别墅空调系统冷热源方式选择
北京维拓时代建筑设计有限公司 杨志芳
1 引言
人类的居住建筑从最初的遮风避雨和抵御恶劣自然环境的掩蔽所到今天四季如春的智能化建筑，人们对居住条件的舒适性要求越来越高。别墅作为住宅类项目中的高端产品，开发商和设计师都倾注了大量的心血。
对于国内来讲，别墅的概念即为低密度的独立住宅，因其低密度故其占有的土地资源较多，成本较高。目前北京市成片开发的别墅区基本位于远郊区县，绝大多数投资者的购房目的是作为第二居所使用。而这部分客户群应属于事业有成之士，他们对居住的品质要求较高。高品质不只体现在低密度上，而且要靠设备与技术的高投入、高质量、高舒适来支撑。作为设备工程师在别墅建筑的设计中，不仅要通过运用高新技术手段及采用高新技术设备，打造低密度、高品质的健康居所，同时还要打造绿色环保的低能耗住宅产品。因此本文通过北京东方太阳城别墅项目设计实例，探讨别墅类建筑空调系统设计冷热源采用何种最佳方式来满足在高品质、高舒适的前提下节能环保，可持续发展。
2 设计实例
2.1 工程概况
本工程是由中国希格玛集团有限公司在北京发展的大型社区 —— “东方太阳城”。该社区位于北京东北约50公里的顺义潮白河畔，占地234公顷，总建筑面积79万平方米，建筑型式包括：公寓、联排别墅及独立别墅的居住建筑以及为社区服务的配套公共建筑，其中独立别墅建筑为9.9万m2。
该工程所处地区市政条件匮乏，既无市政燃气管道，也无城市热网，对于采暖、空调系统的冷热源如何设置，是我们设计中重点探讨研究的课题。
2.2 能源方式选择及技术经济比较
对于别墅类项目，其空调系统冷热源的选择不仅要考虑能源利用的合理性，还要考虑冷热源供应方式的合理性。
东方太阳城独立别墅项目，绝大多数投资人把其作为第二居所，同时入住率较低，若冷热源采用集中供应，其运行调节不方便，又因为其低密度，室外管网的投资会较大，不十分经济，因此，我们在冷热源方式选择上不考虑集中供应方案。
该项目可利用的能源模式，可以采用燃气、燃油、电等。根据国情，燃油设备的运行费用是比较高的，而且还要设置贮油间，从而带来一些为了确保安全而要设置一些消防设施，其方案明显不经济合理，因此燃油设备方案不在本冷热源方式选择比较的范围内。
2.2.1 冷热源方式（见表2.2.1）
表2.2.1
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内容项目
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冷源
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热源
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室内系统
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方式一
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风冷冷水机组
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燃气壁挂炉
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风机盘管
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方式二
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户式风道机
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燃气壁挂炉
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风道系统
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方式三
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分体空调机
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燃气壁挂炉
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分体壁挂室内机+地板采暖
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方式四
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直接蒸发式变冷媒热泵机组
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直接蒸发式变冷媒热泵机组
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室内机
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方式五
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户式土壤源热泵
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户式土壤源热泵
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风机盘管
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2.2.2 技术经济比较
为便于分析比较，选择该居住区独立别墅的A5户型作为计算基础，综合考虑系统的主要因素有系统的初投资、运行费用、绿色环保以及管理维护的难易程度等。
(1) 基础数据：建筑面积：377m2
设计冷负荷：19.6KW（未含新风负荷）
设计热负荷：18.3KW（未含新风负荷）
初投资：仅考虑设备购置费及安装费
天然气价格：2.5天/立方米（小区压缩天然气转换站供气）
民用电价格：0.49元/度
运行时间：夏季：按120天考虑，12小时/天运行。
冬季：按130天考虑，12小时/天运行。
(2) 设备选型：
a．为技术经济比较趋于公平，各方式的主要设备选型均按进口品牌考虑。
b．设备的供冷、供热负荷考虑预留用户增加新风系统的新风负荷量。
c．设备选型见表2.2.2－1。
(3) 投资及运行分析比较见表2.2.2－2。
(4) 各方式比较汇总见表2.2.2－3。
主 要 设 备 表
表2.2.2－1
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方式
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冷源
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热源
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室内系统
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备注
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方式一
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风冷冷水机组30RA0331 1台
冷量：31.7KW，电功率：12.4KW， 内置水泵：电功率：0.93KW |
壁挂炉JLG34－BA81 1台
热量：34KW，天然气耗量3.63m3/h 内置水泵：0.125KW |
风机盘管 10台
功率：50W×10＝500W |
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方式二
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户式风道机5冷吨 2台
制冷量：17.6KW×2＝35.2KW 电功率：(1.7＋0.75)KW×2＝10.9KW |
壁挂炉JLG34－BA81 1台
热量：34KW，天然气耗量3.63m3/h 内置水泵：0.125KW 户式风道机内置加热盘管 电功率：0.75KW×2＝1.5KW |
风道系统
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方式三
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分体壁挂机 10台
电功率：14KW |
壁挂炉JLG34－BA81 1台
热量：34KW，天然气耗量3.63m3/h 内置水泵：0.125KW |
分体空调室内机 10台
电功率：50W×10＝500W 地板辐射采暖 |
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方式四
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直接蒸发变频空调机
室外机：RHXY16MY1 1台 制冷量：45KW（标准工况） 电功率：(3＋4.5＋4.5＋0.75)KW＝12.75KW |
直接蒸发式变频空调机
室外机：RHXY16MY1 1台 制热量：45KW（标准工况） 电功率：12.75KW |
直接蒸发式变频空调机
室内机：10台 电功率：50W×10＝500W |
制热：标准工况
室内20℃/室外7℃ 若冬季运行工况 室内22℃/室外－12℃ 制热量约为36KW |
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方式五
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水水热泵机组ILA120 1台
制冷量32.2KW，电功率：7.7KW 乙二醇泵：FLGR40－125，电功率：1.1KW 循环泵FLGR40－125，电功率：1.1KW 室外竖直埋管井：5口，井深80米 |
水水热泵机组ILA120 1台
制热量36.4KW，电功率：10KW 乙二醇泵：FLGR40－125，电功率：1.1KW 循环泵FLGR40－125，电功率：1.1KW 室外竖直埋管井：5口，井深80米 |
风机盘管10台
电功率50W×10＝500W |
投 资 及 运 行 费 用 比 较 表
表2.2.2－2
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方式一
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方式二
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方式三
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方式四
|
方式五
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投资
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风冷机：3.5万元
壁挂炉：1.8万元 风机管：3.0万元 |
风道机：6.25万元
壁挂炉：11.8万元 风道系统：1.0万元 |
分体空调：3.5万元
壁挂炉：1.8万元 地暖：3.3万元 |
变频室外机：5.0万元
变频室内机：6.0万元 |
机房设备：6.0万元
室外系统：2.75万元 风机盘管：3.0万元 |
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合计（万元）
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8.3
|
9.05
|
8.6
|
11.0
|
11.75
|
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指标（元/米2）
|
220元
|
240元
|
228元
|
290元
|
312元
|
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排序 低→高
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①
|
③
|
②
|
④
|
⑤
|
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运
行 费 用 |
夏季
|
元
|
9758.4
|
7691.4
|
10231.2
|
9349.2
|
7338.24
|
|
元/米2
|
25.88
|
20.40
|
27.14
|
24.80
|
19.46
|
||
|
冬季
|
元
|
14635
|
15399.5
|
14252.55
|
10128.3
|
9707.88
|
|
|
元/米2
|
38.82
|
40.85
|
37.81
|
26.87
|
25.75
|
||
|
合计
|
元
|
24393
|
23090.9
|
24483.75
|
19477.5
|
17046.2
|
|
|
元/米2
|
64.70
|
61.25
|
64.95
|
51.67
|
45.21
|
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|
排序 低→高
|
④
|
③
|
⑤
|
②
|
①
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各方式比较汇总表
表2.2.2－3
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方式
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优势
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劣势
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方式一
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初投资低；运行较灵活可进行分室调节；冬季末端配置可选择地暖方式增加舒适性。
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运行费用较高；维护工作较复杂；风冷冷水机组室外机占地布置影响环境美观，需降噪设施。
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方式二
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初投资较低；运行费用较低；可将新风配置溶为一体。
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分室控制成本高；室内机及风道布置占用空间；室外机布置影响环境美观；室内、室外机的噪声需要严格控制；末端配制不灵活。
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方式三
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初投资较低；夏季空调分室控制较易实现；运行维护简单；冬季地暖较舒适。
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运行费用高；多台室外机布置影响环境美观，噪声问题不易处理。
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|
方式四
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运行费用较低；分室控制灵活；维护方便；风机盘管冷凝水可提升。
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投资较高；冬季运行效率低；室外机的布置影响环境美观，需采取降噪措施；末端配置不灵活。
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方式五
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运行费用最低；节能环保，可再生能源得到利用；可分室调节，运行灵活方便；末端配置可灵活多样，采用辐射方式，供冷供暖增加舒适性，提高居住品质。
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初投资高；需要占用室外花园的面积布置地藕合式换热器。
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3 结论
综合上述的分析比较，在与东方太阳城相同的别墅类项目中，空调系统冷热源应首选土壤源热泵技术。虽然该技术在投资上较其它方式高，但在主机设置不受外界环境的影响、运行效率高、运行费用低等方面均优于其它方式，尤其是在环境保护上，从土壤源热泵的整个运行原理分析，其系统实际上是真正意义的绿色环保空调，无论是冬季还是夏季的运行，都不会对建筑外大气环境造成不良影响。又因别墅项目低密度的优势，使室外地藕合式换热器的设置方便可行。
东方太阳城别墅项目从2003年设计采用土壤源热泵技术，到目前为止已投入运行了近四年的时间，通过实际运行检验，达到了设计的预期要求，运行费用比上述理论计算实际还要低，充分体现了节能、环保、能源可再生利用的优势，并为同类工程提供了借鉴作用。