隨著“碳達峰、碳中和”政策的深入推進，提高能源、資源的利用效率，推進可再生能源利用，降低碳排放，已成為設計行業中的重中之重。為此，本文將以上海某住宅小區項目的集中空調設計為例，簡要介紹地源熱泵系統作為可再生能源應用在住宅小區項目中的低能耗設計和節能運行，以及與之配套的輻射空調末端系統的設計要點和技術措施，與大家一起探討。
一、空調冷、熱源形式

由于該小區要求有24h不間斷的空調、新風和生活熱水供應，導致能耗需求較大。為達到節能效果，提高系統COP，對空調冷、熱源及生活熱水的選取及運行策略均提出了較高要求。
1、空調冷、熱源及生活熱水

空調冷、熱源選用熱回收型高溫地源熱泵機組，熱回收型高溫地源熱泵機組的選型按小區冬季所需供熱量選取，冷源不足部分配置1臺常規高溫型冷水機組。

空調熱源全部由地源熱泵機組提供，考慮到該小區24h不間斷供熱，為防止地埋管換熱器整個供熱季不間斷工作而引起換熱效率低下，燃氣鍋爐可作為生活熱水的備用熱源，燃氣鍋爐的供熱量在選型時不予增大。

該工程生活用熱水由地源熱泵機組預熱和熱水鍋爐再熱。在夏季和過渡季，自來水經地源熱泵機組熱回收端預熱至45℃，儲存于蓄熱水箱，再經板式換熱器加熱至60℃，儲存于恒溫水箱中；在冬季空調設計工況，生活熱水用熱量全部由燃氣鍋爐承擔，儲熱水箱與恒溫水箱均儲存60℃的恒溫水，此時日生活用熱水量均由2個水箱聯合供給。

2、運行策略

注：1.熱回收高溫型地源熱泵機組；2.高溫型地源熱泵機組；3.高溫型冷水機組；4.燃氣鍋爐；5.地源側循環水泵；6.用戶側循環水泵；7.冷水循環水泵；8.冷卻水泵；9.熱回收循環水泵；10.鍋爐側熱水一次循環水泵；11.空調熱水循環水泵；12.生活用熱再熱循環水泵；13.生活用熱板式換熱器；14.空調用熱板式換熱器；15.儲熱水箱；16.恒溫水箱；17.集水器；18.分水器；19.熱水用分水器；20.熱水用集水器。
      在夏季和過渡季，當儲熱水箱的水溫低于40℃時，優先使用熱回收型高溫地源熱泵機組（編號1），并開啟其熱回收功能，制冷的同時給生活熱水預熱；當儲熱水箱達到最高水位，且儲熱水箱內水溫為45℃時，停止熱回收功能的使用；隨著空調冷負荷增大，開啟常規高溫型冷水機組（編號3），最后開啟第2臺地源熱泵機組（編號2）。
     
      當熱回收型地源熱泵機組（編號1）熱回收功能不開啟時，優先使用常規高溫型冷水機組（編號3），隨著負荷的增大，逐臺開啟地源熱泵機組（編號2、3），以最大程度減輕土壤全年熱量得失的不平衡。
 
      為防止熱回收機組（編號1）頻繁啟停，儲熱水箱（編號15）的有效容積不宜選得過小，不宜少于30min熱回收循環水泵的流量，且儲熱水箱的水溫保持在45℃左右。

     在冬季，優先使用地源熱泵機組（編號1、2）承擔空調熱負荷和生活熱水預熱，當地源熱泵機組（編號1、2）熱效率較低或熱量不足時，則由熱水鍋爐承擔生活熱水。

二、末端新風系統
新風系統采用置換式通風系統，下送上排；新風機組選用預冷型熱回收溶液調濕機組，夏季送入室內的新風干球溫度為18℃，相對濕度為62%，含濕量為8g/kg。

1、新風量的選擇

為防止室內房間結露，應避免室外熱濕空氣進入空調房間，保證房間的密閉性，故新風量的選擇應同時保證人員所需新風量L₁、維持正壓所需新風量L₂、新風除濕所需的新風量L₃，取三者中的最大值。以某戶型為例，其室內外設計參數見表1、2。

①保證人員所需新風量：使用HDY-SMAD暖通空調負荷計算及分析軟件V1.92計算得到的空調冷熱負荷結果見表3。從表3可知，L₁＝240m³/h。

??②維持正壓所需新風量：按JGJ 134-2010《夏熱冬冷地區居住建筑節能設計標準》第3.0.2條，新風量按換氣次數1.0h^－1計算：L₂＝225m³ /h。

??③除濕所需新風量：除濕所需新風量計算公式為

式中L₃為除濕所需新風量，m³ /h；W為室內濕負荷，g/h；ρ為空氣密度，kg/m³ ；Δd為室內狀態點與室內新風送風狀態點的濕度差，g/kg。

室內狀態點參數為干球溫度26℃、相對濕度50%、含濕量10.57g/kg，新風送入狀態點參數為干球溫度18℃、相對濕度62%、含濕量8.0g/kg，在此基礎上，將表3數據代入式（1）可算得除濕所需新風量，結果見表4。

從表4可知，L₃＝254m³ /h。綜合L₁、L₂、L₃，該戶型所需新風量不得低于254m³/h。
2、新風系統的輸配

新風系統采用分段式送風方式，氣流組織為下送上排，新風機組設置于地下1層和屋頂層的新風機房。室外新風經新風機組冷卻、除濕處理后，輸送到新風豎井；室內新風支管從新風豎井處接出，經防火閥和定風量閥后，流經集管，再向室內各個房間輸送，其中廚房和衛生間僅設置排風。房間的排風口設置于上部，通過起居室的集中排風口排至排風豎井，再經換熱后排至室外。

3、新風控制策略

該項目新風機組采用預冷式熱泵型溶液調濕新風機組，其主要功能段包括預冷段、溶液除濕單元和再生單元。隨著全年室外氣象參數的變化，溶液調濕型新風機組的運行模式也會發生變化。

??①系統新風控制：在夏季高溫潮濕的氣象條件下，新風機組開啟預冷除濕功能和溶液除濕降溫功能，得到的低溫低濕空氣送入室內后，送風狀態點參數：干球溫度為18℃、相對濕度為62%，如果在極端情況下，送風溫度可達16℃，相對濕度為62%；過渡季，地源熱泵主機可以不開啟，僅開啟溶液除濕降溫功能；冬季，可以開啟預熱和加濕功能，新風機組壓縮機可不工作。

??②戶內新風控制：當室內溫度為27℃、相對濕度為55%時，露點溫度為17.2℃，而毛細管空調的供水溫度為17℃，此時室內有結露的風險，建議新風系統于毛細管系統工作之前開啟，同時戶內新風不作控制，無論戶內是否有人，均開啟新風系統，以保障系統的安全性和舒適性。

三、末端毛細管輻射系統

1、毛細管輻射系統的計算
 

根據各空調房間的夏季顯熱冷負荷、冬季熱負荷和毛細管單位面積（有效面積）的換熱能力，確定毛細管鋪設量。毛細管以鋪設于結構樓板下為主，不足部分設于內墻或有保溫的外墻上。新風系統所承擔的室內顯熱負荷計算公式為

Q=cMΔt   (2)

式中Q為新風所承擔的室內顯熱負荷，kW；c為空氣比熱容，1.01kJ/（kg·K）；M為送入室內的新風量，kg/s；Δt為室內溫度與室內新風送風狀態點的溫度差，℃。

將表3數據代入式（2）可計算得到新風系統所承擔的室內顯熱負荷和毛細管承擔的空調冷負荷，結果見表5。

2、毛細管戶內安裝和連接方式

毛細管輻射系統的制式采用共用立管的分戶獨立循環雙管系統，其供回水立管、每戶的毛細管集、分水器均設置在公共空間的豎井內。考慮到建造成本，毛細管席布置于結構樓板下和墻面，抹灰安裝。毛細管的供回水管接自分、集水器，在室內的連接方式為并聯同程式，其毛細管平面布置圖見下圖。

3、毛細管輻射系統的控制方式
每個空調房間（包括衛生間）設置帶露點保護的溫度控制器，通過該溫控器控制分、集水器支路上安裝的電動兩通閥的通斷，來實現該房間溫度和濕度，其中露點保護優于溫度控制。

結語：毛細管輻射系統與置換新風系統組成了完整的溫濕度獨立控制末端系統，給室內提供了舒適、健康的熱濕環境及安靜的居住空間，而地源熱泵系統又具有綠色、環保、高效、節能等特點，帶來了較好的經濟效益，十分契合“雙碳”目標下的高度電氣化、可再生能源化、智慧化的要求。