某大型住宅科技系统机电一体化设计探讨

本文从高效机房和节能运营的视角对某科技住宅的温度调控系统和湿度调控系统展开技术讨论，对关键性暖通设备选型计算。讨论了土壤源热泵的辅助冷却塔的运行策略。同时对能源中心、新风处理机组BA控制提出控制要点。为科技住宅“机电一体化”设计提供实例参考。

撒世忠

版权归原作者所有，侵权请联系删除

0

引 言

近十五年来，以朗诗、当代、金茂、葛洲坝等为代表的地产开发企业，在中国经济发达地区建设了较多科技型住宅项目。所谓“科技住宅”主要是指综合采用复合土壤源热泵技术、地板置换新风技术、顶棚辐射（或毛细管辐射）供冷供热等技术，对住宅建筑群实现集中制冷制热的科技型住宅。科技住宅采用多种建筑技术浑然一体，是温湿度独立控制技术 （THIC） 的经典理念和成熟案例。

以苏州某科技精装修住宅为例，该项目共有10栋18层高层住宅组成，建筑空调计算面积为 99983.87m2，本项目为集中空调系统，采用土壤源热泵空调系统+封闭冷却塔提供冷热源，采用顶棚辐射管（辐射供冷供热）+地板送新风（夏季除湿冬季加湿）来解决室内温湿度，新风处理机组均设置在18层屋顶。本文以该项目为例，对该科技住宅机电一体化设计的重点展开分析。

1

复合土壤源热泵能源站设计

苏州市处于夏热冬冷地区，建筑冷负荷大于热负荷，且供冷期大于供热期，为平衡土壤源侧土壤热平衡，土壤源热泵空调系统一般采用单冷主机+开式冷却塔+土壤源热泵主机的复合形式，或采用土壤源热泵主机+闭式冷却塔的空调形式，本项目采用后者。

采用鸿业负荷计算软件，本项目的计算总冷负荷为 5645.5 KW（其中天棚辐射冷负荷为 2829.5 KW，新风冷负荷为 2816 KW），单位冷负荷为 56.5 W/m2，计算总热负荷为 3293.7 KW（其中天棚辐射热负荷为 1439.6 KW，新风热负荷为 1851.1 KW），单位热负荷为 32.9 W/m2。

土壤源机房内配置2台新风用土壤源热泵主机，制冷量 1419 KW，制冷功率 280.2 KW，夏季供回水温度 7-12 ℃；制热量 1571 KW，制热功率 331 KW；设置2台顶棚辐射用土壤源热泵主机，制冷量 1398 KW，制冷功率 213.5 KW，夏季供回水温度 16-21 ℃夏季蒸发器流量 64.97 L/s，夏季冷凝器流量 75.28 L/s；制热量 1160 KW，制热功率 175 KW。土壤源主机冷凝器侧局部阻力为 8 m。共设置5台地源侧水泵，单台水泵流量为水 323 m3/h，泵扬程为 32 m，机房系统图如图1所示。

∧图一 盛泽某科技住宅土壤机房系统图

1.1 地埋管换热器的设计

根据热响应测试报告，地块内 0.000-60.000 m均为粉质黏土或粉质黏土带沙， 60.000-125.000 为粉沙。岩土平均导热系数为 1.62 W/m℃，岩土平均温度为 17.4℃。地埋管每延m吸热量为 40 W/m，每延m放热量为 57.85 W/m。住宅24h运行，按照0.75运行份额取值，计算吸热量为 30 W/m，计算放热量取 43.39 W/m。采用基坑内埋管，并采用非集管换热器，采用HDPE单U型De32地埋管换热器，换热器有效长度为 120 m [1]。本项目原设计采用2台专用土壤源热泵机组提供集中生活热水，后经过论证取消。住宅生活热水采用每户燃气热水器独立供应。

本项目为复合土壤源热泵系统，冬季工况下地埋管换热器和土壤源热泵主机对应，满足冬季项目热负荷需求，夏季工况冷却负荷不足部分，由辅助冷却塔来承担。因此根据冬季运行工况来选择地埋管换热器数量，制热所需地埋管换热器数量为：

Qh=Q1×（1-1/COPh）（1）

Lh=1000×Qh/qh  （2）

N=Lh/120（3）

则：

((1160-175+348-55.6)+(1571-331+446-113.8))×1000/30/120 =791 口

地埋管换热器一般考虑10%的设置余量，项目实施为采用单U型井深120m的地埋管换热器870个。最终项目实施维持了原设计940口井。

地埋管设置在基坑底下2m处，当地源侧水泵处于工作状态时，最低点的最大压力为：

H=120+2+（32-8）/2=134m

=1.3Mpa <管道的承压1.6mpa < pan>

当闭式冷却塔（冷却塔位于大地库顶板室外地面上）参与工作时，最低点的最大静压

H=130+6.5+6

=142.5m <管道的承压能力1.6mpa[2]。 < pan>

此时系统也处于安全运行状态。根据地源热泵技术规程规定的水压试压规定原则，该项目的试验压力可达到1.93Mpa。但实验压力仅为短暂的压力，虽地埋管底部承压能力大于1.6Mpa，但不至于损坏地埋管换热器。笔者调查发现，实际现场施工人员为安全起见一般按照1.6Mpa进行试压。

1.2 辅助冷 却塔的选型

根据夏季工况来选择地埋管换热器的数量，计算如下[3]：根据排热平衡，辅助冷却塔的选型如下：

2×((1419+280.2)+(1398+213.5))

=940×0.04339×120+Q

需经过冷却塔排出的热量为：Q=1727KW

仅仅考虑土壤热平衡，可选择28℃标准湿球温度下300m3/h冷却塔，如果考虑夏季运行策略，假定一台新风土壤热泵主机单独由冷却塔来冷却，可选择28℃标况下的冷却塔流量为：400m3/h。

2

温湿度调控系统的设计

温湿度独立控制系统是否从冷热源主机就将温度控制系统和湿度控制系统分开设置，需看系统规模，笔者认为对于大于2万m2（以江苏省大项目公共建筑定义为依据）的项目拟将主机分开设置，其中温度控制系统采用高温冷水供冷，湿度控制系统采用常规水温供冷。夏季最终新风处理状态需根据项目类型和采用的新风处理机组类型分情况而定。

2.1 新风处理状态点的探讨

本项目的新风采用冷冻除湿，送风状态点取11.2℃，d0=8g/kg（a）[4]；即室内送风点含湿量d0=8g/kg（a）。以确保住宅必须的除湿要求，及保证送风口不结露的要求。溶液除湿和转轮除湿可以将新风状态点处理到4-6g/kg（a）左右，科技住宅本身保温封闭性能较好，无渗透损失，且近年来多采用冷冻除湿和双冷源除湿型新风机组，因此能处理到d0=9g/kg（a）以下[5]，能满足住宅项目夏季人体对温湿度的需求。

2.2 系统新风量的确定

应根据为满足室内卫生状况所需要的新风量X1；为满足室内保持正压（换气次数）所需要的新风量X2；室内整体除湿需要的新风量X3，三者取最大值X=Max（X1,X2,X3）以满足总体新风量的要求。人员需要的新风量按照30m3/h/人计算；除湿需要的新风量按照每个房间2人；客厅饭厅3-5人散湿量+3-5人食物散失量总体计算；换气次数计算规则如下：S包含厨房和卫生间在内的所有空间的套内面积，高度H取装饰完成面至顶棚板底高度；换气次数拟取0.6-0.85次，不同建设单位取值标准有一定差异。取值小，新风机组的能耗降低，增加了系统调试难度；取值大，新风能耗大，系统调试难度较低，每个住户分配的新风量容易平衡，每个房间分配的新风量容易满足。笔者认为，由于新风机组送排风机均为变频调节，设计风量可按照换气次数≦0.85次计算，且最终选择风机时，不需要再考虑安全系数。风系统调试时可在保证风量平衡的情况下适当降低风机频率来达到节能的目的。

2.3 水系统节能要点分析

水力平衡是保证水系统高效节能的重要方面。本项目10栋住宅共有末端顶棚辐射回路3436个，每个回路流量为4L/min；在每栋楼总回水管上设置静态平衡阀；对于末端每个楼栋的顶棚辐射供回水总流量，可事先计算好每栋楼的总回路数和名义总流量，通过静态平衡阀的测试孔测试流量调整平衡阀开度，调整进入每栋楼的名义总流量，保证到每栋楼的总流量和设计数值相符。每个楼栋每户未设置静态平衡阀，主要靠分集水器的浮子进行流量调节。土壤侧水泵总流量为4×323m3/h，整个地块地埋管换热器的设置分为A、B、C、D四个区，每个土壤源二级分集水器为20个回路，每个分集水器的回水管上设置静态平衡阀，每个回路的名义流量为7.64L/s土壤侧的水力平衡和楼栋水力平衡采用相同的方法。

输送能耗的节约也是节省能耗重要举措。近两年来倡导采用高效机房，采用多种手段提升机房能效。温湿度独立控制系统的机房往往将温湿度分开设置，分别采用了高温和常温冷水机组，从设计方法理念上保证了主机运营的高效性。输送能耗占主机能耗的20-40%，系统输送能耗的节省也是高效机房毫无争议的重要组成方面。本项目顶棚辐射回路和新风系统回路水管管径的比摩阻均控制在150Pa，机房内管径按照控制流速选型，流速控制在1.5m/s以下，减少机房内的局部阻力和沿程阻力。

夏季顶棚辐射水温的控制是保证安全运行和节能运行的重要措施，表一列出了不同水温下顶棚主机的能效。

∨表一 夏季不同出水温度下的顶棚辐射主机能效

从表中可以看出，在满负荷情况下，供回水温度提高1℃，制冷量和系统COP均有提升，夏季在满足室内温湿度的情况下，可调整顶棚辐射主机的出水温度,可提升节能效果。

顶棚辐射水系统需采用二级泵系统。主机的出水温差为5℃，末端顶棚辐射的设计温差为2-3℃。如采用一级泵，势必一台顶棚辐射主机配置的水泵流量将达到671-447m3/h，在40m扬程的情况下运行，输送能耗较大。如采用二级泵系统，一次泵流量和扬程为：268m3/h，15m；二次泵变频运行，流量和扬程为480m3/h，24m，一二次泵水泵效率较高，节能效果较一次泵好。从表二选型可以看出，针对本项目采用二级泵总功率数小于一级泵功率。

∨表二  一二级泵选型的功率比较

3

能源站的电力供应及运行策略分析

科技住宅能源站一般采用专用变电所供电。设置专变后，供电设计一般将住宅地下室防火分区内的电力负荷也纳入专变范畴。例如本项目的土壤源热泵总负荷仅为1420KW，并入地下车库用电负荷后，共申请了2×1600KVA的容量。此时如土壤源热泵用电设备申请了优惠的蓄能空调电力政策，专变的计量方式可采用总负荷高供高计，土壤源热泵用电设备可采用低压侧单独分时电表的计量方式。

3.1 科技住宅变配电设计要点阐述[6]

科技系统专用变压变电所要求靠近地源热泵能源站设置，以节省电力投入。由于天棚及新风土壤源热泵机组用电负荷较大，分别为630A和800A，提倡采用载流量大的母排进行配电。本项目原设计4台主机低压配电方式为：变电所低压配电屏出线到地源机房内的独立开关柜，再从开关柜出电缆到主机自带的控制柜。笔者认为只要和主机厂家确认主机自带的控制柜内有完善电气保护装置，可从变电所配电屏直接出母线，直接连接主机自带的控制柜即可，省去了中间开关柜，节省了造价，且大功率设备采用独立母线供电，可靠性更高。经过论证和协调，最后设计院接受了笔者的提意，四台主机采用变电所低压出线直接为主机控制柜供电的方式。

科技住宅，由于户内无传统住宅普通空调用电负荷，全部集中到专用变电所内供电。此时户内PZ30箱负荷减半，整个居配变供配电选型将大大降低，笔者就本项目分析表明，720户居民套内供配电造价对比考虑空调动力负荷将降低158.22万元，分摊到每户约为2200元。咨询了数十个江苏省内的科技住宅项目发现，供电局并没有因为采用科技住宅而降低户内负荷，仍然按照标准户型进行相应的配电。投资商不仅要增设专门的专变为科技系统的能源机房供配电，住户端的负荷却没有减少。基于此，从客观问题分析的观点看，住户内用电部分，不仅增加了投资单位的成本，也增加了社会投资成本，不符合科技住宅空调系统用电设备的一般规律。建议供电局相关部门能出台相应科技住宅类建筑的户内配电标准。

3.2 基于电力政策的系统运行策略探讨

土壤源热泵空调系统的本质是利用土壤为蓄能载体，往复在冷热交替应用过程中实现能源的可再生化和高效利用。以浅层大地土壤作为热泵的冷热源的土壤源热泵技术是一种可实现能量“夏灌冬取”和“冬灌夏取”的跨季节性地下土壤动态蓄能过程。当前，江苏区域科技住宅土壤源热泵空调享受了蓄能空调的电力政策，即土壤源热泵机房内的用电负荷为8：00-24：00为平价电0.5383元/度；0：00-8：00为0.2594元/度。

为维持土壤热平衡，及全年最大限度节能，辅助冷却塔的运行策略有两点要求[7]：一是在初夏和秋季此时室外湿球温度较低，此时在尽量多的时段开启冷却塔，此时冷却塔的风扇开启率低；二是可在夏季0：00-8：00开启，此时湿球温度较低，且可享受低谷电价政策。

4

控制系统关键点分析

科技住宅采用温湿度独立控制系统，且采用顶棚辐射（混凝土埋管，热惰性大，不便于末端设置防结露控制）作为温度控制系统大自控系统的设计区别于传统水系统空调的关键有如下几点：一是基于新风机组夏季除湿的重要性，新风机组需始终保持必要的风量又要体现节能；二是顶棚辐射系统基于输送能耗的节能性，需调整好二次泵的运行策略，并在夏季需限定最低出水温度，避免室内结露的风险；三是作为土壤源热泵空调系统，需考虑地埋管换热器周围土壤的热平衡性[8]。

4.1 新风机组的控制要点

新风机组采用就地DDC控制和远程监视相结合的方式，新风机组厂家提供就地DDC控制器及远程监视端口。通过送风温湿度（回风温湿度进行监视）与设定温湿度进行比较，同时对冷热水阀进行PID调节和加湿器进行控制，来控制室内湿度；过渡季节或疫情期间，关闭转轮，打开旁通阀，实现节能运行或抗疫情运行。

新风机组采用三级过滤（中效过滤为静电过滤），不同于常规新风机组的是，初效和亚高效过滤必须设置数字压差旁通仪，实现压差报警，并须及时更换或清洗过滤器，防止因过滤器堵塞，导致新风量减少，造成室内除湿能力不够，进而导致夏季室内大面积结露的现象发生。

∧图二 新风机组的控制

4.2 能源站BA控制的两个关键点分析

由于顶棚辐射水系统采用了二次泵，系统末端的供水温度归结为顶棚辐射的供水温度与平衡管回水温度混合后的温度，通过二次泵侧供水温度T2的设定，改变二次循环泵的频率获得的水温与设定水温值进行比较，以调节供水温度，并设定最低出水温度，保证负荷侧房间内不结露，同时根据室外气候的变化，通过二次循环泵调节调整负荷侧的水流量来达到调节室温的目的。

∧图三 二次泵变频控制出水温度

除监测土壤侧回水温度≦30℃外，通过土壤侧季节性排热与吸热计量装置的研发[9]，量化监测每年夏季向地下土壤的排热量，监测冬季从地下土壤的吸热量，加以分析比较，指导土壤源热泵机房的群控，合理调配闭式冷却塔的全年运行策略，可以让土壤源热泵主机始终处于高效运行状态。

5

结 语

本项目科技精装住宅采用集中冷热源温湿度独立控制系统，冷热源端采用土壤源热泵空调系统，末端采用混凝土顶棚辐射埋管和大型新风除湿机，系统较为复杂，需要暖通、电气、智能化专业通力合作，真正了解系统的内涵，才能完善该系统的机电一体化实践。

专业的、系统的、精细化的把控项目的全过程，提升科技住宅的可靠性、耐用性、节能性、环保性，需要努力的求证，认真的总结，不断地创新，从理论和实践的结合上做好项目的每个部件，使科技住宅真正成为一件珍品。规划和实践科技住宅的同时，注重向同行请教，向设备厂家赐教，研修相关专业知识，拜访专家学者，从中既有感悟，又有收获，形成了本文。不足之处在所难免，当以抛砖引玉，使得科技住宅这一绿色阳光产业更加成熟，以造福万家百姓，共享幸福成果。

文章在撰写的过程中得到了教授级高工印书红、鲍梁及机电人脉李华的技术指点，父亲撒应意的谋篇指导，特此表示感谢。

参考文献

[1] 撒世忠 朱汉宝等 土壤源热泵空调地下换热系统设计的探讨 地产机电咨询 2019年第5期 17-21页[J]

[2] 撒世忠 汤利梅 土壤源热泵机房水系统承压分析及切换阀门选型探讨江苏建筑 2020年第四期120-122页[J]

[3] 鲍梁 撒世忠等 土壤源热泵空调系统辅助冷却塔的选型探讨 江苏建筑 2019年第五期 110-113页[J]

[4] 刘晓华 温湿度独立控制系统（第二版） [M] 2013.05

[5] 潘云钢 温湿度独立控制系统设计指南 [M] 2016.08

[6] 撒世忠 王林 科技住宅冷热源设备专用供配电系统设计的探讨 现代建筑电气 2021年第三期[J]

[7] 撒世忠 某大型装配式科技住宅户型的设计与施工 江苏建筑2021年第三期 [J]

[8] 撒世忠 杨子兵等 无锡某商业建筑土壤源热泵空调系统设计 建筑热能通风空调 2012.08第31卷第4期 90-91页[J]

[9] 鲍梁 撒世忠等 土壤源热泵空调系统能效性再提升刍议建筑热能通风空调 2019.11第38卷11期 53-56页[J]