng)目要求，辦公室設(shè)置舒適性空調(diào)；工作人員淋浴房設(shè)置生活熱水供應(yīng)；生產(chǎn)車間夏季設(shè)空調(diào)，室內(nèi)溫度要求不高于30℃，冬季不控制室溫。

圖1 建筑效果圖

2 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 負(fù)荷計(jì)算

利用天正暖通計(jì)算軟件計(jì)算各冷熱負(fù)荷。辦公樓夏季空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷為607kW，新風(fēng)負(fù)荷為177.9kW，冷負(fù)荷指標(biāo)為151W/m2；辦公樓冬季采暖計(jì)算熱負(fù)荷為257kW，新風(fēng)負(fù)荷為185.69kW，熱負(fù)荷指標(biāo)64.3W/m2。夏季空調(diào)計(jì)算冷負(fù)荷約1619kW，冷負(fù)荷指標(biāo)為46.8W/m2。室內(nèi)外計(jì)算參數(shù)見表1、表2。

表1 室外氣象計(jì)算參數(shù)

注：室外計(jì)算參數(shù)依據(jù)GB50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》確定。

表2 主要空調(diào)房間室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)的依據(jù)和思路

以GB50736—2012《民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》、《全國民用建筑工程設(shè)計(jì)技術(shù)措施暖通空調(diào)?動力》（2009版）通過對當(dāng)?shù)刭Y料的收集并結(jié)合業(yè)主使用要求，本著低運(yùn)行費(fèi)、可靠度高、調(diào)節(jié)靈活的原則，冷熱源采用水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，辦公樓末端采用地板輻射供暖/供冷盤管加水環(huán)熱泵輔助的方式，生產(chǎn)車間末端采用水環(huán)熱泵的方式，排除室內(nèi)余熱；辦公樓設(shè)置新風(fēng)系統(tǒng)排除余濕、異味，基本實(shí)現(xiàn)溫度與濕度的獨(dú)立控制。

2.3 空調(diào)冷熱源

本項(xiàng)目冷熱源根據(jù)服務(wù)用途可劃分為地板輻射供暖/供冷地源熱泵機(jī)組、辦公室廠房夏季供冷水源熱泵機(jī)組、辦公樓新風(fēng)水源熱泵機(jī)組，所有的水源熱泵機(jī)組都并聯(lián)在一個水環(huán)路系統(tǒng)上。

地板輻射冷熱源采用水源熱泵機(jī)組，冬季供應(yīng)28～25℃熱水。夏季供應(yīng)12～18℃冷水。辦公室冬季室內(nèi)熱負(fù)荷由地板輻射供暖方式承擔(dān)；夏季冷源一部分來自地埋管水源熱泵機(jī)組，夏季冷負(fù)荷不足的部分由小型水源熱泵器承擔(dān)?？照{(diào)冷熱源設(shè)置情況見表3。

表3 冷熱源

2.4 空調(diào)循環(huán)水系統(tǒng)

循環(huán)冷卻水環(huán)路分為兩路循環(huán)水，一路供給辦公室用循環(huán)冷卻水，一路供給生產(chǎn)車間用循環(huán)冷卻水，兩路循環(huán)冷卻水均配備變頻水泵，供給辦公室冷卻水變頻水泵一用一備，供廠房冷卻水泵變頻水泵兩用一備。循環(huán)水系統(tǒng)主要設(shè)備見表4。

表4 循環(huán)水系統(tǒng)主要設(shè)備

冬季只開啟地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)，循環(huán)水與地埋管—淺層地溫能資源換熱，在辦公樓旁邊綠化帶中有10口井。辦公樓夏季循環(huán)水由地埋管冷卻，不足部分由閉式冷卻塔給予補(bǔ)充。閉式冷卻塔作為夏季生產(chǎn)車間循環(huán)水的排熱設(shè)備。閉式冷卻塔與地埋管換熱系統(tǒng)并聯(lián)連接，實(shí)現(xiàn)夏季負(fù)荷高峰期時(shí)共同排熱，冷卻塔還起到調(diào)節(jié)土壤熱平衡的作用，保證地源熱泵系統(tǒng)長期穩(wěn)定高效運(yùn)行。空調(diào)水系統(tǒng)流程圖見圖2。

圖2 空調(diào)水系統(tǒng)圖

2.5 空調(diào)末端

辦公室采用地板輻射供冷/暖方式加小型水環(huán)熱泵機(jī)組輔助空調(diào)方式。冬季室內(nèi)熱負(fù)荷由地板輻射供暖方式承擔(dān)；夏季冷負(fù)荷不足的部分由小型水源熱泵空調(diào)器承擔(dān)負(fù)荷。也就是冬季只是地板輻射供熱系統(tǒng)運(yùn)行，地板輻射供冷/暖盤管為埋管式常溫輻射板。這些室內(nèi)設(shè)備只負(fù)擔(dān)排出余熱的任務(wù)。

辦公區(qū)集中選用3套（每層1套）低噪聲式水環(huán)熱泵機(jī)組加新風(fēng)空調(diào)箱機(jī)組給辦公樓提供新風(fēng)，排除室內(nèi)余濕及異味。新風(fēng)空調(diào)箱風(fēng)量每臺8000m3/h。

輻射供冷供暖方式加新風(fēng)系統(tǒng)的方式體現(xiàn)出了以下的優(yōu)點(diǎn)：冬季在熱輻射作用下，維護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面和室內(nèi)其他物體表面溫度，都比對流供熱時(shí)高，人體的輻射散熱相對減少，人的實(shí)際感覺比相同室溫對流供暖時(shí)舒服得多。由于直接滿足輻射負(fù)荷，而且室內(nèi)空氣的流動速度處于自然通風(fēng)水平，因此創(chuàng)造了舒適度優(yōu)于其他供暖和空調(diào)的綠色環(huán)境。室內(nèi)空氣的流動很低，沒有強(qiáng)烈對流，不會像其他對流供暖那樣導(dǎo)致室內(nèi)塵埃飛揚(yáng)，影響衛(wèi)生。供暖時(shí)室內(nèi)溫度梯度很小，不僅舒適性高，且圍護(hù)結(jié)構(gòu)上部的熱損失減少，供暖效果優(yōu)于對流供暖。由于有輻射強(qiáng)度和溫度的綜合作用，供暖負(fù)荷可減少15%左右，不僅節(jié)能，而且初投資和運(yùn)行費(fèi)減少。

3 地板輻射設(shè)計(jì)

3.1 地板輻射設(shè)計(jì)計(jì)算

下面介紹地板輻射設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

（1）首先根據(jù)每個房間的維護(hù)結(jié)構(gòu)冷負(fù)荷和室內(nèi)冷負(fù)荷確定每個房間輻射供冷的形式-地面埋管式常溫輻射供暖系統(tǒng)。其地面構(gòu)造由基層（結(jié)構(gòu)層—樓板或地面）、找平層（水泥砂漿）、絕熱層（上部輻射加熱管）、填充層（水泥砂漿或豆石混凝土）和地面覆蓋層（面層）等組成；在衛(wèi)生間的填充層和基層上設(shè)隔離層，地板輻射地面構(gòu)造分別見圖3。

圖3 地板輻射地面構(gòu)造

（2）根據(jù)每個房間設(shè)計(jì)負(fù)荷采用修正系數(shù)法確定輻射供暖時(shí)的熱負(fù)荷，確定輻射板的面積、管間距和管徑、管長等，反算夏季每個房間輻射板的地面輻射量和對流換熱量之和為夏季計(jì)算冷負(fù)荷的30%，剩余70%室內(nèi)負(fù)荷選擇小型水源熱泵空調(diào)器承擔(dān)。

（3）確定新風(fēng)量和計(jì)算新風(fēng)負(fù)荷，新風(fēng)量按50m3/(h?人)，每層設(shè)置一臺新風(fēng)機(jī)組，通過管井和水平風(fēng)管送進(jìn)各個房間，計(jì)算冬季新風(fēng)負(fù)荷為185.69kW。冬季新風(fēng)負(fù)荷大于夏季新風(fēng)負(fù)荷，按大值選擇新風(fēng)設(shè)備。夏季處理新風(fēng)出風(fēng)溫度為14℃，新風(fēng)采用整體新風(fēng)機(jī)加水環(huán)熱泵機(jī)組制備冷熱水與空調(diào)箱串聯(lián)模式，二次降溫處理，充分除濕。把出風(fēng)溫度將至送入室內(nèi)空氣不結(jié)露狀態(tài)。新風(fēng)機(jī)房布置見圖4。

圖4 新風(fēng)機(jī)房平面圖

（4）為了防止輻射板表面結(jié)露，通過控制水溫來保證板表面溫度高于露點(diǎn)溫度，采用ASHRAE Handbook 2000建議，供水溫度高于室內(nèi)空氣露點(diǎn)溫度0.5℃。并且結(jié)合頂部水環(huán)熱泵的送風(fēng)循環(huán)，達(dá)到室內(nèi)不結(jié)露的目的。

（5）地板輻射供暖供冷系統(tǒng)，在第一次供暖時(shí)，供熱溫度不應(yīng)高于室外氣溫11℃，且不得超過32℃，要讓熱水循環(huán)48h，然后逐日升溫3℃，直到達(dá)到設(shè)計(jì)值為止。

3.2 地面輻射的控制

根據(jù)節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范的要求，在滿足個性化要求的前提下，還應(yīng)激勵和提高人們節(jié)能意識，促進(jìn)行為節(jié)能的發(fā)展。為了取得最大的節(jié)能效果，達(dá)到最大限度的節(jié)省能耗，冬季室內(nèi)溫度必須能通過自動或手動進(jìn)行設(shè)定、調(diào)節(jié)和控制。本項(xiàng)目地板輻射供暖系統(tǒng)室溫的調(diào)控，采用“自力式溫度控制閥組”。也即在被控制房間的回水管上，設(shè)置自力式溫度控制閥組，通過溫控閥組來設(shè)定室內(nèi)溫度。

4 辦公樓空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能計(jì)算

4.1 計(jì)算依據(jù)

下面對辦公樓設(shè)置地埋管地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)與設(shè)置分體空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能計(jì)算及環(huán)境效益分析。計(jì)算按以下假定進(jìn)行：冬季供暖期60d，夏季制冷期90d，每天9小時(shí)運(yùn)行，電費(fèi)按0.8元/kWh計(jì)算，建筑物不同負(fù)荷百分?jǐn)?shù)的運(yùn)行時(shí)間見表5。

表5 建筑物不同負(fù)荷百分?jǐn)?shù)的運(yùn)行時(shí)間

4.2 分體空調(diào)系統(tǒng)配置及運(yùn)行費(fèi)用

（1）辦公選擇設(shè)置分體空調(diào)系統(tǒng)，分體空調(diào)系統(tǒng)配置見表6。

表6 分體空調(diào)加新風(fēng)系統(tǒng)配置表

（2）分體空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用分析見表7。分體空調(diào)系統(tǒng)全年單位面積運(yùn)行費(fèi)用為46.779kWh/(m2?a）。

表7 分體空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用

4.3 地埋管水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用

地埋管水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用及運(yùn)行分析見表8。地埋管水源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)全年單位面積運(yùn)行費(fèi)用為19.83kWh/(m2?a）。由此可見，相比分體空調(diào)系統(tǒng)46.779kWh/(m2?a）的全年單位面積運(yùn)行費(fèi)用，地埋管水源熱泵空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用大為減少。

表8 地埋管水源水環(huán)熱泵運(yùn)行費(fèi)用

5 結(jié)語

本項(xiàng)目全部建成于2014年5月，辦公部分總投資為210萬（包括地埋管及全部設(shè)備）。項(xiàng)目運(yùn)行情況良好，舒適度高，業(yè)主較為滿意。折合年運(yùn)行費(fèi)用約19.83元/m2，本項(xiàng)目也獲得了LEED認(rèn)證。

本項(xiàng)目空調(diào)采用了水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)冬夏季負(fù)荷不同的情況，采取冬季只開啟地埋管地源水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)，夏季閉式冷卻塔與地埋管換熱系統(tǒng)并聯(lián)連接的解決方案。辦公室空調(diào)采用的地埋管地源熱泵系統(tǒng)，夏季蓄熱、冬天蓄冷，屬可再生能源。末端采用輻射供暖/冷系統(tǒng)，夏季較高的供水溫度和冬季較低的供水溫度，使系統(tǒng)的COP值大幅提高。空調(diào)形式為各房間空調(diào)單獨(dú)控制，水系統(tǒng)集中控制，用戶端冷卻水采用變頻變流量系統(tǒng)，也達(dá)到節(jié)能的目的?？照{(diào)水、通風(fēng)系統(tǒng)采用了獨(dú)立的控制方式，既提高了使用的舒適性，又避免出現(xiàn)室內(nèi)濕度過高和過低的現(xiàn)象。隨著空調(diào)技術(shù)的多樣性，一些新的技術(shù)亮點(diǎn)和節(jié)能措施會不斷應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)中，應(yīng)成分考慮建筑的空調(diào)使用特點(diǎn)，業(yè)主的需求，合理配置系統(tǒng)，才能做出優(yōu)質(zhì)工程。

[1] GB50189—2005,公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:建筑工業(yè)出版社,2005.

[2] 陸耀慶.實(shí)用供熱空調(diào)設(shè)計(jì)手冊（第2版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[3] 馬最良,姚楊,楊自強(qiáng)等.水環(huán)熱泵空調(diào)系統(tǒng)（第2版）[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005

[4] GB50736—2012,民用建筑供暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

Application Analysis of Radiant Heating/Cooling in a Production Plant and Office Building

Peng Shuying

( Shanghai survey and design research institute Co., Ltd, Shanghai, 200434 )

Taking the application of water loop heat pump air conditioning system in a certain office building and production workshop as an example, the cooling and heating source of air conditioning, circulating water system and the cooling and heating end of radiant floor are introduced. And compared to the split air conditioning system between the system configuration, operation cost, the ground source water loop heat pump air conditioning system of the office building has advantages in energy conservation.

water ring heat pump; radiant heating and cooling; ground source heat pump; energy saving

TU831

A

1671-6612（2019）03-256-06

彭淑英（1966-），女，本科，高級工程師，E-mail：534251190@qq.com

2018-06-28