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巨人别墅项目地暖加制冷空调可行性研究

胡建辉
摘要：创新性研究地暖与制冷空调同时运行，提高室内环境的舒适性，使冬夏换季运行时，可根据负荷情况，对两台空调进行变频运行，以实现整个房间的热平衡。松江巨人产业园工程位于上海市松江区沪松公路和广富林路交叉口，属于私人豪华型别墅,共分为A、D、E楼和画廊四个单体工程。其中A楼和画廊部分设计中央空调系统，部分人员活动的重要房间为增加舒适性设计了地暖系统,分别利用螺杆式冷水机组和燃气热水锅炉为整个建筑提供所需的冷热负荷。关键词：地暖制冷空调 同时运行创新研究
： TB657 ： A
本工程土建和机电部分由中国建筑第八工程局负责施工，施工前对整个图纸按照总承包合同要求进行深化设计，包括机电部分的综合管线和各个专业的系统进行复核，且经过了各方的最终书面确认。
按照现场实际施工进度情况，机电部分施工内容在2012年6月完成，7月份开始进行单项和系统调试。此时业主对我方提出了新的要求：考虑到别墅房间的功能性要求，其206主卧室要求地暖和制冷空调同时运行，且无论冬夏季其室内温度控制在26℃±0.3℃,业主同意此部分增加的费用以签证的形式上报和审批。
接下来的工作就是讨论此种方案的可行性，这相当于在原设计制冷空调正常运行的情况下,增加了地暖运行时的房间冷负荷。实际工程中这种情况并不多见，我方多处查找资料，上网查找案例，数次邀请设计院专业人员进行专项讨论，终于分析出了问题的关键及初步的解决方案。
首先是分析出了地暖运行时所产生的各项问题。
1、地暖的运行直接大大增加了房间的整个冷负荷，而此时整个空调水和空调风系统的管线已经施工完毕，空调箱也已经安装完成，后期调试过程中循环水量和风量不会有太大的变化。
2、室内地面原来可以算作是房间的内隔墙，此时地暖在夏季的运行将此变成了“外临界墙体”，需计算地暖运行时由于散热量而增加的空调系统冷负荷。
3、由于空调的传热介质为室内空气，而地暖主要为地板材料，两者的热物理性质相差甚远，也就是说两者的热传导不一致，两者共同运行时的自控问题也是研究的重点。
4、增加的冷负荷的处理问题也是一个比较棘手的问题。
5、地暖的运行势必也会影响整个室内的气流组织，这就要求对相应的空调主机的实际运行工况进行调节。
以下为初步的解决方案：
按照此方案，需增加本房间空调冷冻水的流量。
平衡阀的调节平衡水量原理公式为：
式中：
Q ——流经平衡阀的流量，ζ——平衡阀阻力系数
P1 ——平衡阀前压力，P2 ——平衡阀后压力
F ——平衡阀接管截面积，ρ——流体密度
系统施工完成，式中P1、P2已经确定，流体密度ρ为水的密度不会改变，平衡阀阻力系数ζ有阀门本身所决定，因此流量只与平衡阀接管截面积F有关，同时本房间空调位于最高点，处于最不利环路上。需将截面积增大，将阀门开度调至最大。
2、本工程位于上海，夏季室内空调设计温度为24℃，地暖要求的地面采暖温度为28℃。我们按照以下假设情况进行计算冷负荷：
当邻室有一定发热量时，通过空调房间内窗、隔墙、楼板或内门等内围护结构的温差传热负荷，按下式计算：
Q传=KF(twp+Δtls-tn)
式中：
Q传—稳态冷负荷，下同， W
K--- 导热系数，
twp—夏季空气调节室外计算日平均温度，℃；此处即为地板辐射采暖的设计温度28℃。
tn—夏季空气调节室内计算温度，设计院所取数值为24℃。
Δtls—邻室温升，可根据邻室散热强度采用，℃。相邻房间的室内温差不大，此项忽略不计；
3、地板采暖和制冷空调的热延迟效应不同步，从空调热质交换原理上看，制冷空调不仅通过向室内源源不断送冷空气与室内的空气进行质的交换（主人对室内环境舒适度要求较高，要求换气次数不小于6次/h），而且冷空气与室内空气存在一定温差，可进行热传导，热响应较快，室内温度提升快;地暖室内环管平面至室内木地板垂直距离20cm，主要为细石混凝土，地暖管道与室内空气仅存在热量的交换，且传导介质为细石混凝土层，一般情况下混凝土的传热系数介于1.74w/m.k与2.33w/m.k之间，相同时间内导热量远远小于空调的热质交换传热。这种情况直接会导致地暖与制冷空调同时运行过程中，室内温度不稳定，甚至出现大幅度的波动，严重影响室内环境的热舒适性。室内温度维持在26±0.3℃很难实现。
经过对二者综合运行的工况分析，我们得出如下结论：
（1）、制冷和采暖同时进行，要想使得室内温度在群控系统下趋于稳定，同时去调节制冷和采暖两个相反的热力工程是很难实现的，必须靠一种来主导，另外一种加以辅助，系统运行初期对于室内温度和反馈信号、和阀门开度等进行统计分析，然后对整个BA系统的监控点和设置参数进行不断调整。
（2）、地暖运行时，地面的导热系数较小，温度也相对较为稳定，因此将地暖系统作为主导，空调相对来说对室内温度变化的影响较快，监控系统的反应也较为迅捷，利用制冷空调来辅助稳定室内温度。
（3）、BA控制系统中监控点的设置对系统稳定影响也较大，因本房间面积较大，且房间三面为外玻璃幕墙结构，室内各点的温度难免会产生一定的温差，为减小室内温度测量的温差，我方采取了多点测量点取平均值的方法，要求弱电单位在室内四面墙上我方指定位置设置测温探头，然后对各点测取的温度进行算数平均，依次作为室内环境的温度T平均,即：
T平均=4/(T1+T2+T3+T4)
对地暖的采暖温度也采用同样的方法，多次测量取平均值。
4、由于206房间位于屋顶层，且在换热机房的对角侧，所以206空调箱所处管路位于空调水系统的最不利环路上，即使按照之前的理论公式将206空调箱的进出水阀门开至最大，系统增加的循环水量所交换的热量也不足以平衡地暖正常运行时所产生的冷负荷。
热公式Q=C*M*T中，
Q-----单位时间内空调系统所送入房间的冷量（此处假设我们的通风管道保温足够好,无能量损失且漏风量为0）。
C-----水的比热容，单位体积的物质升高或降低1摄氏度所吸收或放出的热量
M-----传热介质的质量
T----- 空调供回水的温差（由现场的供回水管上温度计直接读取）
由此公式看出，单位时间内空调的换热量Q，与水的比热容C、水的质量M、传热温差T有关。C为定值，M与水流量有关，而最不利环路上水流量变化不大，因此要在对定时间内增加空调的制冷量，需增大空调供回水的温差，根据空调小流量大温差的原理，需对设备的选型进行改变，而此时业主对室内空气质量也提出了较高的要求，要求室内空气单位体积PM2.5的含量低于2μg/m³以下（按照PM2.5细微颗粒物含量的话应不大于10000个/m³）。这同时要求206室内的空气压力必须保持正压且房间密封性要好。基于此我方编制了专项方案，提出增加一台小流量、大温差的空调机，且同时必须具备高效过滤器，满足室内洁净度要求。因此在原有系统基础上，将远大厂家的一台新风换气机加了进来，与原有206空调箱并联运行，当然二者的压头必须保持一致，否则会产生压头小的设备风阻过大的情况影响效果。新风换气机产生的冷量应等于地暖热量减掉原有206空调产生冷量的差值。
5、地暖的运行势必会影响到整个室内的气流组织，原室内风口设计为单层百叶，沿房间四周吊顶布置，百叶向下。回风口位于门口的正上方，气流组织的均匀性不好。地暖运行后地面会不断产生热的气流组织，与空调冷风会产生气流涡旋，影响热舒适性。经过优化，我方将送风口变更成了双层百叶，且冷空气气流方向调整成了向外玻璃幕墙方向吹，回风口设置在了大卧室的中间位置，冷空气在下降过程中被地暖热气流加热，随着温度的上升气压逐渐降低，而后不断上升进入回风口，室内气流组织较好，总体舒适感不错。
冷负荷问题、空气品质问题、BA控制问题、室内气流组织问题相继解决后，地暖和制冷空调系统进入调试和试运行阶段，有了充分的理论分析和计算后，系统系统较为平稳，基本上实现了室内温度在BA智能控制下保持在26±0.3℃的范围。
总结起来，本系统能够稳定运行的关键因素有几下几点：
正确分析地暖运行产生的影响，及地暖所带来的冷负荷的处理方式。
由于地暖的升温和降温过程较为缓慢且运行较为稳定，由此确定以地暖为主导来确定基准温度、制冷空调为辅助室温补偿调节的联合运行方式；
合理选择地暖和制冷空调的室内测温点，采取多点测量取平均值，尽量保证室温的精确性。
采用小流量、大温差的净化空调设备，吸收地暖运行产生的冷负荷，关于地暖热气流对室内空气品质造成一定影响的问题，后增加的净化空调设备也很好的解决了这个问题。以下为国家环境保护部于2012年颁布的环境空气质量指数（AQI）技术规定（试行）版本中对于各种污染物量值的规定。
对于业主提出的室内空气PM2.5数值为2μg/m³以下的要求，技术中也有明确的空气质量等级划分。如下：
表中可以看出，2μg/m³以下的质量指标空气质量为一等、优等级，适宜各类人群活动。当然从通风空调角度讲，必须同时具备以下两个前提：1）、房间密封性要好，与外界空气隔绝；2）、必须保证足够的送风量，使得房间内相对于室外为正压，防止室外空气渗入。
室内气流组织的问题，正确分析地暖热气流对原有冷风的影响，调整送回风口的设置。
冬夏换季运行时，可根据负荷情况，对两台空调进行变频运行，以实现整个房间的热平衡。
参考文献：实用供热空调设计手册第二版 陆耀庆主编、 通风与空调工程施工质量验收规范GB50243-2002、采暖通风与空气调节设计规范GB50019-2003 上海市工程建設规范：居住建筑节能设计标准DGJ08-205-2011

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