建筑設(shè)計(jì)階段暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行碳排放預(yù)算分析

奚丈羽

摘 要：在倡導(dǎo)綠色建筑的當(dāng)下，暖通空調(diào)系統(tǒng)因其排放溫室氣體的優(yōu)勢(shì)，得到了建筑設(shè)計(jì)行業(yè)的高度關(guān)注?；诖?，結(jié)合理論與實(shí)例，著重探討了如何在建筑設(shè)計(jì)階段預(yù)先估算暖通空調(diào)系統(tǒng)的碳排放量，由此評(píng)估節(jié)能減排效果，調(diào)整節(jié)能措施，從而設(shè)計(jì)出更加高質(zhì)量的綠色建筑。

關(guān)鍵詞：建筑設(shè)計(jì)；暖通空調(diào)系統(tǒng)；碳排放；估算

中圖分類(lèi)號(hào)：TU83? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2023）05-0107-03

0 引言

我國(guó)于2020年正式提出了力爭(zhēng)在2030年達(dá)到碳達(dá)峰，2060年達(dá)到碳中和的雙碳目標(biāo)[1]。此種背景下，作為能源消耗大戶的建筑領(lǐng)域應(yīng)當(dāng)積極響應(yīng)號(hào)召，從設(shè)計(jì)階段就著手設(shè)計(jì)能夠有效降低能耗、控制溫室氣體的設(shè)計(jì)方案。暖通空調(diào)是建筑項(xiàng)目中主要的能耗使用及排放溫室氣體的系統(tǒng)，以辦公建筑為例，大約可占65%（見(jiàn)圖1），這和發(fā)達(dá)國(guó)家近年來(lái)得到了建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域的重視，成為建筑節(jié)能減排的一項(xiàng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

1 暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)的必要性

近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，但能源問(wèn)題與環(huán)境問(wèn)題也變得更加尖銳，這是影響我國(guó)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)重要因素。近年來(lái)我國(guó)的溫室氣體排放量逐年增加，具體如圖2所示。基于此，國(guó)家提出了雙碳目標(biāo)，倡導(dǎo)各行業(yè)降低能源消耗，減少污染排放[2]。建筑行業(yè)作為高能耗行業(yè)，也積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，提出了綠色建筑的全新設(shè)計(jì)理念。綠色建筑就是針對(duì)建筑各耗能、排放溫室氣體的環(huán)節(jié)，加入節(jié)能減排的設(shè)計(jì)思路。

暖通空調(diào)系統(tǒng)主要是為建筑提供空氣調(diào)節(jié)、供暖、通風(fēng)等作用，以達(dá)到建筑室內(nèi)所需的溫度和濕度。而隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，建筑工程建設(shè)的規(guī)模也越來(lái)越大，暖通空調(diào)系統(tǒng)也隨之增加。建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)是建筑中一個(gè)高耗能部分，且建筑的溫室氣體也主要是由暖通空調(diào)系統(tǒng)所排放，因此這一系統(tǒng)就成了綠色建筑的一項(xiàng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)[3]。如果不采取節(jié)能設(shè)計(jì)措施對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)，那么勢(shì)必會(huì)造成巨大的能源消耗，極大增加碳排放量。

在暖通空調(diào)系統(tǒng)中進(jìn)行節(jié)能設(shè)計(jì)非常必要。站在節(jié)能環(huán)保的角度，在建筑設(shè)計(jì)階段，應(yīng)針對(duì)暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)方案預(yù)算估算碳排放量，評(píng)估節(jié)能減排效果，根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整暖通空調(diào)系統(tǒng)方案，直至達(dá)到最佳節(jié)能減排效果，從而降低能源消耗，減少溫室氣體排放，為國(guó)家節(jié)能減排的戰(zhàn)略規(guī)劃獻(xiàn)一份力。

2 設(shè)計(jì)階段暖通空調(diào)系統(tǒng)碳排放的預(yù)先估算

2.1 碳排放的主要構(gòu)成

在建筑空調(diào)系統(tǒng)中，包括冷熱源、輸配系統(tǒng)以及末端設(shè)備等幾部分組成，這也是產(chǎn)生溫室氣體的主要來(lái)源?？照{(diào)系統(tǒng)的碳排放屬于建筑碳排放量的內(nèi)容，具有包括以下3方面構(gòu)成（見(jiàn)表1）。

2.1.1 熱源

這部分碳排放主要來(lái)自制冷機(jī)組，如果是電制冷機(jī)組，則主要是電力系統(tǒng)和制冷機(jī)排放溫室氣體，如果是吸收式制冷機(jī)組，則是主要是燃?xì)狻崃Φ确矫媾欧艤厥覛怏w[4]。此外，換熱站的熱力系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，冷卻塔的電力及供水系統(tǒng)、鍋爐的電力及燃?xì)獾纫捕紩?huì)產(chǎn)生溫室氣體，帶來(lái)碳排放。

2.1.2 輸配系統(tǒng)

輸配系統(tǒng)中包括各類(lèi)循環(huán)泵，冷水循環(huán)泵、熱水循環(huán)泵以及冷卻水循環(huán)泵的電力系統(tǒng)，運(yùn)作過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生碳排放。此外，定壓補(bǔ)水泵的電力系統(tǒng)、供水系統(tǒng)也都會(huì)產(chǎn)生碳排放[5]。

2.1.3 末段設(shè)備

末段設(shè)備的空氣處理設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備以及紅外線輻射裝置，都會(huì)在電力系統(tǒng)、燃?xì)馊加瓦^(guò)程中產(chǎn)生碳排放。

2.2 暖通空調(diào)碳排放計(jì)算

設(shè)計(jì)階段對(duì)于建筑暖通空調(diào)的碳排放量計(jì)算，按照《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51366-2019中的碳排放因子法，根據(jù)下列公式（1）（2）來(lái)計(jì)算：

（1）

（2）

式中：Ei為第i類(lèi)能源的平均年消耗，單位為kW；EFi為第i類(lèi)能源的碳排放因子；Ei，j為j類(lèi)系統(tǒng)中第i類(lèi)能源的消耗量，單位為kW/a；ERi，j為j類(lèi)系統(tǒng)所使用的可再生能源能夠供應(yīng)的第i類(lèi)能源總量，單位為kW；i為系統(tǒng)運(yùn)行消耗的能源種類(lèi)，如電力、燃油、熱力以及燃?xì)獾龋籮為系統(tǒng)設(shè)備的類(lèi)型，包括前文提到的各種類(lèi)設(shè)備；y為設(shè)計(jì)的使用壽命；Cp為碳匯固碳能力。碳匯就是碳排放總量經(jīng)過(guò)土壤吸收、制備吸收、自然界植物光合作用后所形成的結(jié)果，也就是碳排放到自然環(huán)境中被吸收的溫室氣體量。

建筑周邊會(huì)種植綠色植物，達(dá)到吸收溫室氣體的作用，主要是草地、灌木等為主[6]，但這些植物的碳匯固碳力較低，僅是0.021t/（hm?·a）CO2。因此在具體計(jì)算時(shí)對(duì)Cp忽略不計(jì)。在一般建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)中，所使用的能源基本都是不可再生能源，通過(guò)可再生能源供應(yīng)的能量則基本沒(méi)有[7]，因此ERi，j為0。所以將Cp及ERi，j忽略不計(jì)，可將公式（1）（2）簡(jiǎn)化為：

（3）

式中：CMH為建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中的碳排放量；EFi為第i類(lèi)能源的碳排放因子，單位為kW/a；Ei，j為j類(lèi)系統(tǒng)中第i類(lèi)能源的消耗量，單位為kW/a。i為系統(tǒng)運(yùn)行消耗的能源種類(lèi)，如電力、燃油、熱力以及燃?xì)獾龋粂為設(shè)計(jì)的使用壽命。

根據(jù)公式（3）進(jìn)行計(jì)算，暖通空調(diào)各分系統(tǒng)的能耗查詢《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51366-2019中對(duì)應(yīng)的碳排放因子，得出各系統(tǒng)的碳排放量，忽略設(shè)備使用過(guò)程中因?yàn)樵O(shè)備受損導(dǎo)致耗能增加而所引起的耗能波動(dòng)。

2.3 暖通空調(diào)的計(jì)算

要想明確暖通空調(diào)在運(yùn)行過(guò)程中的碳排放構(gòu)成，當(dāng)系統(tǒng)在滿負(fù)荷運(yùn)行下，可以根據(jù)以下公式計(jì)算各建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗。

2.3.1 制冷機(jī)組能耗能耗計(jì)算

（4）

式中：Pc，n是制冷機(jī)組額定輸入功率，單位為kW；τ E，c為制冷當(dāng)量滿負(fù)荷的運(yùn)行時(shí)間，單位為h。

2.3.2 鍋爐能耗計(jì)算

鍋爐能耗計(jì)算如式（5）（6）（7）所示：

（5）

（6）

（7）

式中：LR，N為制熱額定的燃?xì)饽芎牧?，單位為Nm?/h；mR，N為制熱的額定燃油能耗量，單位為kg/h；PR，N為自熱的認(rèn)定熱力能耗量，單位為kg/h；τE，R為制冷當(dāng)量在滿負(fù)荷狀態(tài)的運(yùn)行時(shí)間，單位為h。

2.3.3 冷卻塔能耗量計(jì)算

冷卻塔能耗量計(jì)算公式如式（8）所示：

（8）

式中：TCT為冷卻塔在設(shè)計(jì)工況下累積的運(yùn)行時(shí)間，單位為h；PCT，n是冷卻塔的額定功率，單位為kW。

3 暖通空調(diào)系統(tǒng)碳排放預(yù)算的實(shí)例分析

3.1 案例暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

以位于河南省的某辦公建筑設(shè)計(jì)為例，該建筑屬于高層建筑，建筑總面積為802 000 m?，地下1層，地上20層，為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，總高度為60.4 m。建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)共包括夏季空調(diào)系統(tǒng)、冬季供暖系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)。

3.1.1 夏季空調(diào)系統(tǒng)

本工程的夏季空調(diào)系統(tǒng)以集中式的螺桿機(jī)組作為集中冷源，并配有冷卻塔、冷凍水循環(huán)水泵、冷卻水循環(huán)水泵、空氣處理設(shè)備等。在每年的6月到9月啟動(dòng)運(yùn)行，每日運(yùn)行時(shí)間在08：00～18：00。

3.1.2 冬季供暖系統(tǒng)

本工程設(shè)計(jì)的冬季供暖系統(tǒng)為市政24 h供熱，配有循環(huán)熱水泵，從每年12月1日啟動(dòng)運(yùn)行直至2月末結(jié)束。建筑內(nèi)部循環(huán)熱水泵工作時(shí)間為08：00～18：00。

3.1.3 通風(fēng)系統(tǒng)

本工程設(shè)計(jì)的通風(fēng)系統(tǒng)包括通風(fēng)系統(tǒng)、設(shè)備機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)以及衛(wèi)生間通風(fēng)系統(tǒng)，以及每層2套的新風(fēng)系統(tǒng)。運(yùn)行時(shí)間各有不同。通風(fēng)系統(tǒng)為全年運(yùn)行，運(yùn)行時(shí)間為每天的08：00～18：00。設(shè)備機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)全年運(yùn)行，每日07：00開(kāi)啟，20：00關(guān)閉。新風(fēng)系統(tǒng)及衛(wèi)生間通風(fēng)系統(tǒng)全年運(yùn)行，每日08：00～18：00開(kāi)啟。

3.1.4 設(shè)計(jì)方案總結(jié)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案可以得出，建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的夏季運(yùn)行時(shí)間共計(jì)1 220 h，冬季運(yùn)行時(shí)間共計(jì)920 h，通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間共計(jì)3 340 h，倉(cāng)庫(kù)通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)共計(jì)5 088 h，設(shè)備機(jī)房通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)共計(jì)4745h，衛(wèi)生間通風(fēng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)共計(jì)3 340 h，τ E，R 為976 h，τ E，C為736 h。

3.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗計(jì)算

按照公式（4）至（8），并查詢《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》GB/T51366-2019中對(duì)應(yīng)的碳排放因子，分別計(jì)算各暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗，具體情況如下。

第一，在夏季空調(diào)系統(tǒng)中，集中式螺桿機(jī)組的年累計(jì)功率計(jì)算結(jié)果43 724.82 kW，燃?xì)饬康哪暧昧渴?76 289 m?，冷卻水及冷凍水循環(huán)泵的年功率分別是42 944 kW及72 224 kW，冷卻塔的年功率是72 224 kW，空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理設(shè)備年功率是679 910.89 kW。

第二，在冬季供暖系統(tǒng)中，熱水循環(huán)泵年功率是27 232 kW，供暖系統(tǒng)的空氣處理設(shè)備年功率是93 254.15 kW。

第三，在通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)系統(tǒng)的年總功率為47 433.43 kW，倉(cāng)庫(kù)通風(fēng)系統(tǒng)的年總功率為569 957.75 kW，衛(wèi)生間通風(fēng)系統(tǒng)及新風(fēng)系統(tǒng)的年總功率為1 202.41 kW。

3.3 建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)碳排放計(jì)算

結(jié)合上述結(jié)果，本建筑設(shè)計(jì)方案的暖通空調(diào)系統(tǒng)碳排放量計(jì)算結(jié)果如下。

在夏季空調(diào)系統(tǒng)中，集中式螺桿機(jī)組的年碳排放量是2 301.42 kg，冷凍水循環(huán)泵年碳排放量是57 851.39 kg，冷卻水循環(huán)泵的年碳排放量是34 398.12 kg。冷卻塔的年碳排放量是57 851.41 kg，夏季空調(diào)系統(tǒng)的空氣處理設(shè)備年碳排放量是544 608.57 kg。

在冬季供暖系統(tǒng)中熱水循環(huán)泵的年度碳排放是21 812.83 kg，供暖系統(tǒng)中的空氣處理設(shè)備年碳排放量是74 696.58 kg。

在通風(fēng)系統(tǒng)中，通風(fēng)設(shè)備的年碳排放量是37 994.18 kg，通風(fēng)的年碳排放量是456 536.22 kg，衛(wèi)生間通風(fēng)系統(tǒng)與新風(fēng)系統(tǒng)的年碳排放量是963.12 kg。

根據(jù)碳排放預(yù)算結(jié)果可以看出，在夏季空調(diào)、冬季供暖以及通風(fēng)系統(tǒng)中，以通風(fēng)系統(tǒng)和夏季空調(diào)系統(tǒng)的每年碳排放量最高。其中夏季空調(diào)系統(tǒng)的碳排放量最高，可達(dá)總碳排放量的40%，通風(fēng)系統(tǒng)則占總探排放量的30%。因此根據(jù)計(jì)算結(jié)果，需要在建筑設(shè)計(jì)階段著重從空調(diào)系統(tǒng)和通風(fēng)系統(tǒng)入手，從節(jié)能減排的角度優(yōu)化設(shè)備選型、方案設(shè)計(jì)，尤其關(guān)注是空調(diào)制冷系統(tǒng)的制冷主機(jī)選型、通風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)效能，達(dá)到節(jié)能減排的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

暖通空調(diào)系統(tǒng)是建筑碳排放的主要部分，在建筑設(shè)計(jì)階段要參照GB/T51366-2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》分別對(duì)夏季空調(diào)系統(tǒng)、冬季供暖系統(tǒng)以及建筑通風(fēng)等碳排放量進(jìn)行預(yù)先估算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果找出設(shè)計(jì)方向和重點(diǎn)，從節(jié)能減排的角度制定更具針對(duì)性的設(shè)計(jì)方案，從而打造出更高品質(zhì)的綠色建筑精品工程。

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