撒世忠, 王 林

(1.无锡市政设计研究院有限公司, 江苏 无锡 214000;2.中建五局建筑设计院, 湖南 长沙 410006)

0 引 言

科技住宅中整个社区在地下室集中设置复合土壤源热泵能源站,在地下室或屋顶或地下室和屋顶集中设置置换新风机组,户内采用静态的地板置换新风技术、顶棚辐射管(或毛细管辐射)供冷供热等技术,以实现整个社区集中供冷供热。该系统末端形式是温/湿度独立控制(Temperature and Humidity Independent Control,THIC)技术的成功典范:采用保温性能良好的外墙保温体系,以及气密性高、综合隔热性能好的门窗,以最大限度地降低空调系统能耗,进而降低运营成本;末端采用顶棚和墙面设置毛细管席或仅采用顶棚辐射管通过辐射的传热方式来对室内进行夏季降温,冬季供热,而公共区域设置集中24 h新风机组对室内进行冬季加湿、夏季除湿;单位面积空调冷负荷可控制在40～60 W/m2[1]。

区别于传统住宅公建配套的用电,科技住宅需要为地下室大型能源站内复合土壤源热泵冷热水机组及其相关设备的大容量动力负荷配电,需采用专用变压器。另还需要为相应的楼栋集中设备(如板式换热机组及新风机组等)配电,可采用公建配套回路为科技系统末端设备供电。

1 科技住宅科技系统的用电设备组成与特点

科技住宅中,复合土壤源热泵形式、温/湿度独立控制末端形式、新风机组内部功能段形式不同,因此用电形式和负荷数值也不相同。

1.1 以朗诗地产为代表的科技住宅用电设备说明

以朗诗地产为代表的科技住宅,一般采用土壤源热泵主机+闭式冷却塔组成能源中心,机房内用电设备主要有土壤源热泵机组、土壤侧循环水泵、新风机组循环水泵、顶棚辐射循环水泵、顶棚辐射二次循环泵、闭式冷却塔、冷却塔循环水泵等。

住户房间内采用的是顶棚辐射管,承压能力为1.6 MPa,土壤源热泵主机可16 ℃高温出水(夏季工况),因此不需要设置板式换热机组。

室内湿度较大的黄梅天,科技系统运行工况是:室内顶棚辐射系统处于供热状态,新风机组处于除湿状态,新风机组只要通过冷冻除湿即可满足室内顶棚不结露的需求,因此系统新风机仅采用一级除湿即可满足要求。新风机组的用电负荷仅取决于新风机组内送排风机和转轮的用电量之和。

1.2 以金茂地产为代表的科技住宅用电设备说明

以金茂地产为代表的科技住宅,一般采用土壤源热泵主机+单冷主机+开式冷却塔+燃气辅助锅炉组成复合能源中心,机房内用电设备主要有土壤源热泵机组、单冷主机、土壤侧循环水泵、双冷源新风机组表冷器一次循环泵、毛细管系统循环水泵(同时作为双冷源新风机直膨机的冷却水循环)、毛细管系统用板式换热机组、开式冷却塔、冷却塔循环水泵、燃气锅炉、燃气锅炉循环泵等。

住户房间内采用的是3.35 mm×0.50 mm或4.30 mm×0.80 mm的PE材质毛细管,承压能力为0.6 MPa,土壤源热泵主机可17 ℃高温出水(夏季工况)。从毛细管承压能力或防止毛细管堵塞的角度,系统需要设置板式换热机组,板式换热机组本质是板换+二次循环泵,也需要进行配电。如果采用土壤源热泵制备集中热水机房内还有土壤源热泵热水机组、相应的土壤侧循环泵、热水循环泵及热水负荷侧与冷水分区相对应的热水变频泵。但目前集中热水运营成本高、管路复杂、计量不方便,科技住宅基本已经取消了集中热水系统。

室内湿度较大的黄梅天,该科技系统运行工况是:毛细管系统处于供冷状态,新风机组处于除湿状态,新风机组的表冷器对空气进行一级除湿,直膨机对空气进行二级除湿。因此,新风机组的用电负荷不仅取决于新风机组内送排风机和转轮的用电量,还取决于直膨除湿设备的用电负荷。

2 项目科技系统方案阶段用电量估算

金茂地产科技系统的用电设备多于朗诗地产的用电设备。以下以金茂地产为例,阐述科技系统设备用电量的估算方法,为专变申请提供理论依据。

2.1 能源中心内设备的选型及配电设计

尽快确定进行土壤源热泵设计的一切地质条件,为土壤源热泵的设计提供数据,利用岩土热响应测试报告进行换热器设计。在住宅建筑总图规划方案和地库初步方案基本确认后,应确定可钻孔区域(一般采用基坑内埋管),以25～30 m2为一个地埋管占地面积,估算出地块可设置的地埋管数量。根据岩土测试报告中若干口井的打井速率总体描述及地质勘察报告中关于土层条件的描述,确定地埋管可设置深度。根据岩土测试报告,不同运行份额下冬夏每米换热量测试数据,确定该地块地埋管每米换热数据,综合考虑住宅典型日负荷运行特性、住宅冷热负荷特征及考虑地埋管设置的经济性,推荐按照0.7运行份额确定地埋管每延米冬夏换热量。

根据每个区域地埋管敷设深度和整个地块地埋管设置数量,确定整个地块土壤源热泵换热量,进而确定能源机房内土壤源热泵主机的选型及相应水泵选型。应根据报规划方案确定总的空调建筑面积。综合考虑围护结构形式、各地区用能习惯、入住率确定单位负荷冷热指标(冷源/空调建筑面积和热源/空调建筑面积),冷负荷控制在60 W/m2以内,热负荷控制在50 W/m2以内。

根据总冷热负荷及地埋管数量反推出土壤源热泵选型,可以确定辅助冷源数量及冷量、辅助热源数量及热量,为冷却塔、水泵等附属设备初步选型提供理论基础,也为估算能源站专变用电量提供数据基础。

采用地源热泵主机+单冷主机+冷却塔+燃气锅炉进行整个能源机房的设计。根据地埋管的冬夏换热量反推地源热泵主机冷热量,确定单冷主机、相应冷却塔、锅炉等用电设备的选型及相应配套水泵的选型参数,进而获得相应用电量。

2.2 某能源中心内主要用电设备配电方式

苏州某科技精装修住宅是以朗诗为代表的科技住宅。采用4台土壤源热泵+闭式塔来满足整个小区的集中供冷供热[2]。该项目位于吴江区盛泽镇,共有10栋18层高层住宅组成,建筑空调计算面积为99 983.87 m2。科技系统能源站配电干线图如图1所示。专用变压器要求设置靠近地源热泵能源站,由于天棚及新风土壤源热泵机组用电负荷较大,建议采用载流量大的母排进行配电。该项目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。只要与主机厂家确认主机自带的控制柜内有完善电气保护装置,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,省去中间开关柜,节省了造价,且大功率设备采用独立母线供电,可靠性更高。

图1 科技系统能源站配电干线图

2.3 楼栋公共设备的选型及配电方式

该项目采用顶棚辐射管(辐射供冷供热)+地板送新风(夏季除湿冬季加湿)来解决室内温/湿度,水系统新风机组均设置在18F屋顶。如采用从专变对屋顶新房机组采用放射式供电,导致某些楼栋屋顶的供电半径超过200 m的情况发生[3],且非常不经济,因此建议采用每栋楼每个单元的公建配套回路对屋顶新风机组进行配电。该项目1台新风机组用电量不大于10 kW,设置了1根5×16 mm的电缆,载流量为50 A[4]。

3 科技住宅配变系统配置的思考

以江苏省为例,传统住宅户根据建筑面积S不同,配置不同的用电容量:S<120 m2,8 kW;120 m2

新风机组配电路径如图2所示。

3.1 科技住宅配电楼栋配电实例

为便于比较与算量,假定某科技住宅项目共有10栋18层楼,层高为2.95 m。每栋楼分别有2个单元,每个单元2户,共72户。每户面积为115 m2,每户配置8 kW用电量;1F～9F设置1个地面电缆分支箱,10F～18F设置1个电缆分支箱(配电总箱),则每栋楼设置2个电缆分支箱;每3层设置楼层计量表箱,则每个电缆分支箱的一个出线回路为3层12户服务;每栋楼有6个楼层计量箱,每个计量箱有12个出线回路。

图2 新风机组配电路径

10栋18层住宅共有2个地面变电所,假定每个变电所到每栋楼电缆分支箱的出线回路长度均为180 m,则出线回路共有20组。从统计数据看,户内箱不计入空调动力负荷后,户内箱总负荷可减50%,即每户按照4 kW计。以下对户内箱计入空调动力负荷和不计入动力负荷从户内箱到变压器容量做选型比较,负荷选型比较如表1所示。

表1 负荷选型比较

3.2 科技住宅配电系统设计的建议

由表1可见,作为科技住宅,由于户内无空调动力负荷,户内PZ30箱负荷减50%,整个配变供配电选型将大大降低。720户居民套内供配电造价对比考虑空调动力负荷将降低158.22万元,分摊到每户为2 200元。当前,咨询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,仍按照标准户型进行相应的配电。投资商不仅要增设专用变压器为科技系统的能源机房供配电,住户端负荷也没有减少。基于此,从客观问题分析看,住户内用电部分不仅增加投资单位成本,也增加社会投资成本,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 结 语

本文从当前金茂和朗诗地产为代表的科技住宅科技系统(集中空调系统)的设备配置规律出发,分析了科技住宅的供配电配置情况,可以得出如下结论:

(1) 科技住宅一般采用专变来对复合土壤源热泵系统的机房进行配电。

(2) 楼栋设备(如新风机组和板式换热机组)一般在公用配电回路中就近配电。

(3) 当前科技住宅科技系统的技术和应用日趋成熟。考虑到科技住宅住户内的空调动力负荷不再存在,通过实例分析,如果供电局能针对科技住宅空调系统配电的一般规律出发,减少住户内的用电负荷标准,将会降低整个科技住宅的电力投入成本。