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1、住宅空调的三种设计方案摘要： 1993-1999年笔者下后承接了武汉经济技术开发区三角湖外国专家公寓一期、二期和武汉新世界康居发展有限公司常青花园2号西区常青金苑的空调设计任务。本文介绍了两种不同使用功能的别墅建筑和一个大型住宅小区的空调设计方案，并就实际使用情况和设计注意事项进行了分析探讨。 关键词： 别墅 住宅 冷热源 节能 造价1993-1999年笔者下后承接了武汉经济技术开发区三角湖外国专家公寓一期、二期和武汉新世界康居发展有限公司常青花园2号西区常青金苑的空调设计任务。1三角湖外国专家公寓一期工程空调设计三角湖外国专家公寓一期工程共建有14幢2户获4户的2层联体别墅，共神龙汽车工40
2、户法国专家居住，总建筑面积6400，位于武汉经济技术开发区风景秀丽的三角湖畔，由武汉经济技术开发区建设开发总公司投资建设。根据建设方和使用方签订的有关协议，一期工程的入住率为100%，设置中央空调和24h生活热水供应系统。空调室内设计参数夏季为24，相对湿度为60%，冬季温度为22，相对湿度为50%，A声级噪声35db.当室外温度下极高与28，冬季低于18是空调系统开始运行。空调系统使用保证率为100%，检修只能在过渡季节不是用空调系统是进行。鉴于上述使用要求，中央空调系统设计时经过多方案的技术经济比较和使用可靠性的论证，最后与建设方达成一致建议，制冷（热）水主机冷水泵、冷却水泵、玻璃钢冷却塔
3、均设置2台，一用一备。生活热水供应采取在主机放置保温混合水箱的方式，直燃型溴化锂冷温水机组的热水供至生活水箱，生活热水系统的回水和补水混合后也进入生活水箱混合加热，方式比较简单但实际使用效果挺好，甚或热水箱得出水量始终能够保证生活热水系统充足而稳定地供应热水，水温的波动幅度也不大。公寓空调系统的末端设备均采用风机盘管机组，全部为卧式暗装，利用走道、房间局部吊顶进行隐藏布置。每台风机盘管均设有电动二通调节阀，冷热水供水回水总管上设有压差旁通控制器，以实现个房间的个性化舒适要求和整个空调系统的节能经济运行。空调系统室外管网采用半通行地沟敷设方式，与生活热水管同沟敷设，室外管网为机械循环通称式系统，
4、系统膨胀水箱设置在邻近的外国专家服务中心3层屋面要求。2三角湖外国专家公寓二期空调设计三角湖外国专家公寓建成后，为满足更多人入住开发取得外国专家和商务需要，于1994年底进行了二期扩建，二期共建有各式公寓式别墅24幢共30套。二期公寓分别为不同公司的外国专家承租并且入住时间和使用性质也相差较大,还预留有部分别墅作为商务会议场地出租使用，因此同建设方协商后决定各幢别墅分别设置独立的空调系统。根据每幢别墅的使用面积（220260）分别采用35一42 kw的空气源热泵机组设置在1层车库内或室外雨蓬下，机组内置循环水泵。别墅内仍采用卧式暗装风机盘管机组，系统膨胀水箱设置在楼梯间斜坡屋面处，风机盘管只设
5、三档控制开关。生活热水的供应原采用的是电热水器满足不了公寓人员较多时洗澡、热水的使用要求，后全部改用燃油型热水炉。选用的空气源热泵机组总的使用后况不错，空调效果也能够满足使用要求。存在的问题是：机组的故障率偏高有一台机组的压缩机烧机，控制系统也不是十分可靠；机组夜间供暖除霜时间长，供水温度过低（低于40），不能保证供暖效果，后在机组供水管上增加6-8kw的辅助电热管，供水温度低于45时电热管开始工作，保证空调供水在45-50之间以满足夜间空调供暖需要机组的容量调不能很好地满足不同住户的个性化使用要求，屋内人员只开一间房的空调时，空调机就得开启，造成很大能源浪费。在武汉地区目前能源供应种类公的情
6、况下，既保证建筑的供冷供暖又保证生活热水供应设计方案的选择确实是需要仔细斟酌的，上述的燃油热水供应方式对已有燃油供应的公寓或小区来说是可行的，对一般的家庭来说则既不安全又很麻烦。三角湖外国专家公寓一期工程因高可靠性要求而导致空调系统工程总造价较高，近500万元单位面积空调工程造价为780元/；二期单幢别墅空调工程造价为11万左右单位面积空调造价为 450元/。一般来说空调总面积越小单位面积空调工程程的造价则越高。3常青金苑小区中央空调工程设计常青金苑小区位于常青花园12号四区为武汉币某单位集资兴建的住宅小区，小区规划为围合式花园小区，占地8.6h总建筑面积122090,除部分出租建筑和架空楼层
7、，居住建筑面积为 103 910 （其中公用建筑2460）住户数488户。根据小区的建设规模住户情况和建设方的要求，设计小区中央空调系统和集中生活热水供应系统。3.1冷（热）水机组冷（热）水机组的选择应根据当地的能源供应状况、住宅建筑的投资使用性质长期运行成本和维护管理水平、建筑空调的可持续发展等进行综合性的技术经济比较，来确定其类型和容量及系统控制方式。经过综合性的技术经济比较并通过专家论证，决定采用燃油型直燃溴化锂吸收式冷温水机组。笔者根据本工程的使用性质在确定冷（热）水机组容量时同时使用系数控0.7选取，空调系统管路能量损耗按0.05选取，最后确定空调系统总冷负荷为9140 kw（其中公
8、用建筑 430kW）空调系统总热负荷为6410kW（其中公用建筑230 kw）生活热水供应负荷为 1860kw、空调系统单位面积冷负荷指标为85.8w（共用建筑93.5 w）空调系统单位面积热负荷指标为60.9W/（公用建筑93.5W）。选用冷温水机组2台，供冷量4625kW2供热量4300kW2,耗电量27kw2,耗油量316kg/h2。因冷却水系统流量较大（1300m3/h），采用两台冷却水系统并联运行。选用超低噪声方形横流式冷却塔2组。冷热水机组采用一机对一泵一塔的系统配置方式以保证系统运行的稳定和可靠性，并设置有备用连源管路，必要时可互为备用。冷（热）水机房设置在中心花园地下室内，所有
9、动转设备均设置城根基础管道支吊架，均采用减振支吊架，机房土建设等消声措施，室外卧式金属贮油罐（体积30）直埋于花园地下，并采取可靠的消防安全措施，直燃机组的烟囱出地面后采现统一的景观处理措施。3.2室外空调管网小区由A,B,C三个组团围合中心花园组成，既灵活通透又完整统一。空调系统室外管网设计时充分利用这一有利条件，设计3个环状管网系统通过冷（热）水机房内的分、集水器来进行各管网系统的流量分配和调节。这样既能够较充分地保证3个环状管网和各幢住宅流量分配的均匀稳定性减少流量失调现象和系统的相互干扰，又能够更好地满足施工要求，否则空调系统室外管网的供回水干管将会因为管径过大而无法敷设。以小区内每幢
10、住宅单元为单访设置室内空调立管系统，单元内立管系统接入空调室外管网时均设有空调人口装置，供水管上设有钢质蝶阀、Y形过滤器，回水管上设有钢质蝶阀和空调水系统流量平衡阀。供回水管上设有温度计、压力表、压差测孔。系统调试时可以根据测得的供回水压差来调整流量平衡阀，以保证每个单元的空调系统均达到设计流量。小区空调室外管网系统庞大而复杂，3个环状管网系统的空调供回水管最大管径均为DN350，生活热水管最大管径为DN125，空调室外管网采取地沟敷设和直埋敷设的混合方式，干管均为地沟敷设，横穿主要马路的干管和入单元支管则为直埋敷设。地沟采用混凝土结构的半通行地沟，空调管道和生活热水管道同沟敷设每100m内在
11、空调管沟最低处均设置有集水坑和排污潜水泵，以保证空调管沟不积水。随着社会经济的发展水宅小区的功能越来越齐全。智能化小区的实现带来住宅小区室外管网系统的庞杂和繁多，各种管网系统的合理布置和综合协调难度越来越大，为保证各种管网系统在有限的地下空间内（城市排水干管的标高限制了管网系统标高卜延的可能）全理布置到位并预留维修改造空间，各种管网系统在保证使用的前提下应该力求直埋敷设。武汉地区地下水位一般在0.8-1.2m之间，在做好空调管道保温防水防腐的同时，采取有效的滤水措施是完全能够实现空调管道的直埋敷设的。3.3 室内空调方式住宅建筑的室内空调方式技术上并不复杂，但必须结合户型设计、结构类型、装修需
12、要、个性化特点等进行细致周到的权衡和布置。为计量查表和检修的需要，立管管井必须布置在楼梯间并预留查表和检修门；室内管道布置要力求集中合理隐蔽方便维修，尽量利用走道、储物间、卫生间厨房等次要或可吊顶的空间。本工程中大部分住房均为复式，1个6层单元6户每户空调供回水管人口均设在双数层，立管管井布置在楼梯间，立管系统和户内水平管道系统均为同程式布置尽量利用走道和储物间等来布置水平管道。房间风机盘管的布置也尽量利用过道或壁柜等空间送回风方式大部分为侧送底回，侧送侧回时拉大送回风口距离以免气流短路。送回风均接风管时采用高静压风机盘管其余均为标准型风机盘管。室内空调水平管道均采用铝塑复合管和铜质管件接头熔
13、焊连接。因整体连接性好防渗漏可靠性高于钢管连接。且铝塑复合管的可塑性好，减少了管件和接头的数量并取消了连接风机盘的软接头。管道的保温材料均选一级阻燃管套可直接穿套铝塑复合管，增加了保温的整体性和防凝露功能。小区内每户均为复式住宅，居住面积较大，但住户人数较少因限于户型设计，没有设置独立的新风系统。但卫生间（三卫）设有排风扇、厨房设有排烟油机及双风道竖向排风管井，能够有效地排除掉室内污浊空气和异味油烟并利用排风负压从门、窗缝隙引进室外新鲜空气能够满足人体舒适性和空气品质要求。住宅室内空调系统布置时要密切配合建筑和装修专业的要求，在保证空调设计效果的同时尽量不占用过多的建筑空间并力求美观实用。由于
14、层高限制，不能保证最低吊顶高度在2.2m时，空调供回水管可考虑穿梁敷设，但预埋钢套管一定要准确到位。3.4计量和计费系统空调计量和计费系统事关每家每户的切身利益，必须做到公平、公正、合理，经过调研和多方案比较，采取公认较为科学的用冷量计量方案，并结合小区智能化结构布线系统实现计量计费（自来水、生活热水、空调用冷）的网络化远传用户可直接到小区物业管理中心查询和交纳各种费用。小区的智能化自动计量、计费系统入图1所示。系统采用分布式计算机监控结构，监控中心与区域控制器相连区域控制器各用户监控自相连负责对各监控点进行查询并对计量数据进行处理存储该结构可靠性高。3.4.1 SYSTEK 3000监控中心
15、由监控计算机、系统监控管理软件、主控卡、打印机、后备电源组成。系统监控管理软件运行在Win98平台全汉化界面，有良好的操作提示。管理人员可随时通过该软件以定时或手工方式查询用户的水在活热水在调的使用费，并可自动存储于系统数据库中，管理人员还可通过用户地址和姓名查询某个指定用户的费用数据，并进行转存和打印。3.4.2 SYSTEK 32O0区域控制器通过RS485总线与SYSTEK4010数据采集器相连，查询各监测点的监测数据，将查询数据进行计算处理并加以存储。通过RS4185总线与监控中心通讯，接收中心指令并将其所管理的用户监测点的计里数据传至监控中心。3.4.3 SYSTEK4010数据采集
16、器该设备具备水、热水脉冲数据计量接口与1个脉冲流量接口，2个温度传感器接口，实时采集各种计量数据进行计算、存储。该设备提供电动控制阀控制接口，当用户超期没有交费可由接口中心控制关断空调供水。通过RS485总线与SYSTEK 3200区域控制器相连，将其所采集数据传至区域控制器。3.4.4计量设备水、生活热水表采用脉冲计量表，空调计量采用脉冲流量计、数字温度传感器。温度传感器安装采用插入式，测量准确。SYSTEK区域控制器通过RS485总线最多可以与210个数据采集器（SYSTEK 4010）连接，并控制这些数据采集器工作读取数据采集器内的各种数据，因此此智能化结构布线系统可以同时实现安全防卫、
17、用子巡更、报警、家电智能化控制、小区网络系统等综合件智能化功能，并且有扩展性，真正实现智能小区的数字化生存。3.5空调系统节能控制和运行住宅小区空调系统使用的特殊性使其空调负荷参差性大，除了室外气象参数的影响外，住宅空调使用的高峰仅集中在一天中的几个特定时段其余大部分时间都在部分负荷下运行，因此住宅小区中央空调系统的节能控制和运行是大有可为的。本工程设计时采用的变频方式是：两台主机的冷水系统并联运行，3台并联冷水泵1台备用，1台定流量运行，1台变频运行；每台主机的冷却水系统独立运行，3台并联冷却水泵，1台备用，1台定流量运行，1台变频运行冷却塔由3台联成一组，其中1台冷却塔风机变频运行。冷水泵
18、、冷却塔风机的控制信号线均接入直燃机控制柜，供回水管设置温度传感器，由设定的供回水温差来实现对空调冷负荷的动态跟踪并控制冷水泵、冷却水泵、冷却塔风机的变频运行。此变频控制系统不仅能供提供部分负荷下空调系统的运行效率，而且能够实现全工况的节能运行，降低空调系统的使用成本，提高系统的运行可靠性和使用寿命。3.6空调系统的造价本工程空调系统1999年8月开始动工兴建，现在已完成80%的施工工作量根据初步统计，整个空调系统实际完成的工程造价再2700万元左右（其中冷热水机房部分1100万元，室外空调系统建设的规模和档次的不同，单位建筑面积空调系统建设的造价一般在250300元/之间基本相符。 几种BC
19、HP技术及其能源利用效率的简要分析摘要： BCHP是能量梯级综合利用的技术，对于解决我国面临的环境、能源问题有重要作用。本文对BCHP与传统空调用能方式的优缺点进行了分析，讨论了现有技术条件下几种BCHP技术的性能和特点，对基于微型燃气轮机和燃气内燃机的BCHP技术进行了分析，结果表明，在目前的技术水平下，当”以热定电”时，燃气内燃机方案较微燃机方案的一次能耗要低。 关键词： BCHP 微型燃气轮机 燃气内燃机 以热定电1 引言能源、环境问题是中国实现可持续发展战略所面临的重大挑战之一，应对这一挑战，需要各行各业密切协作，在各自的领域里作出巨大努力，空调制冷业也不能例外。事实上近年来空调制冷业
20、的发展，正在造成我国乃至全球能源、环境危机：空调用电不仅已成为城市能源消费最多的领域之一，还在夏季造成电网尖峰负荷，致使电力供应出现紧张局势；而空调在全球的使用也直接、间接地造成诸如大气臭氧层破坏，温室气体排放，城市热岛1等环境问题。因此，解决能源、环境问题，空调制冷行业有着不可推卸的责任，理应有所作为和贡献。提高设备性能虽然是解决问题的一个重要方面，但在空调使用飞速增长的中国，仅仅这样还远不够，必须从提高整个能源系统效率的角度出发，研究提高空调系统用能的高效化、清洁化，有效降低空调制冷能耗，减少环境污染，这是一个不可忽视的领域1,2，而BCHP作为一种能量梯级综合利用的技术，可以在这方面发挥
21、重要作用1,2,3，本文就几种BCHP技术的能效作一初步分析。2 BCHP的概念及其优越性BCHP即楼宇冷热电联产，是Building Cooling, Heating and Power的缩写，其原理是：燃料（油、气等）先经热功或电化学过程转换为电力供建筑物使用，燃料发电后的余热则用于建筑物供热、空调等，如图1所示。而在传统的以电力为能源的空调系统中，高品质的能源在中国目前最主要的部份是煤首先以较低的效率被转换为“清洁的”二次能源电力，经输配电设施到建筑物，再经制冷制热设备转换为低品位的空调冷热源通常是冷水或热水，在此过程中能量不仅在质上贬值了高品位的能量被转换成了低品位的空调冷热水，且数量
22、上也“减少了”：大部份排热因远离用户而作为废热与NOx、SO2、粉尘等污染物一起被排入大气，造成环境污染，如图2所示。比较上面两种空调用能模式可见，BCHP的用能方式具有诸多优点：用能合理，实现了能量的梯级利用，减少了能量转化和利用过程中的不可逆损失；高效，燃料作功后的余热也得到充份利用；清洁，可使用天然气等清洁燃料；环保，燃气内燃机、燃气轮机、燃料电池均有低排放特点；分布式现场发电，提高供电可靠性。在当今中国，空调用电持续增加，而污染严重的矿物燃料煤又占能源消耗绝对多数比例，为缓解环境、能源问题，国家已启动了一系列天然气工程，预计未来天然气在能源消费中所占比例将有较大幅度提高。但我国是一个人
23、均能源、资源稀少的国家，已探明天然气储量并不能满足国内能源需求，因此，应当尽可能高效、经济地使用，如BCHP，CCHP，DHC等等，使之在解决人口密集的城市的能源、环境问题方面有效发挥作用。3 几种BCHP技术3.1 BCHP的系统构成根据其功能，BCHP系统可分为三个子系统：燃料电力转换及接入设备、空调冷热源热备、包括空气处理末端的空调系统。各子系统均有多种技术方案，各有特点。3.2 几种 BCHP技术方案的性能特点3.2.1 微型燃气轮机余热溴化锂机组方案此方案中，微型燃气轮机（出力300kW以下）发电后的余热被直接用以驱动吸收式制冷机，制冷量不足时可补燃以增加冷机出力。目前小型燃机发电效
24、率在30以下，国外有数家公司有商品化机组，国内也已开始投入力量进行研发。吸收式机组国内外均有生产厂家。此方案系统较简单，且不用氟利昂制冷剂，与建筑用能匹配也较容易。3.2.2 燃气内燃机余热投入型溴化锂机组方案在此方案中内燃机发电后的余热先进行回收，然后被导入直燃机用以预热溶液，减少燃料消耗量。燃气内燃机特别是带增压中冷的机组发电效率较高，目前在30-42间，依机组容量而异。冷（热）负荷较低时，也可仅以排热驱动制冷机。3.2.3 高温燃料电池余热溴化锂机组方案燃料电池是将燃料化学能直接转化为电能的装置，不受卡诺定律的限制，有很高的发电效率（50-79）。SOFC（固体氧化物燃料电池）和MCFC
25、（熔融碳酸盐燃料电池）可直接以天然气作燃料发电4，不仅发电效率高，且排热温度高，可达750，用以驱动吸收式制冷机，可获得较高的能效比。此方案因发电效率高，排热相应较少，也需要补燃才可提供足够冷量。3.2.4 燃气内燃发电机压缩式制冷这是一个无吸收式制冷技术的方案。燃气机除用以发电外，还可用以直接驱动蒸汽压缩式制冷机或热泵，也可以发电后驱动电动制冷机组，依建筑物需要而定。燃气机的余热可作各种用途，包括用于除湿干燥，这可以提高制冷机出水温度，使制冷机组能效比大幅提高；在热泵应用中则可以提高制热量，使之在外界环境温度下降时仍能维持一定的制热量。因燃气机热效率较高，这个方案的一次能利用效率也是较高的。
26、除以上方案外，还可能有其它方案的组合，而其它技术如PAFC（磷酸型燃料电池）、PEMFC（质子交换膜燃料电池）也是合适的BCHP动力设备，在此不一一述及。下表列出了国内外知名厂家如康明斯，卡特彼勒，宝曼等的发电机组所能达到的性能。由表可见，不同产品发电效率、余热品位（温度）相差较大，要分析与其相应的BCHP的能效，只有火用效率才是合理的指标1，但这在计算上有些不便，为使分析可行，本文将在一定的热（冷）、电负荷下进行不同方案的一次能消耗的分析比较。表1.几种动力转换设备的性能参数 项目参数内燃机外燃机微燃机*SOFC发电效率32-383015202550-60高温余热温度（）520/550/70
27、0制冷系数*1.0/1.0/1.25低温余热温度（）9050/9595/制冷系数*0.75/0.80.8/*理论估计值，根据直燃机高发温度160度、COP较高值为1.35推算得到。*某公司热水型溴冷机数据。*见Bowman 公司产品介绍。4 两种BCHP技术的能效分析鉴于微型燃气轮机和燃气内燃机在目前是较成熟的技术，因此本文着重讨论基于这两种技术的BCHP技术：方案1 和方案4。设有一建筑物，其冷负荷为Qc，自发电负荷为W。则依方案1的能量转换方式可得：上式中，吸收式制冷机的性能系数；t燃气轮机发电效率；吸收式制冷机补燃功率。设补燃功率制冷量为总冷负荷的x倍，即，则设燃气内燃机发电效率为e，压
28、缩式制冷机性能系数为，不考虑内燃机余热回收，则方案1的一次能消耗量及方案4的一次能消耗量分别为由于关于补燃的溴冷机的性能参数比较少，为便于讨论，现假设x=0，即不考虑补燃，建筑物冷负荷全部由燃气轮机余热满足，这实际上是”以热定电”。以目前蒸汽压缩冷水机组的技术水平，高水平的螺杆机COPc可达5.2，离心机则可达7.0，这里取5.2。燃气内燃发电机效率取35%，代入表1的其它相关参数可得各方案的PE值，如表2所示，这里还未计入内燃机的可利用排热。由表2可见，在不补燃、不计入内燃机可利用排热的条件下，仅当微燃机效率大于25时，方案2.2.4的一次能耗才较方案2.2.1 为低，但由于此时余热温度较低
29、，制冷性能系数低，为满足冷负荷要求，发电功率就将超出建筑自身负荷，需要向电网售电，而这将遇到很大阻力；此外若将内燃机的排热用于空调制冷，如干燥除湿等，则方案2.2.4的一次能耗仍将低于方案2.2.1，将另文进行分析讨论。表2. 两种方案的一次能耗比较 方案PE值方案2.2.16.67W5W4W方案2.2.45.97W4.6W4.18W5 结束语BCHP是能量梯级利用的新型能源、环境技术，其技术仍在不断发展，在目前及可预见的将来，有多种技术方案可供选择，其中基于内燃机的BCHP技术在某些情况下具有较高的一次能效率，且目前内燃机远较微燃机廉价，未来内燃机效率更将高达50（见美国能源部网站），因此可以预计将有更好的技术经济性能。看来，只有在准确地预计建筑物电、热负荷的基础上，在可行的技术条件下结合能源价格和政策进行综合优化才能得到技术、经济均为最佳的BCHP技术方案。参考文献