未来社区建筑空调系统设计研究

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摘要：未来社区是一个有归属感、舒适感和未来感的新型城市功能单元。文章以台州市某未来社区建设试点项目为例，简要介绍了该项目的工程概况、设计参数、冷热源及空调系统设计，重点论述了选择“地源热泵+热源塔热泵+冷水机组+蓄能”作为冷热源的缘由，并对超低能耗技术在该项目空调系统中的应用情况加以论述和分析，旨在为构建低碳化未来社区提供一定参考。

关键词：未来社区；地源热泵；热源塔热泵；蓄能；超低能耗技术

2019年3月，浙江省政府印发了《浙江省未来社区建设试点工作方案》（浙政发〔2019〕8号），标志着浙江省未来社区建设试点工作全面启动。未来社区所提出的“139”理念，就是以人民美好生活向往为中心，聚焦人本化、生态化、数字化三维价值坐标，以和睦共治、绿色集约、智慧共享为内涵特征，突出高品质生活主轴，构建以未来邻里、教育、健康、创业、建筑、交通、低碳、服务和治理九大场景创新为重点的集成系统，打造有归属感、舒适感和未来感的新型城市功能单元[1]。据统计，我国建筑能耗消费总量占全国能源消费总量的比例约为20%，而在民用建筑中，空调通风系统能耗在建筑能耗中又占据较大比重，故而如何在高密度的城市环境中打造超低能耗、近零能耗的未来社区，选择恰当、节能、环保的空调系统尤为重要。

1工程概况

案例项目位于浙江省台州市商贸核心区，属夏热冬冷地区，规划总用地面积约1.9km2，总建筑面积约18万m2。项目涵盖TOD、邻里中心、双创中心（办公和商业），其中住宅建筑面积为6万m2，商业建筑面积为4.2万m2，办公建筑面积为2.8万m2，酒店建筑面积为11.3万m2，运动馆建筑面积为0.45万m2。建筑高度为78.6m，地上有4～26层，地下为2层，其中地下主要为商业、汽车库及设备用房。

2设计参数

2.1室外设计参数

室外设计参数如表1所示。

2.2室内设计参数

室内设计参数如表2所示。2.3冷热负荷统计及特性分析根据项目不同功能分区，依据《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB50736—2012）[2]及《公共建筑节能设计标准》（GB50189—2015）[3]，对该项目进行负荷计算。在进行负荷计算时，主要从建筑围护结构热工参数、空调室内设计参数、内部负荷强度、各业态供能服务面积等方面着手，使用鸿业负荷计算软件9.0进行冬季逐时热负荷和夏季逐时冷负荷计算。由于该项目区域内空调末端存在用户多、业态多、使用时间不稳定等特点，导致最大设计的冷、热负荷往往不会同时出现，为节约能源、减少初次装机的投入，拟对项目区域内的不同业态建筑不同工况条件下最大冷、热负荷，逐时负荷用清华大学DEST软件进行模拟分析。根据DEST模拟计算得出项目各建筑业态全年逐时单位面积空调负荷指标，如表3所示，并结合计算日逐时冷负荷系数，可确定典型建筑的设计日逐时冷热负荷，如图1、图2所示。综上所述，可得出该项目设计冷负荷为11.82MW，设计热负荷为6.30MW。

3空调系统设计

3.1冷热源配置

根据地方政府文件要求，实现超低能耗建筑要求或集中供热（暖）供冷是未来低碳指标创建的约束性条件。该项目集中供能服务范围包括TOD、邻里中心全部建筑及双创中心的办公和商业建筑，供能总建筑面积为14.57万m2，主要由商业、办公、住宅、酒店等业态组成，所有建筑均有冷、热负荷需求。该项目建设1座能源站，能源站设置于邻里中心地下一层，采用“地源热泵+热源塔热泵+冷水机组+蓄能”的技术形式进行集中供冷、供热，系统能源利用效率高，供能安全性高，节能效果明显。该冷热源方案主要有以下优势。（1）项目采用区域能源供应系统，可集中选用优质高效的设备，减少设备总装机容量；提高能源系统的电力利用效率，提高能源系统的管理效率；减少或取消单体建筑部分的空调室外设备，美化城市环境、降低城市噪声、节约用水、减小热岛效应。（2）项目采用浅层地热能、空气能作为低位冷、热源，采用“地源热泵+热源塔热泵+蓄能”技术形式进行集中供冷、供热，属于可再生能源的应用，在节约能源的同时对常规能源消耗有较大的替代作用，减少了污染物的排放，缓解了环境危机。利用浅层地热能、空气能作为低位冷、热源，解决了各建筑的供冷、供热需求，改善了社区环境，使项目所在区域内避免了冷却塔噪声、飘水和锅炉烟气排放的困扰，对提升项目区域品质有良好的示范作用[4]。（3）项目采用蓄能技术，利用低谷电运行主机将制冷量以显热或潜热的形式全部或部分储存在水、冰或其他物质中，在负荷高峰时段将所储存的冷量释放出来。该技术不仅可以减少空调系统装机容量、电力系统配电容量，还能降低电网高峰时段空调用电负荷，具有综合效率高、节省能源、“削峰填谷”等优点。该项目设置热源塔作为能源站集中供能系统的冷热源，采用“地源热泵+热源塔热泵+冷水机组+蓄能”技术进行集中供能。热源塔夏季利用蒸发冷却将热源机组冷凝热排放到大气环境中，冬季通过溶液从空气中吸热为热泵机组提供低位热源，保证机组在冬夏两季的高效运行[5]。系统根据土壤源供能量配置地源热泵，剩余负荷采用热源塔及冷水机组补充，并利用蓄能池进行夏季蓄冷减少装机量。项目采用1台地源热泵、2台热源塔热泵、1台离心式冷水机组作为该工程的空调采暖冷热源，设计制冷制热量如表4所示。蓄能池夏季设计日蓄能比例为8%，日蓄能量为13.86MW·h，设计日冷负荷削峰18%，蓄能池调峰为2.12MW。冬季空调系统供回水温度为45℃/38℃，地埋管水源进出口温度为10℃/5℃，热源塔进出口温度为0℃/-3℃；夏季空调系统供回水温度为5℃/12℃，地埋管水源进出口温度为30℃/35℃，热源塔进出口温度为32℃/37℃。该项目集中供能系统依据能源设施管理平台实施追踪用户末端负荷运行，优化不同负荷比例下的开机顺序，节约电能，减少主机低负荷运行时间。其供冷运行模式及供热运行模式如表5、表6所示。

3.2空调水系统设计

（1）各业态空调水系统为两管制变流量系统。考虑到该项目负荷侧水系统庞大，基于节能考虑采用大温差送水，即冬、夏季均采用7℃温差送水。在水系统方面，设计采用二级泵系统，站房内空调侧循环水泵扬程克服站内热泵主机、管路、过滤器、相关阀门的阻力，空调侧一级循环水泵采用定频技术对水泵台数进行控制，根据负荷需要和机组部分负荷效率综合优化后逐台启动水泵和相应的热泵机组。二级循环泵设置于能源站内，负责各支线管网循环流量及克服供能管网外线的循环阻力，并通过平衡管经能源站内供能系统与支线管网系统分开，使能源站房内水流量满足机组的最低流量要求，而供能管网可根据室外温度的变化变流量运行[6]。（2）空调水系统采用同程式结合异程式布置，服务于各区域的空调供回水总干管经位于能源站内的二级循环泵后，将空调水送入空调区，在每层空调回水干管上设置电动平衡阀。空调机组回水管上设比例积分调节阀，风机盘管上设电动二通阀（双位阀，开关型）。水系统补水采用软化水，减少系统结垢。软化水装置采用钠离子交换方式进行再生成，出水残留硬度≤0.03mmol/L，承压为1.6MPa，处理量为50m3/h。（3）热泵的冷热水一级泵、冷却水水泵均采用共用集管形式并与热泵一一对应。热泵主机、空调侧循环水泵、冷却水水泵联锁运行。开启顺序为冷却水水泵→空调侧循环水泵→热泵主机，保证先开主机对应的循环泵，再开热泵主机，关闭顺序则相反[7]。

3.3空调风系统设计

该项目业态涵盖住宅、酒店、办公、商业等。TOD高层住宅采用风机盘管加新风空调系统，新风采用户式新风机，由各住户阳台引入室外新风经处理后送至各空调房间；TOD商业公共区域采用吊柜式空气处理机，商铺采用风机盘管，新风采用全热交换新风机组，在裙房屋面集中处理新风。邻里中心区域内的运动中心、大堂等大空间区域按使用功能及所在位置分别设置独立的单风道变频一次回风全空气系统，并设有机械排风系统（变频），采用顶送侧回的送、回风形式。为了达到过渡季节利用新风进行免费制冷的目的，新风取风口按照全新风运行的要求进行设置，其空调通风采用典型布置方案[8]。酒店客房区采用风机盘管+新风系统。新风由屋面层新风机组集中处理，由竖向新风主管输配至每层客房内。排风经客房卫生间及排风竖井集中排放，客房区的风管和水管均采用竖向系统，管道均安装在管道井内，走道水平方向没有布置空调风管和水管，大大提高了走道吊顶标高[9]。

4超低能耗技术运用情况及分析

4.1区域能源供应

该项目采用区域供冷供热，在邻里中心地下一层设置集中能源中心站制备空调冷热水，再通过循环水管道系统，向各栋建筑提供空调冷（热）量。该项目地处商贸核心区，建筑集中，具备区域供能的条件，设置集中的区域供冷（热）能源中心站有效减少了装机容量，提高了设备的利用率，在控制好管网输送效率的前提下必然比常规分散式系统要节能[10]。

4.2可再生能源的利用

项目采用“地源热泵+热源塔热泵+蓄能”技术形式进行集中供冷、供热，属于可再生能源的应用。为分析该项目采用可再生能源供能技术的节能效益，现分别计算采用联合能源系统与采用常规能源系统时的能耗，常规系统在这里定义为“冷水机组+燃气锅炉”、VRF系统。在同样的负荷需求下，计算能源站全年能耗与常规系统全年能耗。计算过程中，电制冷综合COP取3.2，燃气锅炉综合效率（考虑泵耗）取85%，VRF系统全年综合COP取2.5。经计算，项目实施后，联合能源系统相比冷水机组+燃气锅炉系统，每年可节约标煤613.04tce，减排CO21495.2t，减排SO210.12t，减排NOX9.56t，减排烟尘5.89t；相比VRF系统，每年可节约标煤903.48tce，减排CO22203.59t，减排SO214.91t，减排NOX14.09t，减排烟尘8.67t。

4.3采用大温差空调水系统

考虑到项目实际情况，负荷侧水系统庞大，服务半径长，采用大温差供回水，即夏、冬季均采用7℃温差送水，用于降低水系统的输配能耗。虽降低了制冷主机的效率，但综合考虑，该项目选用7℃温差送水，整体上仍非常利于节能[11-12]。

4.4热回收技术

TOD商业、办公及邻里中心区域的社区用房、健身用房、餐饮用房等均属于面积大、人员密集、空间密集的区域，空调新风由高效全热回收机组提供，全热交换率大于65%，节能效果显著[13]。

4.5过渡季节免费冷源

人员密集的大空间如运动中心、餐饮区域、菜场等区域，采用全空气系统，在过渡季和冬季，最大限度地利用室外新风作冷源，新风入口、过滤器等均按全新风运行工况设计，以节约能耗。

4.6其他常规节能设计

（1）所选用的螺杆式地源热泵机组、螺杆式热源塔热泵机组、离心式冷水机组，其能效指标均比国家标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB55015—2021）及国家现行有关标准限定值提高6%以上。（2）TOD商业、办公及邻里中心区域的社区用房、青创中心等人员变化较大的大空间区域空调新风采用室内CO2浓度控制最小新风量，避免人员较少时新风能量的浪费，以节约能耗。

5结束语

未来社区概念的提出和实践是浙江面向未来发展的一个大手笔。绿色节能的暖通空调系统则又在未来社区建筑九大场景创新之一“低碳”中扮演着重要角色，这也意味着国家对未来社区建筑中暖通空调系统提出了更高的节能要求。文章结合项目自身特点，以多元协同的能源技术为核心，在整个设计过程中融入多种绿色节能技术，最大限度地节约了能耗，旨在为未来社区建筑超低能耗目标添砖加瓦。

参考文献

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[3]中国建筑科学研究院.公共建筑节能设计标准:GB50189—2015[S].北京:中国建筑工业出版社,2015.

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[11]范新舟,姚晔.集中空调水系统节能优化策略及仿真研究[J].制冷学报,2021,42(5):64-72.

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[13]季永明.北方地区居住建筑通风热回收技术应用分析[D].大连:大连理工大学,2013.

作者：牛玉杰 管守力 单位：台州市城乡规划设计研究院有限公司 合肥天汇孵化科技有限公司