科技住宅冷熱源設(shè)備專(zhuān)用供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的探討

撒世忠, 王 林

(1.無(wú)錫市政設(shè)計(jì)研究院有限公司, 江蘇 無(wú)錫 214000;2.中建五局建筑設(shè)計(jì)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410006)

0 引 言

科技住宅中整個(gè)社區(qū)在地下室集中設(shè)置復(fù)合土壤源熱泵能源站,在地下室或屋頂或地下室和屋頂集中設(shè)置置換新風(fēng)機(jī)組,戶(hù)內(nèi)采用靜態(tài)的地板置換新風(fēng)技術(shù)、頂棚輻射管(或毛細(xì)管輻射)供冷供熱等技術(shù),以實(shí)現(xiàn)整個(gè)社區(qū)集中供冷供熱。該系統(tǒng)末端形式是溫/濕度獨(dú)立控制(Temperature and Humidity Independent Control,THIC)技術(shù)的成功典范:采用保溫性能良好的外墻保溫體系,以及氣密性高、綜合隔熱性能好的門(mén)窗,以最大限度地降低空調(diào)系統(tǒng)能耗,進(jìn)而降低運(yùn)營(yíng)成本;末端采用頂棚和墻面設(shè)置毛細(xì)管席或僅采用頂棚輻射管通過(guò)輻射的傳熱方式來(lái)對(duì)室內(nèi)進(jìn)行夏季降溫,冬季供熱,而公共區(qū)域設(shè)置集中24 h新風(fēng)機(jī)組對(duì)室內(nèi)進(jìn)行冬季加濕、夏季除濕;單位面積空調(diào)冷負(fù)荷可控制在40～60 W/m2[1]。

區(qū)別于傳統(tǒng)住宅公建配套的用電,科技住宅需要為地下室大型能源站內(nèi)復(fù)合土壤源熱泵冷熱水機(jī)組及其相關(guān)設(shè)備的大容量動(dòng)力負(fù)荷配電,需采用專(zhuān)用變壓器。另還需要為相應(yīng)的樓棟集中設(shè)備(如板式換熱機(jī)組及新風(fēng)機(jī)組等)配電,可采用公建配套回路為科技系統(tǒng)末端設(shè)備供電。

1 科技住宅科技系統(tǒng)的用電設(shè)備組成與特點(diǎn)

科技住宅中,復(fù)合土壤源熱泵形式、溫/濕度獨(dú)立控制末端形式、新風(fēng)機(jī)組內(nèi)部功能段形式不同,因此用電形式和負(fù)荷數(shù)值也不相同。

1.1 以朗詩(shī)地產(chǎn)為代表的科技住宅用電設(shè)備說(shuō)明

以朗詩(shī)地產(chǎn)為代表的科技住宅,一般采用土壤源熱泵主機(jī)+閉式冷卻塔組成能源中心,機(jī)房?jī)?nèi)用電設(shè)備主要有土壤源熱泵機(jī)組、土壤側(cè)循環(huán)水泵、新風(fēng)機(jī)組循環(huán)水泵、頂棚輻射循環(huán)水泵、頂棚輻射二次循環(huán)泵、閉式冷卻塔、冷卻塔循環(huán)水泵等。

住戶(hù)房間內(nèi)采用的是頂棚輻射管,承壓能力為1.6 MPa,土壤源熱泵主機(jī)可16 ℃高溫出水(夏季工況),因此不需要設(shè)置板式換熱機(jī)組。

室內(nèi)濕度較大的黃梅天,科技系統(tǒng)運(yùn)行工況是:室內(nèi)頂棚輻射系統(tǒng)處于供熱狀態(tài),新風(fēng)機(jī)組處于除濕狀態(tài),新風(fēng)機(jī)組只要通過(guò)冷凍除濕即可滿(mǎn)足室內(nèi)頂棚不結(jié)露的需求,因此系統(tǒng)新風(fēng)機(jī)僅采用一級(jí)除濕即可滿(mǎn)足要求。新風(fēng)機(jī)組的用電負(fù)荷僅取決于新風(fēng)機(jī)組內(nèi)送排風(fēng)機(jī)和轉(zhuǎn)輪的用電量之和。

1.2 以金茂地產(chǎn)為代表的科技住宅用電設(shè)備說(shuō)明

以金茂地產(chǎn)為代表的科技住宅,一般采用土壤源熱泵主機(jī)+單冷主機(jī)+開(kāi)式冷卻塔+燃?xì)廨o助鍋爐組成復(fù)合能源中心,機(jī)房?jī)?nèi)用電設(shè)備主要有土壤源熱泵機(jī)組、單冷主機(jī)、土壤側(cè)循環(huán)水泵、雙冷源新風(fēng)機(jī)組表冷器一次循環(huán)泵、毛細(xì)管系統(tǒng)循環(huán)水泵(同時(shí)作為雙冷源新風(fēng)機(jī)直膨機(jī)的冷卻水循環(huán))、毛細(xì)管系統(tǒng)用板式換熱機(jī)組、開(kāi)式冷卻塔、冷卻塔循環(huán)水泵、燃?xì)忮仩t、燃?xì)忮仩t循環(huán)泵等。

住戶(hù)房間內(nèi)采用的是3.35 mm×0.50 mm或4.30 mm×0.80 mm的PE材質(zhì)毛細(xì)管,承壓能力為0.6 MPa,土壤源熱泵主機(jī)可17 ℃高溫出水(夏季工況)。從毛細(xì)管承壓能力或防止毛細(xì)管堵塞的角度,系統(tǒng)需要設(shè)置板式換熱機(jī)組,板式換熱機(jī)組本質(zhì)是板換+二次循環(huán)泵,也需要進(jìn)行配電。如果采用土壤源熱泵制備集中熱水機(jī)房?jī)?nèi)還有土壤源熱泵熱水機(jī)組、相應(yīng)的土壤側(cè)循環(huán)泵、熱水循環(huán)泵及熱水負(fù)荷側(cè)與冷水分區(qū)相對(duì)應(yīng)的熱水變頻泵。但目前集中熱水運(yùn)營(yíng)成本高、管路復(fù)雜、計(jì)量不方便,科技住宅基本已經(jīng)取消了集中熱水系統(tǒng)。

室內(nèi)濕度較大的黃梅天,該科技系統(tǒng)運(yùn)行工況是:毛細(xì)管系統(tǒng)處于供冷狀態(tài),新風(fēng)機(jī)組處于除濕狀態(tài),新風(fēng)機(jī)組的表冷器對(duì)空氣進(jìn)行一級(jí)除濕,直膨機(jī)對(duì)空氣進(jìn)行二級(jí)除濕。因此,新風(fēng)機(jī)組的用電負(fù)荷不僅取決于新風(fēng)機(jī)組內(nèi)送排風(fēng)機(jī)和轉(zhuǎn)輪的用電量,還取決于直膨除濕設(shè)備的用電負(fù)荷。

2 項(xiàng)目科技系統(tǒng)方案階段用電量估算

金茂地產(chǎn)科技系統(tǒng)的用電設(shè)備多于朗詩(shī)地產(chǎn)的用電設(shè)備。以下以金茂地產(chǎn)為例,闡述科技系統(tǒng)設(shè)備用電量的估算方法,為專(zhuān)變申請(qǐng)?zhí)峁├碚撘罁?jù)。

2.1 能源中心內(nèi)設(shè)備的選型及配電設(shè)計(jì)

盡快確定進(jìn)行土壤源熱泵設(shè)計(jì)的一切地質(zhì)條件,為土壤源熱泵的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù),利用巖土熱響應(yīng)測(cè)試報(bào)告進(jìn)行換熱器設(shè)計(jì)。在住宅建筑總圖規(guī)劃方案和地庫(kù)初步方案基本確認(rèn)后,應(yīng)確定可鉆孔區(qū)域(一般采用基坑內(nèi)埋管),以25～30 m2為一個(gè)地埋管占地面積,估算出地塊可設(shè)置的地埋管數(shù)量。根據(jù)巖土測(cè)試報(bào)告中若干口井的打井速率總體描述及地質(zhì)勘察報(bào)告中關(guān)于土層條件的描述,確定地埋管可設(shè)置深度。根據(jù)巖土測(cè)試報(bào)告,不同運(yùn)行份額下冬夏每米換熱量測(cè)試數(shù)據(jù),確定該地塊地埋管每米換熱數(shù)據(jù),綜合考慮住宅典型日負(fù)荷運(yùn)行特性、住宅冷熱負(fù)荷特征及考慮地埋管設(shè)置的經(jīng)濟(jì)性,推薦按照0.7運(yùn)行份額確定地埋管每延米冬夏換熱量。

根據(jù)每個(gè)區(qū)域地埋管敷設(shè)深度和整個(gè)地塊地埋管設(shè)置數(shù)量,確定整個(gè)地塊土壤源熱泵換熱量,進(jìn)而確定能源機(jī)房?jī)?nèi)土壤源熱泵主機(jī)的選型及相應(yīng)水泵選型。應(yīng)根據(jù)報(bào)規(guī)劃方案確定總的空調(diào)建筑面積。綜合考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式、各地區(qū)用能習(xí)慣、入住率確定單位負(fù)荷冷熱指標(biāo)(冷源/空調(diào)建筑面積和熱源/空調(diào)建筑面積),冷負(fù)荷控制在60 W/m2以?xún)?nèi),熱負(fù)荷控制在50 W/m2以?xún)?nèi)。

根據(jù)總冷熱負(fù)荷及地埋管數(shù)量反推出土壤源熱泵選型,可以確定輔助冷源數(shù)量及冷量、輔助熱源數(shù)量及熱量,為冷卻塔、水泵等附屬設(shè)備初步選型提供理論基礎(chǔ),也為估算能源站專(zhuān)變用電量提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

采用地源熱泵主機(jī)+單冷主機(jī)+冷卻塔+燃?xì)忮仩t進(jìn)行整個(gè)能源機(jī)房的設(shè)計(jì)。根據(jù)地埋管的冬夏換熱量反推地源熱泵主機(jī)冷熱量,確定單冷主機(jī)、相應(yīng)冷卻塔、鍋爐等用電設(shè)備的選型及相應(yīng)配套水泵的選型參數(shù),進(jìn)而獲得相應(yīng)用電量。

2.2 某能源中心內(nèi)主要用電設(shè)備配電方式

蘇州某科技精裝修住宅是以朗詩(shī)為代表的科技住宅。采用4臺(tái)土壤源熱泵+閉式塔來(lái)滿(mǎn)足整個(gè)小區(qū)的集中供冷供熱[2]。該項(xiàng)目位于吳江區(qū)盛澤鎮(zhèn),共有10棟18層高層住宅組成,建筑空調(diào)計(jì)算面積為99 983.87 m2。科技系統(tǒng)能源站配電干線圖如圖1所示。專(zhuān)用變壓器要求設(shè)置靠近地源熱泵能源站,由于天棚及新風(fēng)土壤源熱泵機(jī)組用電負(fù)荷較大,建議采用載流量大的母排進(jìn)行配電。該項(xiàng)目4臺(tái)主機(jī)低壓配電方式為:變電所低壓配電屏出線到地源機(jī)房?jī)?nèi)的獨(dú)立開(kāi)關(guān)柜,再?gòu)拈_(kāi)關(guān)柜出電纜到主機(jī)自帶的控制柜。只要與主機(jī)廠家確認(rèn)主機(jī)自帶的控制柜內(nèi)有完善電氣保護(hù)裝置,可從變電所配電屏直接出母線,直接連接主機(jī)自帶的控制柜,省去中間開(kāi)關(guān)柜,節(jié)省了造價(jià),且大功率設(shè)備采用獨(dú)立母線供電,可靠性更高。

圖1 科技系統(tǒng)能源站配電干線圖

2.3 樓棟公共設(shè)備的選型及配電方式

該項(xiàng)目采用頂棚輻射管(輻射供冷供熱)+地板送新風(fēng)(夏季除濕冬季加濕)來(lái)解決室內(nèi)溫/濕度,水系統(tǒng)新風(fēng)機(jī)組均設(shè)置在18F屋頂。如采用從專(zhuān)變對(duì)屋頂新房機(jī)組采用放射式供電,導(dǎo)致某些樓棟屋頂?shù)墓╇姲霃匠^(guò)200 m的情況發(fā)生[3],且非常不經(jīng)濟(jì),因此建議采用每棟樓每個(gè)單元的公建配套回路對(duì)屋頂新風(fēng)機(jī)組進(jìn)行配電。該項(xiàng)目1臺(tái)新風(fēng)機(jī)組用電量不大于10 kW,設(shè)置了1根5×16 mm的電纜,載流量為50 A[4]。

3 科技住宅配變系統(tǒng)配置的思考

以江蘇省為例,傳統(tǒng)住宅戶(hù)根據(jù)建筑面積S不同,配置不同的用電容量:S<120 m2,8 kW;120 m2

新風(fēng)機(jī)組配電路徑如圖2所示。

3.1 科技住宅配電樓棟配電實(shí)例

為便于比較與算量,假定某科技住宅項(xiàng)目共有10棟18層樓,層高為2.95 m。每棟樓分別有2個(gè)單元,每個(gè)單元2戶(hù),共72戶(hù)。每戶(hù)面積為115 m2,每戶(hù)配置8 kW用電量;1F～9F設(shè)置1個(gè)地面電纜分支箱,10F～18F設(shè)置1個(gè)電纜分支箱(配電總箱),則每棟樓設(shè)置2個(gè)電纜分支箱;每3層設(shè)置樓層計(jì)量表箱,則每個(gè)電纜分支箱的一個(gè)出線回路為3層12戶(hù)服務(wù);每棟樓有6個(gè)樓層計(jì)量箱,每個(gè)計(jì)量箱有12個(gè)出線回路。

圖2 新風(fēng)機(jī)組配電路徑

10棟18層住宅共有2個(gè)地面變電所,假定每個(gè)變電所到每棟樓電纜分支箱的出線回路長(zhǎng)度均為180 m,則出線回路共有20組。從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看,戶(hù)內(nèi)箱不計(jì)入空調(diào)動(dòng)力負(fù)荷后,戶(hù)內(nèi)箱總負(fù)荷可減50%,即每戶(hù)按照4 kW計(jì)。以下對(duì)戶(hù)內(nèi)箱計(jì)入空調(diào)動(dòng)力負(fù)荷和不計(jì)入動(dòng)力負(fù)荷從戶(hù)內(nèi)箱到變壓器容量做選型比較,負(fù)荷選型比較如表1所示。

表1 負(fù)荷選型比較

3.2 科技住宅配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的建議

由表1可見(jiàn),作為科技住宅,由于戶(hù)內(nèi)無(wú)空調(diào)動(dòng)力負(fù)荷,戶(hù)內(nèi)PZ30箱負(fù)荷減50%,整個(gè)配變供配電選型將大大降低。720戶(hù)居民套內(nèi)供配電造價(jià)對(duì)比考慮空調(diào)動(dòng)力負(fù)荷將降低158.22萬(wàn)元,分?jǐn)偟矫繎?hù)為2 200元。當(dāng)前,咨詢(xún)數(shù)十個(gè)江蘇省內(nèi)的科技住宅項(xiàng)目發(fā)現(xiàn),供電局并沒(méi)有因?yàn)椴捎每萍甲≌档蛻?hù)內(nèi)負(fù)荷,仍按照標(biāo)準(zhǔn)戶(hù)型進(jìn)行相應(yīng)的配電。投資商不僅要增設(shè)專(zhuān)用變壓器為科技系統(tǒng)的能源機(jī)房供配電,住戶(hù)端負(fù)荷也沒(méi)有減少?；诖?從客觀問(wèn)題分析看,住戶(hù)內(nèi)用電部分不僅增加投資單位成本,也增加社會(huì)投資成本,不符合科技住宅空調(diào)系統(tǒng)用電設(shè)備的一般規(guī)律。建議供電局相關(guān)部門(mén)能出臺(tái)相應(yīng)科技住宅類(lèi)建筑的戶(hù)內(nèi)配電標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從當(dāng)前金茂和朗詩(shī)地產(chǎn)為代表的科技住宅科技系統(tǒng)(集中空調(diào)系統(tǒng))的設(shè)備配置規(guī)律出發(fā),分析了科技住宅的供配電配置情況,可以得出如下結(jié)論:

(1) 科技住宅一般采用專(zhuān)變來(lái)對(duì)復(fù)合土壤源熱泵系統(tǒng)的機(jī)房進(jìn)行配電。

(2) 樓棟設(shè)備(如新風(fēng)機(jī)組和板式換熱機(jī)組)一般在公用配電回路中就近配電。

(3) 當(dāng)前科技住宅科技系統(tǒng)的技術(shù)和應(yīng)用日趨成熟?？紤]到科技住宅住戶(hù)內(nèi)的空調(diào)動(dòng)力負(fù)荷不再存在,通過(guò)實(shí)例分析,如果供電局能針對(duì)科技住宅空調(diào)系統(tǒng)配電的一般規(guī)律出發(fā),減少住戶(hù)內(nèi)的用電負(fù)荷標(biāo)準(zhǔn),將會(huì)降低整個(gè)科技住宅的電力投入成本。