摘要：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，对温湿度独立控制系统的“硬件”———关键性暖通设备进行选型计算。依据现有住宅土壤源热泵能源站电力政策对科技住宅供配电系统提出建议，并讨论了土壤源热泵的辅助冷却塔的运行策略。同时对该温湿度独立控制系统的“软件”———能源中心ＢＡ控制系统、新风处理机组ＢＡ控制提出了控制要点。
1
前言
近十五年来，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，实现集中制冷制热的住宅。科技住宅采用多种建筑技术于一体，其所采用的空调系统是温湿度独立控制技术（ＴＨＩＣ）的经典理念和成熟案例。本文以苏州某科技精装修住宅为例，该项目位于苏州市吴江区盛泽镇，共有１０栋１８层高层住宅，建筑空调计算面积为９９ ９８３．８７ｍ２，采用集中空调系统，由土壤源热泵空调系统＋封闭冷却塔提供冷热源，顶棚辐射管（辐射供冷供热）＋地板送新风（夏季除湿冬季加湿）来控制室内温湿度，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。
2
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，且供冷期比供热期长，为保持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，该项目采用后者。该项目的计算总冷负荷为５ ６４５．５ｋＷ（其中顶棚辐射冷负荷为２８２９．５ｋＷ，新风冷负荷为２８１６ｋＷ），单位面积冷负荷为５６．５Ｗ／ｍ２，计算总热负荷为３２９３．７ｋＷ（其中顶棚辐射热负荷为１４３９．６ｋＷ，新风热负荷为１ ８５１．１ｋＷ），单位面积热负荷为３２．９Ｗ／ｍ２。土壤源机房内配置２台新风用土壤源热泵主机，制冷量１４１９ｋＷ，制冷功率２８０．２ｋＷ，夏季供／回水温度７℃／１２℃，制热量１５７１ｋＷ，制热功率３３１ｋＷ；设置２台顶棚辐射用土壤源热泵主机，制冷量１ ３９８ｋＷ，制冷功率２１３．５ｋＷ，夏季供／回水温度１６℃／２１℃，夏季蒸发器流量６４．９７Ｌ／ｓ，夏季冷凝器流量７５．２８Ｌ／ｓ，制热量１１６０ｋＷ，制热功率１７５ｋＷ。土壤源热泵主机冷凝器侧局部阻力为８ｍ。共设置５台地源侧水泵，单台流量为３２３ｍ３／ｈ，扬程为３２ｍ。机房系统图如图１所示。
2.1
地埋管换热器的设计
根据热响应测试报告，地块内地下０～６０ｍ为粉质黏土或粉质黏土带沙，地下６０～１２５ｍ 为粉沙。岩土平均导热系数为１．６２Ｗ／（ｍ·℃），岩土平均温度为１７．４℃。地埋管每延米吸热量为４０Ｗ／ｍ，每延米放热量为５７．８５Ｗ／ｍ。住宅２４ｈ运行，按照０．７５运行份额取值，计算吸热量为３０Ｗ／ｍ，计算放热量取４３．３９Ｗ／ｍ。采用基坑内埋管，并采用非集管换热器，采用ＨＤＰＥ 单Ｕ 形Ｄｅ３２地埋管换热器，换热器有效长度为１２０ｍ。该项目原设计采用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。
该项目采用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
式（１）～（３）中 Ｑｈ为冬季吸热量，ｋＷ；Ｑ１为主机供热量，ｋＷ；ＣＯＰｈ为制热性能系数；Ｌｈ为冬季工况所需地埋管长度，ｍ；ｑｈ为冬季每米井深换热量，Ｗ／ｍ；Ｎ 为地埋管计算数量。
则满足冬季供热总负荷条件下的地埋管数量为：［（Ｑ１００－ＱＮ１００＋Ｑ３０－ＱＮ３０）＋（Ｘ１００－ＸＮ１００＋Ｘ３０－ＸＮ３０）］×１ ０００÷３０÷１２０＝［（１１６０ｋＷ－１７５ｋＷ＋３４８ｋＷ－５５．６ｋＷ）＋（１５７１ｋＷ－３３１ｋＷ＋４４６ｋＷ－１１３．８ｋＷ）］×１ ０００Ｗ／ｋＷ÷３０Ｗ／ｍ÷１２０ｍ＝７９１。其中Ｑ１００、ＱＮ１００、Ｑ３０、ＱＮ３０分别为顶棚辐射主机在１００％负荷和３０％负荷下的制热量和功率；Ｘ１００、ＸＮ１００、Ｘ３０、ＸＮ３０分别为新风主机在１００％负荷和３０％负荷下的制热量和功率。
地埋管换热器一般考虑１０％的设置余量，则需要单Ｕ形井深１２０ｍ 的地埋管换热器８７０个。最终项目采用了原设计（原设计设置了集中供应生活热水）的地埋管换热器数量（９４０个）。
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＝１２０ｍ＋２ ｍ＋（３２ ｍ－８ ｍ）／２＝１３４ ｍ，折合１．３ＭＰａ，小于管道的承压１．６ＭＰａ。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 ＝１３０ｍ＋６．５ｍ＋６ｍ＝１４２．５ｍ，小于管道的承压能力１．６ＭＰａ，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。
2.2
辅助冷却塔的选型
根据冬季工况来选择地埋管换热器的数量，地埋管换热器全年总取热量为２７２６３３９ｋＷ·ｈ／ａ；根据夏季工况来选择地埋管换热器的数量，夏季总放热量为７８６２８６３ｋＷ·ｈ／ａ。为考虑经济性，按照冬季工况选择地埋管换热器数量，需设置辅助冷却塔，辅助冷却塔的总散热量为５０８５６６６ｋＷ·ｈ／ａ。按照每年运行７３ｄ，每天运行２４ｈ计算，需要选择２８℃标准工况下５００ｍ３／ｈ的冷却塔。
3
温湿度独立控制系统的设计
温湿度独立控制系统是否从冷热源主机处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）的项目宜将主机分开设置，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而定。
3.1
新风处理状态点的探讨
该项目的新风采用冷冻除湿，送风状态点温度１１．２℃、含湿量８ｇ／ｋｇ，即室内送风点含湿量ｄ０＝８ｇ／ｋｇ，以确保住宅必需的除湿要求，以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含湿量４～６ｇ／ｋｇ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以下，能满足住宅项目夏季人体对温湿度的需求。
3.2
系统新风量的确定
应根据满足室内卫生状况所需要的新风量Ｘ１、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，取三者最大值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／（人·ｈ）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人食物散湿量总体计算；换气次数计算规则如下：面积为包含厨房和卫生间在内的所有空间的套内面积，高度取装饰完成面至顶棚板底高度。换气次数取０．６０～０．８５ｈ－１，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≤０．８５ｈ－１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。
3.3
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。该项目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 ４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。
减少输送能耗也是节能降耗的重要举措。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处理，分别采用高温和常温冷水机组，从设计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％，减少系统输送能耗也是高效机房的重要组成方面。该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／ｍ以内，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１列出了不同水温下顶棚主机的能效。
从表１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，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℃。如采用一级泵系统，一台顶棚辐射主机配置的水泵流量将达到４４７～６７１ｍ３／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，一级泵流量和扬程分别为２６８ｍ３／ｈ和１５ｍ，二级泵变频运行，流量和扬程分别为４８０ｍ３／ｈ和２４ｍ，一、二级泵效率较高，节能效果较一级泵系统好。从表２选型可以看出，该项目采用二级泵系统总功率小于一级泵系统。
4
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（用户变电所）供电。设置专用变电所后，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用变
电所范畴。例如该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２×１６００ｋＶ·Ａ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，专用变电所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计量。
4.1
科技住宅变配电设计要点阐述
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。由于顶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。该项目原设计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的电气保护装置，就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议，４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。
基于科技住宅特殊的集中空调设置形式，户内将无传统住宅空调（挂壁机等）用电负荷，全部集中到了专用变电所内供电。此时如考虑户内ＰＺ３０箱用电负荷减半，整个给住户套内供配电子系统的用电设备及电缆选型容量将大大降低。对该项目此部分的供电子系统造价分析表明，７２０户居民套内供配电不考虑套内空调用电负荷与考虑空调用电负荷对比，造价将降低１５８．２２万元，分摊到每户约为２ ２００元［６］。笔者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。投资商要增设专用变电所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。
4.2
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。以浅层土壤作为热泵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技术。当前，江苏省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价格为：０８：００—２４：００，０．５３８３元／（ｋＷ·ｈ）；００：００—０８：００，０．２５９４元／（ｋＷ·ｈ）。
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２点要求：一是在初夏和秋季室外湿球温度较低时，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００：００—０８：００开启，此时湿球温度较低，且可享受低谷电价政策。
5
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，需调整好二级泵的运行策略，并在夏季需限定最低出水温度，避免室内结露；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。
5.1
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调节和对加湿器进行控制，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），如图２所示。不同于常规新风机组的是，粗效和亚高效过滤器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。
5.2
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级泵，系统末端的供水温度为顶棚辐射的供水与平衡管回水混合后的温度，通过二级泵侧供水温度的设定，如图３所示。改变二次循环泵的频率，将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负荷侧的水流量来达到调节室温的目的。
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，量化监测每年夏季向地下土壤的排热量和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。
6
结语
该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、系统、精细化地把控项目的全过程，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、不断的创新，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珍品工程。
参考文献
1、撒世忠，朱汉宝，张芳红，等．土壤源热泵空调地下换热系统设计的探讨［Ｊ］．地产机电咨询，２０１９（５）：１７-２１
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［Ｊ］．江苏建筑，２０２０（４）：１２０-１２２
3、鲍梁，撒世忠，谢拥军．土壤源热泵空调系统辅助冷却塔的选型探讨［Ｊ］．江苏建筑，２０１９（５）：１１０-１１３
4、刘晓华．温湿度独立控制系统［Ｍ］．２版．北京：中国建筑工业出版社，２０１３：３８-４２
5、潘云钢．温湿度独立控制系统设计指南［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１６：３８-４２
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［Ｊ］．现代建筑电气，２０２１（３）：２８-３２
7、撒世忠．某大型装配式科技住宅户型的设计与施工［Ｊ］．江苏建筑，２０２１（３）：１１１-１１３
8、撒世忠，杨子兵，汤利梅．无锡某商业建筑土壤源热泵空调系统设计［Ｊ］．建筑热能通风空调，２０１２，３１（４）：９０-９１
9、鲍梁，撒世忠，朱汉宝．土壤源热泵空调系统能效性再提升刍议［Ｊ］．建筑热能通风空调，２０１９，３８（１１）：５３-５６
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摘要：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，对温湿度独立控制系统的“硬件”———关键性暖通设备进行选型计算。依据现有住宅土壤源热泵能源站电力政策对科技住宅供配电系统提出建议，并讨论了土壤源热泵的辅助冷却塔的运行策略。同时对该温湿度独立控制系统的“软件”———能源中心ＢＡ控制系统、新风处理机组ＢＡ控制提出了控制要点。
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前言
近十五年来，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，实现集中制冷制热的住宅。科技住宅采用多种建筑技术于一体，其所采用的空调系统是温湿度独立控制技术（ＴＨＩＣ）的经典理念和成熟案例。本文以苏州某科技精装修住宅为例，该项目位于苏州市吴江区盛泽镇，共有１０栋１８层高层住宅，建筑空调计算面积为９９ ９８３．８７ｍ２，采用集中空调系统，由土壤源热泵空调系统＋封闭冷却塔提供冷热源，顶棚辐射管（辐射供冷供热）＋地板送新风（夏季除湿冬季加湿）来控制室内温湿度，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。
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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，且供冷期比供热期长，为保持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，该项目采用后者。该项目的计算总冷负荷为５ ６４５．５ｋＷ（其中顶棚辐射冷负荷为２８２９．５ｋＷ，新风冷负荷为２８１６ｋＷ），单位面积冷负荷为５６．５Ｗ／ｍ２，计算总热负荷为３２９３．７ｋＷ（其中顶棚辐射热负荷为１４３９．６ｋＷ，新风热负荷为１ ８５１．１ｋＷ），单位面积热负荷为３２．９Ｗ／ｍ２。土壤源机房内配置２台新风用土壤源热泵主机，制冷量１４１９ｋＷ，制冷功率２８０．２ｋＷ，夏季供／回水温度７℃／１２℃，制热量１５７１ｋＷ，制热功率３３１ｋＷ；设置２台顶棚辐射用土壤源热泵主机，制冷量１ ３９８ｋＷ，制冷功率２１３．５ｋＷ，夏季供／回水温度１６℃／２１℃，夏季蒸发器流量６４．９７Ｌ／ｓ，夏季冷凝器流量７５．２８Ｌ／ｓ，制热量１１６０ｋＷ，制热功率１７５ｋＷ。土壤源热泵主机冷凝器侧局部阻力为８ｍ。共设置５台地源侧水泵，单台流量为３２３ｍ３／ｈ，扬程为３２ｍ。机房系统图如图１所示。
2.1
地埋管换热器的设计
根据热响应测试报告，地块内地下０～６０ｍ为粉质黏土或粉质黏土带沙，地下６０～１２５ｍ 为粉沙。岩土平均导热系数为１．６２Ｗ／（ｍ·℃），岩土平均温度为１７．４℃。地埋管每延米吸热量为４０Ｗ／ｍ，每延米放热量为５７．８５Ｗ／ｍ。住宅２４ｈ运行，按照０．７５运行份额取值，计算吸热量为３０Ｗ／ｍ，计算放热量取４３．３９Ｗ／ｍ。采用基坑内埋管，并采用非集管换热器，采用ＨＤＰＥ 单Ｕ 形Ｄｅ３２地埋管换热器，换热器有效长度为１２０ｍ。该项目原设计采用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。
该项目采用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
式（１）～（３）中 Ｑｈ为冬季吸热量，ｋＷ；Ｑ１为主机供热量，ｋＷ；ＣＯＰｈ为制热性能系数；Ｌｈ为冬季工况所需地埋管长度，ｍ；ｑｈ为冬季每米井深换热量，Ｗ／ｍ；Ｎ 为地埋管计算数量。
则满足冬季供热总负荷条件下的地埋管数量为：［（Ｑ１００－ＱＮ１００＋Ｑ３０－ＱＮ３０）＋（Ｘ１００－ＸＮ１００＋Ｘ３０－ＸＮ３０）］×１ ０００÷３０÷１２０＝［（１１６０ｋＷ－１７５ｋＷ＋３４８ｋＷ－５５．６ｋＷ）＋（１５７１ｋＷ－３３１ｋＷ＋４４６ｋＷ－１１３．８ｋＷ）］×１ ０００Ｗ／ｋＷ÷３０Ｗ／ｍ÷１２０ｍ＝７９１。其中Ｑ１００、ＱＮ１００、Ｑ３０、ＱＮ３０分别为顶棚辐射主机在１００％负荷和３０％负荷下的制热量和功率；Ｘ１００、ＸＮ１００、Ｘ３０、ＸＮ３０分别为新风主机在１００％负荷和３０％负荷下的制热量和功率。
地埋管换热器一般考虑１０％的设置余量，则需要单Ｕ形井深１２０ｍ 的地埋管换热器８７０个。最终项目采用了原设计（原设计设置了集中供应生活热水）的地埋管换热器数量（９４０个）。
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＝１２０ｍ＋２ ｍ＋（３２ ｍ－８ ｍ）／２＝１３４ ｍ，折合１．３ＭＰａ，小于管道的承压１．６ＭＰａ。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 ＝１３０ｍ＋６．５ｍ＋６ｍ＝１４２．５ｍ，小于管道的承压能力１．６ＭＰａ，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。
2.2
辅助冷却塔的选型
根据冬季工况来选择地埋管换热器的数量，地埋管换热器全年总取热量为２７２６３３９ｋＷ·ｈ／ａ；根据夏季工况来选择地埋管换热器的数量，夏季总放热量为７８６２８６３ｋＷ·ｈ／ａ。为考虑经济性，按照冬季工况选择地埋管换热器数量，需设置辅助冷却塔，辅助冷却塔的总散热量为５０８５６６６ｋＷ·ｈ／ａ。按照每年运行７３ｄ，每天运行２４ｈ计算，需要选择２８℃标准工况下５００ｍ３／ｈ的冷却塔。
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温湿度独立控制系统的设计
温湿度独立控制系统是否从冷热源主机处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）的项目宜将主机分开设置，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而定。
3.1
新风处理状态点的探讨
该项目的新风采用冷冻除湿，送风状态点温度１１．２℃、含湿量８ｇ／ｋｇ，即室内送风点含湿量ｄ０＝８ｇ／ｋｇ，以确保住宅必需的除湿要求，以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含湿量４～６ｇ／ｋｇ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以下，能满足住宅项目夏季人体对温湿度的需求。
3.2
系统新风量的确定
应根据满足室内卫生状况所需要的新风量Ｘ１、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，取三者最大值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／（人·ｈ）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人食物散湿量总体计算；换气次数计算规则如下：面积为包含厨房和卫生间在内的所有空间的套内面积，高度取装饰完成面至顶棚板底高度。换气次数取０．６０～０．８５ｈ－１，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≤０．８５ｈ－１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。
3.3
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。该项目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 ４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。
减少输送能耗也是节能降耗的重要举措。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处理，分别采用高温和常温冷水机组，从设计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％，减少系统输送能耗也是高效机房的重要组成方面。该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／ｍ以内，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１列出了不同水温下顶棚主机的能效。
从表１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，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℃。如采用一级泵系统，一台顶棚辐射主机配置的水泵流量将达到４４７～６７１ｍ３／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，一级泵流量和扬程分别为２６８ｍ３／ｈ和１５ｍ，二级泵变频运行，流量和扬程分别为４８０ｍ３／ｈ和２４ｍ，一、二级泵效率较高，节能效果较一级泵系统好。从表２选型可以看出，该项目采用二级泵系统总功率小于一级泵系统。
4
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（用户变电所）供电。设置专用变电所后，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用变
电所范畴。例如该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２×１６００ｋＶ·Ａ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，专用变电所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计量。
4.1
科技住宅变配电设计要点阐述
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。由于顶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。该项目原设计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的电气保护装置，就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议，４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。
基于科技住宅特殊的集中空调设置形式，户内将无传统住宅空调（挂壁机等）用电负荷，全部集中到了专用变电所内供电。此时如考虑户内ＰＺ３０箱用电负荷减半，整个给住户套内供配电子系统的用电设备及电缆选型容量将大大降低。对该项目此部分的供电子系统造价分析表明，７２０户居民套内供配电不考虑套内空调用电负荷与考虑空调用电负荷对比，造价将降低１５８．２２万元，分摊到每户约为２ ２００元［６］。笔者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。投资商要增设专用变电所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。
4.2
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。以浅层土壤作为热泵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技术。当前，江苏省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价格为：０８：００—２４：００，０．５３８３元／（ｋＷ·ｈ）；００：００—０８：００，０．２５９４元／（ｋＷ·ｈ）。
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２点要求：一是在初夏和秋季室外湿球温度较低时，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００：００—０８：００开启，此时湿球温度较低，且可享受低谷电价政策。
5
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，需调整好二级泵的运行策略，并在夏季需限定最低出水温度，避免室内结露；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。
5.1
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调节和对加湿器进行控制，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），如图２所示。不同于常规新风机组的是，粗效和亚高效过滤器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。
5.2
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级泵，系统末端的供水温度为顶棚辐射的供水与平衡管回水混合后的温度，通过二级泵侧供水温度的设定，如图３所示。改变二次循环泵的频率，将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负荷侧的水流量来达到调节室温的目的。
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，量化监测每年夏季向地下土壤的排热量和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。
6
结语
该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、系统、精细化地把控项目的全过程，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、不断的创新，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珍品工程。
参考文献
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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［Ｊ］．江苏建筑，２０２０（４）：１２０-１２２
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4、刘晓华．温湿度独立控制系统［Ｍ］．２版．北京：中国建筑工业出版社，２０１３：３８-４２
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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［Ｊ］．现代建筑电气，２０２１（３）：２８-３２
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8、撒世忠，杨子兵，汤利梅．无锡某商业建筑土壤源热泵空调系统设计［Ｊ］．建筑热能通风空调，２０１２，３１（４）：９０-９１
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