可持續(xù)發(fā)展理念下的建筑暖通空調系統(tǒng)節(jié)能減排設計新思考

李媛莉 趙樹鋅

摘 要：我國能源消費占世界能源消費量的比重在過去二十年間從8.0%上升到10.4%，但人均能源資源占有量僅相當于世界平均水平的50%（石油只有10%）。建筑相關能耗占據(jù)社會總能耗的很大部分，而其中暖通空調系統(tǒng)能耗占整個建筑能耗的60%以上，為此控制或減少建筑暖通運行能耗是我國實現(xiàn)能源供應可持續(xù)發(fā)展、緩解能源壓力的必然措施之一，這也正是本文的研究出發(fā)點。

關鍵詞：可持續(xù)發(fā)展;建筑;暖通空調系統(tǒng);節(jié)能減排

中圖分類號：TU831 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0005-02

暖通空調與建筑物的結合能為人們提供更加舒適的辦公和居住環(huán)境，但在資源日益匱乏的今天，暖通空調所帶來的高能耗是無法回避和忽視的，因此怎樣根據(jù)環(huán)境合理的選擇暖通空調系統(tǒng)的能耗方式，在提供舒適室內環(huán)境的前提下降低對室外環(huán)境的負面影響，是每一位設計人員都需要關注的問題。

1 排風熱回收的應用

通常建筑暖通空調系統(tǒng)的排風未經(jīng)任何處理而被直接排放到室外，排風熱量未得到良好利用而造成能源浪費及周圍環(huán)境的熱污染，如果能夠將這部分熱量給新風進行預熱，那么將在室內負荷不變的基礎上降低風機處理負荷并提高室內的空氣品質。我國對排風熱回收的研究還處于起步階段，市面上完善的熱回收裝置還較少，而現(xiàn)階段常用的主要有如下兩種：一種是全熱回收，在排風和新風間利用全熱熱交換器來進行熱量和濕量的傳遞，常見的全熱回收裝置有板翅式、熱泵式及轉輪式;另一種是顯熱回收，在排風和新風間利用顯熱交換器來進行溫差換熱，常見的顯熱交換器有熱管式、板式及中間媒介式。[1]

某公共建筑暖通空調系統(tǒng)不進行熱回收和設置熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟性對比如表1所示，不管是設置顯熱回收還是全熱回收都能達到節(jié)能減排的效果，設置顯熱回收的暖通空調系統(tǒng)要比設置全熱回收系統(tǒng)的節(jié)能效果好，雖然顯熱回收的運行費高于全熱回收，但顯熱回收的初期投資小且經(jīng)濟性更加，因此最終選用了顯熱回收。但值得注意的是，并不是所有的暖通空調系統(tǒng)設置顯熱回收的經(jīng)濟性都要優(yōu)于全熱回收，應結合實際情況進行綜合比對。

2 分時分區(qū)供暖及室內溫度的合理設定

2.1 分時分區(qū)供暖

根據(jù)建筑用熱特點，可以合理設置供暖系統(tǒng)的供熱時間，在確保室內供暖需求的前提下，通過按需供暖來降低能耗，該措施尤其適用于公共建筑。將分時分區(qū)控制器安裝在暖通空調系統(tǒng)中，采集室內溫度及供回水溫度，控制系統(tǒng)對采集上傳的溫度數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)建筑特點按時間編程來合理設定供暖運行模型，并有效控制電動調節(jié)閥的開度，控制系統(tǒng)流量降低供暖溫度以達到節(jié)能目的。

在分時分區(qū)供暖過程中，應根據(jù)相關規(guī)定來合理設置室內溫度，以公共建筑為例，室內溫度在上班及休息時間應在18℃以上，在下班及節(jié)假日應在5℃以上（避免設備凍結而造成損失），表2為一個典型的公共建筑暖通空調系統(tǒng)分時分區(qū)運行計劃表。

2.2 室內空調溫度的合理設定

在建筑暖通空調系統(tǒng)設計或使用過程中，設計人員及室內人員通常為了追求舒適性而選擇較高的室內空調溫度參數(shù)，造成了不必要的能耗浪費。室內空調溫度的設定需要滿足人們要求的舒適室內環(huán)境，但也會對建筑的冷熱負荷產(chǎn)生直接影響，室內外溫差值越大，建筑圍護結構傳遞的能量越大，室內負荷及新風負荷也越大，因而會造成建筑能耗的浪費。因此，在滿足室內熱舒適度的前提下設置最為節(jié)能的室內溫度值，對于降低能耗是極為必要的。[2]

在室內熱擾參數(shù)、圍護結構參數(shù)及濕度值相同的情況下，某公共建筑采用DeST對夏季和冬季在設定不同室內空調溫度下的建筑能耗進行了模擬，結果顯示：當冬季室內空調設定溫度下降時，全年累計負荷和采暖季最大熱負荷將下降（冬季室內空調設定溫度從21℃降到17℃時，全年累計負荷下降13.7%）;當夏季室內空調設定溫度升高時，全年累計負荷和空調季最大冷負荷將下降（夏季室內空調設定溫度從24℃升到28℃時，全年累計負荷下降25.2%）。因此，基于建筑暖通空調系統(tǒng)節(jié)能減排的角度而言，對以往偏高的室內外溫度標準進行修訂，將冬季空調設定溫度適當下降、夏季空調設定溫度適當上升，既可以滿足室內人員活動與健康的需求，又可以切實降低空調能耗。

3 暖通空調系統(tǒng)的合理設計與實時監(jiān)控

3.1 暖通空調系統(tǒng)的合理設計

在建筑暖通空調系統(tǒng)設計過程中，在對室內負荷進行估算時，設計人員往往為了滿足室內的溫度要求，僅僅采用各區(qū)域的冷負荷峰值之和或簡單的使用負荷指標法來計算，此種算法將得到偏大的負荷結果，造成空調系統(tǒng)機組和設備的選型過大（如風機、循環(huán)水泵等），偏低的實際運行效率必將造成大量能源的浪費。設計人員在建筑暖通空調系統(tǒng)設計時，不僅要將室內環(huán)境舒適度考慮在內，還要對建筑位于采暖季和供冷季的負荷特征進行充分考慮，對冷熱源方案進行合理設計，合理配置空調機組和設備以適應部分負荷條件下的運行要求，切實避免能源的大量損失。[3]

以某辦公建筑為例，設計之初工作人員設計了兩種空調系統(tǒng)：螺桿式冷水機組+燃氣鍋爐、多聯(lián)機系統(tǒng)+獨立新風機組。對兩種系統(tǒng)的能耗進行模擬，結果顯示：方案一全年累計耗電量中，冷熱水機組、水系統(tǒng)設備及末端設備能耗占比分別為50.5%、30.9%、18.6%，而該建筑全年空調系統(tǒng)在部分負荷工況下運行時間較多，因此系統(tǒng)耗能與機組部分負荷下工作性能緊密相關，在部分負荷時，水泵的能耗居高不下而導致該方案能耗較高;方案二室外機的輸出功率能夠隨著室外負荷的變化而自行調節(jié)，因此在部分負荷下能耗比值較高，對比方案一的節(jié)能率達到18.7%。

3.2 暖通空調系統(tǒng)的實時監(jiān)控

第一，冷熱水系統(tǒng)的實時監(jiān)控。一方面，為確保空調器或風機盤管中的冷凍機蒸發(fā)器處于正常運行工況，對冷凍水系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，在提供足夠供水量給冷凍水泵的基礎上，確保安全節(jié)能目標的實現(xiàn);另一方面，為確保熱水系統(tǒng)的正常循環(huán)，對熱水系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控，監(jiān)測水利工況提供熱交換過程需要的熱水參數(shù)。通過實時監(jiān)控，可以確保在合理運行狀態(tài)下提供暖通空調系統(tǒng)所需的冷熱水，并降低水泵電耗以實現(xiàn)節(jié)能運行。

第二，空調機組的實時監(jiān)控。通過安裝在空調機組附近的控制裝置，對室內空氣參數(shù)進行實時檢測（復雜系統(tǒng)可以多安裝幾個測控點），通過專門的智能化控制平臺來調控空調機組設備及閥門的運行狀態(tài)。

第三，供暖系統(tǒng)的實時監(jiān)控。利用現(xiàn)代計算機技術，可以對供暖系統(tǒng)各設備及軟件進行智能化控制，實時監(jiān)控系統(tǒng)各設備的運行狀態(tài)，準確記錄其相關系統(tǒng)及設備的參數(shù)，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，及時發(fā)現(xiàn)供熱系統(tǒng)及輔助設備運行過程中存在的故障問題，便于管理人員的及時維修。

3.3 空調水系統(tǒng)的水泵變頻控制改造

中央空調系統(tǒng)大多是根據(jù)設計工況來選擇冷卻塔、冷水機組、冷卻水泵和冷凍水泵的型號，大部分中央空調系統(tǒng)的實際運行負荷率僅為40%～80%，最大負荷出現(xiàn)時間通常小于總運行時間的10%。通過對中央空調水系統(tǒng)的大量調研分析，現(xiàn)在普遍認為水系統(tǒng)能耗在中央空調系統(tǒng)總能耗中占據(jù)很大比例，雖然不同空調水系統(tǒng)形式所占能耗比例有所差異，但水泵運行能耗仍超過中央空調系統(tǒng)總能耗的20%～40%。水泵出現(xiàn)大流量小溫差主要是因為水泵選型偏大及在部分負荷下水泵沒有自動調節(jié)流量，因此空調水系統(tǒng)節(jié)能改造就應在對空調水系統(tǒng)運行特點及能耗分布情況進行充分了解的基礎上，通過必要的水系統(tǒng)測試來實施變頻改造，利用變頻器改變電動機的轉速來對水泵流量進行調節(jié)。

空調水系統(tǒng)水泵變頻常見的方式有如下兩種：（1）壓差控制。控制器的輸入信號為水系統(tǒng)壓差值，控制裝置接收來自壓差傳感器的數(shù)值，對傳送值和設定值進行比較后，通過電機轉速的改變來實現(xiàn)水泵流量的調節(jié);（2）溫差控制。將供回水干管上的溫差作為控制參數(shù)，控制其等于設計供回水溫差。通過安裝在供回水管上的溫度傳感器，系統(tǒng)實時監(jiān)測溫差，將計算的兩個管路溫差數(shù)據(jù)傳輸給控制裝置，通過其與設定值的比較，以負荷為依據(jù)來對水泵流量進行改變。由于沒有對水系統(tǒng)增加額外阻力，因而溫差控制被認為是最節(jié)能的，在實際工程中得到廣泛應用，但此種方式在應用中可能出現(xiàn)頂層溫度較高的問題（冷凍水泵在工頻運行時，頂層樓因輻射較大而造成負荷增多，導致頂層溫度過高，甚至超過設計的上限值），究其原因可能是溫差控制下，監(jiān)測到的溫差為整個管網(wǎng)的供回水溫差，而頂層處于最不利的環(huán)路，以此作為水量調節(jié)的依據(jù)容易出現(xiàn)末端制冷效果較差的溫度，直接導致末端無法滿足供冷需求。[4]

4 空調冷熱源系統(tǒng)的合理選擇

現(xiàn)階段常用的空調冷熱源系統(tǒng)主要有如下幾種：地埋管地源熱泵+冷卻塔系統(tǒng)（冷熱源為淺層巖土體），具有運行高效、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢，但對當?shù)氐刭|條件及氣象信息具有較強的依賴性，并且在夏季負荷遠大于冬季負荷的應用場合，熱泵機組長時間持續(xù)運行將造成循環(huán)性能系數(shù)的降低;地下水地源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要以豐富和穩(wěn)定的地下水資源作為前提條件，同時不合理的開發(fā)利用淺層地熱能可能導致地下水的污染和地下水位的降低;地表水地源熱泵系統(tǒng)（地表水源為城市附近的湖泊水、流經(jīng)城市的江河水及沿海城市的海水），冬季從地表水源中取熱向建筑物供暖，夏季以地表水源作為冷源向建筑物供冷;空氣源熱泵系統(tǒng)，其以室外空氣作為低品位熱源為建筑空調系統(tǒng)提供冷熱量，同時回收冷凝熱為建筑提供生活熱水，具有設備利用率高、運行不受氣候條件限制等優(yōu)勢;冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)（天然氣燃燒產(chǎn)生的電力供應用戶的電力需求，發(fā)電后排出的余熱通過余熱回收作為空調系統(tǒng)冷熱源），具有降低有害氣體排放、提高能源利用率、增加電力供應及實現(xiàn)能源梯級利用的特點，但在運營管理、技術成熟度等方面還存在諸多有待解決的問題。設計人員在具體選擇時，需要根據(jù)建筑所在地的自然環(huán)境、氣候條件及建筑自身特點來進行綜合考量。

5 結語

建筑能耗問題已經(jīng)成為行業(yè)關注的焦點，每一位設計人員都需要將節(jié)能減排的理念貫穿在建筑暖通空調的設計過程中，力求根據(jù)環(huán)境合理的對暖通空調系統(tǒng)的耗能方式作出選擇。

參考文獻

[1] 張建龍.智能建筑暖通空調系統(tǒng)節(jié)能方法探析[J].中國標準化，2019（10）：59-60.

[2] 李國梁.暖通設計要與時俱進——專訪太原市建筑設計研究院設備副總工程師張愛萍[J].機電信息，2018（25）：40-41.

[3] 石長城.高層樓宇建筑暖通空調節(jié)能降耗技術措施探討[J].綠色環(huán)保建材，2018，135（5）：36-37.

[4] 馬躍峰，王寅.綠色理念在建筑暖通空調系統(tǒng)節(jié)能設計的應用[J].中國住宅設施，2019，189（02）：59-60.