建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)研究

于 海

中聯(lián)西北工程設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710077

1 建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的能源使用要求

1.1 利用可再生能源

在已建成的建筑中，采取電能作為暖通空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能源的占比高達(dá)95%以上。電能在輸送過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，且電能本質(zhì)上是由煤炭等化石能源轉(zhuǎn)換而來(lái)的，在電能生產(chǎn)期間將對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染破壞。因此，在現(xiàn)代低碳節(jié)能建筑中，將可再生能源作為暖通空調(diào)系統(tǒng)動(dòng)力源的比例越來(lái)越高。常用的可再生能源為太陽(yáng)能、風(fēng)能、地?zé)崮堋?/p>

（1）太陽(yáng)能采暖系統(tǒng)。安裝一定數(shù)量的太陽(yáng)能電池板組成集熱器，由太陽(yáng)能電池板持續(xù)吸收太陽(yáng)輻射，在系統(tǒng)制冷與制熱過(guò)程中分別將所吸收的太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換為熱媒水，存儲(chǔ)至轉(zhuǎn)換器內(nèi)，由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能，作為供熱機(jī)、制冷機(jī)等設(shè)備的動(dòng)力能源。同時(shí)，可采取吸收式太陽(yáng)能技術(shù)，使用吸收劑，憑借其吸收蒸發(fā)特性發(fā)揮系統(tǒng)的制冷作用。

從設(shè)計(jì)角度來(lái)看，在使用太陽(yáng)能作為暖通空調(diào)系統(tǒng)的動(dòng)力源時(shí)，一是要求將太陽(yáng)能集熱器安裝在建筑屋面等具有良好日照條件的部位，根據(jù)建筑朝向與空間布局來(lái)確定具體安裝位置，禁止在太陽(yáng)能集熱器周邊分布綠化樹(shù)木等遮擋物，確保平均日照射度與日照時(shí)間不低于相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。二是應(yīng)合理采取太陽(yáng)能蓄能采暖方式，解決因天氣、夜間等原因?qū)е碌墓┡蛔銌?wèn)題。具體蓄能方式包括當(dāng)天蓄能、周蓄能、跨季蓄能3種：當(dāng)天蓄能采暖系統(tǒng)用于滿足建筑末端短時(shí)間的供暖需求；周蓄能采暖系統(tǒng)是將所收集的熱能儲(chǔ)存在水箱中，適當(dāng)調(diào)整水箱容積；跨季蓄能采暖系統(tǒng)的水箱容積應(yīng)保持當(dāng)天蓄能水箱的10倍及以上，用于缺乏充足采暖空間的建筑。三是根據(jù)已知工程資料與現(xiàn)場(chǎng)氣候日照條件，開(kāi)展日照模擬試驗(yàn)，模擬不同日照條件下的太陽(yáng)能蓄能供暖情況，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果設(shè)定供暖熱負(fù)荷、單日耗熱量、水箱容積等參數(shù)。

（2）風(fēng)能系統(tǒng)。在建筑暖通系統(tǒng)中，風(fēng)能是采取自然通風(fēng)與機(jī)械通風(fēng)方式，向建筑室內(nèi)環(huán)境中吹入新鮮的冷卻空氣，加快室內(nèi)環(huán)境熱量的逸散速度，起到制冷的作用，可以在無(wú)電源或系統(tǒng)低運(yùn)行負(fù)荷條件下完成制冷任務(wù)。然而，風(fēng)能作為動(dòng)力源的穩(wěn)定性較差，對(duì)建筑所處區(qū)域風(fēng)力條件、空氣質(zhì)量、室內(nèi)外環(huán)境溫度有著嚴(yán)格要求，實(shí)際應(yīng)用范圍受限，主要作為建筑暖通系統(tǒng)的一種輔助動(dòng)力。

（3）地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)是在建筑結(jié)構(gòu)中安裝地源熱泵機(jī)組，以向暖通空調(diào)系統(tǒng)供熱的一種能源系統(tǒng)，由室內(nèi)末端供熱、室外地源換熱、地?zé)崮芙粨Q機(jī)組三部分組成。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，地源熱泵機(jī)組僅需消耗少量電能，即可持續(xù)從建筑所處區(qū)域淺層或中深層陸地中采集交換低溫?zé)崃?，再將低品位熱能轉(zhuǎn)換為高品位熱能，從而取得良好的建筑供暖、制冷效果。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，地源熱泵機(jī)組每消耗1kW電能，即可轉(zhuǎn)換獲取4kW級(jí)以上的高品質(zhì)熱能或冷量。

1.2 提高能源利用率

為了提高建筑暖通動(dòng)力能源的實(shí)際利用率，需要組合采取建筑布局調(diào)整、參數(shù)控制、強(qiáng)化結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計(jì)措施。首先，根據(jù)建筑所處區(qū)域氣候環(huán)境條件，對(duì)建筑朝向進(jìn)行調(diào)整，合理設(shè)置采光點(diǎn)與通風(fēng)口位置，以改善建筑的自然采光與通風(fēng)條件。其次，合理設(shè)定建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度參數(shù)。早期建成的建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)普遍將溫度參數(shù)設(shè)定為22℃，使得系統(tǒng)運(yùn)行能耗較高，造成不必要的能源浪費(fèi)。因此，需要結(jié)合建筑用途來(lái)設(shè)定室內(nèi)環(huán)境溫度參數(shù)，盡可量減小室內(nèi)外溫度差。最后，通過(guò)使用新型墻體保溫材料，調(diào)整門(mén)窗構(gòu)件的數(shù)量與面積比例，強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的隔熱保溫和密封性能，避免由動(dòng)力源所轉(zhuǎn)換的冷源、熱能快速逸散。

2 建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保溫性能設(shè)計(jì)

建筑結(jié)構(gòu)表面積與熱傳導(dǎo)量成正比關(guān)系。在現(xiàn)代建筑工程中，隨著建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，建筑結(jié)構(gòu)傳熱導(dǎo)量與暖通空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷隨之增加，而在系統(tǒng)運(yùn)行期間消耗大量能源，違背了節(jié)能設(shè)計(jì)理念。因此，對(duì)建筑暖通系統(tǒng)節(jié)能屬性的強(qiáng)化，需要從問(wèn)題源頭著手，重點(diǎn)提高建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，具體措施包括外墻保溫節(jié)能、外窗保溫節(jié)能、屋面保溫節(jié)能。其中，在外墻保溫節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需在外墻結(jié)構(gòu)中設(shè)置保溫層，使用聚苯板、聚氨酯泡沫等保溫材料，起到控制建筑室內(nèi)環(huán)境熱量逸散速度的作用。在外窗保溫節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，調(diào)整窗構(gòu)件數(shù)量與分布位置，充分利用太陽(yáng)能，減少建筑采暖負(fù)荷，并提高窗戶氣密性與墻體的密封性能，避免因空氣滲透量過(guò)大而增加熱耗量。例如，在窗洞與窗框間隙處填筑自發(fā)泡材料，優(yōu)先選擇平開(kāi)窗作為窗戶型式。在屋面保溫節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，采取倒置式屋面，在防水層上方施作保溫層，避免太陽(yáng)光直接照射防水層，起到減小屋面溫度分布、屋頂蓄存熱量的隔熱保溫效果。

2.2 冷凍水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

冷凍水系統(tǒng)在建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的總能耗中占比較大，是建筑暖通節(jié)能設(shè)計(jì)工作的重中之重。該系統(tǒng)的節(jié)能思路為，調(diào)整水泵運(yùn)行工況，使其具備良好的負(fù)荷變化適應(yīng)能力，在部分負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)工況下滿足實(shí)際運(yùn)行需求，具體設(shè)計(jì)措施包括調(diào)整閥門(mén)開(kāi)啟度、水泵轉(zhuǎn)速、多水泵葉輪直徑和冷卻塔節(jié)能。

首先，控制閥門(mén)在運(yùn)行期間處于部分開(kāi)啟狀態(tài)，通過(guò)調(diào)整開(kāi)啟度控制揚(yáng)程流量和改變水泵工況，但閥門(mén)開(kāi)啟度過(guò)小時(shí)會(huì)因產(chǎn)生過(guò)大局部阻力而出現(xiàn)水泵過(guò)載運(yùn)行狀態(tài)，需要合理設(shè)定開(kāi)啟度，避免因水泵輸出功率增大而消耗額外電能。其次，在冷凍水系統(tǒng)中設(shè)置變頻水泵設(shè)備，正確掌握水泵轉(zhuǎn)速、功率、流量、揚(yáng)程、軸功率等要素間的關(guān)系，通過(guò)調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速控制冷卻水流量，降低冷卻水泵運(yùn)行能耗，實(shí)際運(yùn)行能耗與水泵轉(zhuǎn)速固定不變時(shí)的水泵運(yùn)行能耗差值即為節(jié)能量。同時(shí)，在變頻水泵選型環(huán)節(jié)，優(yōu)先配置與制冷機(jī)組功率差值較小的水泵，根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行需求確定水泵臺(tái)數(shù)。再次，基于相似定律得知，水泵葉輪直徑與流量、軸功率、揚(yáng)程等運(yùn)行參數(shù)相關(guān)，通過(guò)調(diào)整水泵葉輪直徑可以起到控制水泵運(yùn)行工況和降低運(yùn)行能耗的節(jié)能效果，但葉輪直徑改變量有限，當(dāng)水泵葉輪直徑大幅改變時(shí)，將影響水泵的使用性能。最后，對(duì)冷卻塔設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，也可起到冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能效果，如調(diào)整冷卻塔出口溫度來(lái)改善制冷機(jī)組運(yùn)行工況，調(diào)整冷卻塔風(fēng)量、水量來(lái)增大水泵功耗比重與減小冷卻塔運(yùn)行負(fù)荷，配置新型的逆流式冷卻塔取代傳統(tǒng)的橫流式冷卻塔。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

在通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，一方面，應(yīng)合理選擇通風(fēng)系統(tǒng)形式，針對(duì)建筑面積較大的建筑，可以設(shè)計(jì)全空氣空調(diào)系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置變風(fēng)量末端裝置，根據(jù)實(shí)際使用需要，有效調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)各處功能區(qū)域與獨(dú)立房間的送風(fēng)量，通過(guò)室內(nèi)空氣參數(shù)減低風(fēng)機(jī)與制冷機(jī)組運(yùn)行能耗來(lái)取得節(jié)能效果。同時(shí)，可設(shè)計(jì)單區(qū)、雙風(fēng)道、多區(qū)再熱等形式的通風(fēng)系統(tǒng)。針對(duì)高大空間建筑，則設(shè)計(jì)分層空調(diào)系統(tǒng)，從垂直方向?qū)⒔ㄖ锶藛T活動(dòng)區(qū)域劃分為一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)口中心線為分層面，分層面上下分別為非空調(diào)區(qū)域和空調(diào)區(qū)域。在系統(tǒng)運(yùn)行期間，由于非空調(diào)區(qū)域溫度高于空調(diào)區(qū)域，基于送風(fēng)射流卷吸原理，非空調(diào)區(qū)域和空調(diào)區(qū)域持續(xù)形成對(duì)流熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷以及輻射熱轉(zhuǎn)移負(fù)荷，起到節(jié)省冷量的節(jié)能效果。另一方面，采取多元化通風(fēng)手段，調(diào)整建筑外窗數(shù)量、面積占比和分布位置。在過(guò)渡季節(jié)采取機(jī)械通風(fēng)或自然通風(fēng)方式，持續(xù)向室內(nèi)吹入新鮮空氣，排出渾濁空氣，在不產(chǎn)生或僅產(chǎn)生少量運(yùn)行能耗的基礎(chǔ)上，起到改善建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量與消除余熱的作用。

2.4 供暖系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

在早期建設(shè)的建筑工程中，普遍采用散熱器或其他供暖設(shè)備的單一供暖方式，設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行能耗較高，且散熱器空間布置方面較為困難，容易影響建筑使用功能的發(fā)揮。因此，設(shè)計(jì)師可選擇在供暖系統(tǒng)中采取同步配置散熱器與空調(diào)進(jìn)行主次供暖的復(fù)合供暖方式，其具有建設(shè)成本低廉、使用靈活、供暖效果好的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，可以結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)與供暖需求，優(yōu)化調(diào)整供暖管路的布局方案，盡可能縮短管路長(zhǎng)度，采取立式單雙管或垂直隔斷的管路布置形式，以降低管路內(nèi)介質(zhì)在傳輸期間產(chǎn)生的損耗，提高熱能使用效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段，設(shè)計(jì)師必須提高對(duì)能源使用和節(jié)能設(shè)計(jì)工作的重視程度，全面掌握建筑暖通動(dòng)力節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)，積極利用可再生能源作為暖通空調(diào)動(dòng)力源，采取多元化暖通節(jié)能設(shè)計(jì)措施，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和環(huán)境保護(hù)的目標(biāo)。