節(jié)能減排理念下綠色建筑暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化*

劉 毅 彭 冬 覃國(guó)輝

(綿陽(yáng)城市學(xué)院 四川 綿陽(yáng) 621000)

最近幾年,暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)在綠色建筑中得到了廣泛應(yīng)用,之所以綠色建筑會(huì)快速發(fā)展起來(lái)主要?dú)w根于其實(shí)現(xiàn)了資源的節(jié)省、能源的節(jié)約,徹底改變了傳統(tǒng)建筑材料以及施工環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重污染,對(duì)人類(lèi)身心健康造成較大傷害的現(xiàn)狀,節(jié)約了資源、節(jié)省了成本。所以越來(lái)越多的建筑行業(yè)開(kāi)始關(guān)注暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化措施的實(shí)施,積極落實(shí)節(jié)能減排理念?；诖?筆者重點(diǎn)針對(duì)節(jié)能減排理念下綠色建筑暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化進(jìn)行了深入分析,目的是在為建筑行業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供切實(shí)可行的建議。

1 節(jié)能減排理念下綠色建筑暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化常用技術(shù)

1.1 可再生能源技術(shù)

1.1.1 地源熱泵技術(shù)

此技術(shù)主要借助設(shè)備以及技術(shù)支持,采集建筑物周邊地?zé)豳Y源用于建筑內(nèi)供熱以及制冷。暖通空調(diào)系統(tǒng)中應(yīng)用此技術(shù)無(wú)需消耗大量電力,僅需采集地?zé)豳Y源,將其轉(zhuǎn)變成高溫?zé)嵩?便可以為建筑提供暖氣,電力資源消耗大幅度降低[1]。此技術(shù)的應(yīng)用可結(jié)合不同形式的地源熱能采集方法劃分成地埋管地源熱泵、地下水地源熱泵、地表水地源熱泵,在對(duì)建筑結(jié)構(gòu)深入分析以后合理選擇技術(shù)方法,設(shè)計(jì)過(guò)程中溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)建設(shè)要提前分析室內(nèi)溫度控制需求,根據(jù)實(shí)情使用戶(hù)個(gè)性化需求得到更好的滿(mǎn)足。

1.1.2 太陽(yáng)能熱泵技術(shù)

太陽(yáng)能清潔度非常高,同時(shí)也可再生,當(dāng)前在綠色建筑中也極其常見(jiàn)。此技術(shù)應(yīng)用時(shí)以太陽(yáng)能空調(diào)制冷、太陽(yáng)能空氣供暖系統(tǒng)為主,節(jié)能環(huán)保性能突出,適應(yīng)性強(qiáng)。制冷過(guò)程中吸收熱量,通過(guò)熱交換器將水或空氣介質(zhì)溫度降低,采用管路的形式輸送至制冷終端,經(jīng)過(guò)冷風(fēng)或冷水盤(pán)管,風(fēng)機(jī)設(shè)備是驅(qū)動(dòng)空氣流通的主要設(shè)備,幫助儲(chǔ)熱器及集熱器更好的循環(huán),或快速輸送集熱器內(nèi)太陽(yáng)能熱量至儲(chǔ)熱器,以滿(mǎn)足供暖需求。熱水集熱方式應(yīng)用時(shí)借助熱水提高室內(nèi)溫度,通過(guò)熱水集熱器達(dá)到供暖要求,此技術(shù)的應(yīng)用無(wú)需消耗太多資源。

1.2 自然通風(fēng)設(shè)計(jì)

1.2.1 風(fēng)壓通風(fēng)

風(fēng)壓通風(fēng)技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合建筑物結(jié)構(gòu)、朝向、功能,綜合考慮當(dāng)?shù)氐乩憝h(huán)境以及氣候條件,盡可能降低自然風(fēng)對(duì)建筑物的阻力[2]。例如綠色建筑設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)可適當(dāng)增加門(mén)窗開(kāi)口面積,使各層門(mén)窗同處在一個(gè)水平線或安裝百葉窗,幫助室內(nèi)空氣快速流通。

1.2.2 熱壓通風(fēng)

熱壓通風(fēng)代助建筑物室內(nèi)外溫差及壓力差功能,實(shí)現(xiàn)空氣的快速流動(dòng),將自然風(fēng)輸送至室內(nèi),同時(shí)將室內(nèi)污濁空氣排出。熱壓通風(fēng)應(yīng)用過(guò)程中為達(dá)到較好的自然通風(fēng)效果,可將豎向空腔通風(fēng)井設(shè)計(jì)在建筑物內(nèi)部,幫助建筑物內(nèi)污濁空氣快速?gòu)捻敹伺欧懦鰜?lái),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)室外冷空氣快速流入建筑物底部,形成良好的自然通風(fēng)通道,以達(dá)到較好的效果。

1.3 綠色材料與節(jié)能技術(shù)

建筑暖通空調(diào)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中以劣勢(shì)材料為主,有毒有害物質(zhì)較多,無(wú)形之中破壞了生態(tài)環(huán)境,使用戶(hù)身心健康受到影響。現(xiàn)代社會(huì),節(jié)能減排理念深入實(shí)施,綠色建筑在科學(xué)技術(shù)支持下開(kāi)始應(yīng)用綠色環(huán)保型材料,這些材料不僅性能好,而且安全性高,再和節(jié)能技術(shù)共同應(yīng)用時(shí)可以降低對(duì)環(huán)境的破壞,消除了健康隱患。

1.4 變頻調(diào)速技術(shù)

傳統(tǒng)的調(diào)速方法滯后,調(diào)速時(shí)會(huì)消耗很多電力資源,極易出現(xiàn)風(fēng)柜、水泵難以匹配問(wèn)題,造成系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)故障率較高[3]。目前暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),以變頻調(diào)速技術(shù)為主,無(wú)需設(shè)計(jì)固定運(yùn)行負(fù)荷變頻調(diào)速電機(jī),運(yùn)行環(huán)節(jié)僅需要結(jié)合系統(tǒng)實(shí)情、用戶(hù)需求,調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)與水泵運(yùn)行速度,大幅度降低了運(yùn)行負(fù)荷,以達(dá)到節(jié)約能源的目的。

1.5 自動(dòng)化技術(shù)和智能控制技術(shù)

暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行效率提高同樣也能夠節(jié)省資源,可運(yùn)用自動(dòng)化及智能控制技術(shù)。結(jié)合建筑物內(nèi)部供暖、制冷需求對(duì)冷熱系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)合理化調(diào)整。暖通空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行以自動(dòng)控制模式調(diào)整風(fēng)機(jī)、自動(dòng)閥門(mén),降低了運(yùn)行時(shí)整體的能源消耗,節(jié)約資源的效果也較顯著。大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下,暖通空調(diào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)能方案的進(jìn)一步優(yōu)化,提高了系統(tǒng)運(yùn)行效率,降低了故障率,提高了自動(dòng)化、智能化水平。

2 節(jié)能減排理念下綠色建筑暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化案例

2.1 案例概況

本次研究選取的案例屬于單、多層公共建筑,地上2層、地下2層,觀眾廳主屋面造型最高點(diǎn)是30 m,觀眾廳主屋面平均高度為23.1 m。耐火等級(jí)為一級(jí),主體結(jié)構(gòu)采用的是框架剪力墻,屋頂為鋼框架體系,基礎(chǔ)為梁板式筏形基礎(chǔ)。由于綜合考慮到了此項(xiàng)目的重要性,所以將其設(shè)置為一級(jí)負(fù)荷用戶(hù),雙路10 KV 電源由市政提供,地下1層設(shè)置了一座10/0.4 k V變電所,并自備應(yīng)急柴油發(fā)電機(jī)組,地下2 層設(shè)置了一座柴油發(fā)電機(jī)房。

2.2 空調(diào)水系統(tǒng)優(yōu)化

此項(xiàng)目基于節(jié)能減排理念,由空調(diào)水系統(tǒng)著手,首先明確了使用一級(jí)泵雙管制方案,水泵和一體化自控裝置結(jié)合,實(shí)時(shí)監(jiān)控暖通空調(diào)運(yùn)行情況,保證加水溫保持在7～12℃,供水溫保持45～50℃,基于運(yùn)行成本最小化,節(jié)能減排最大化,形成目標(biāo)函數(shù),具體公式是:

公式中xi表示目標(biāo)項(xiàng),Gi(x)表示節(jié)能減排約束方程。根據(jù)目標(biāo)函數(shù)極值必要條件,利用求導(dǎo)將解析解求出,結(jié)合實(shí)際物理意義明確最優(yōu)解。為將暖通系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)水系統(tǒng)高效性能充分發(fā)揮出來(lái),將每臺(tái)熱泵機(jī)組、冷泵機(jī)組安裝了水源泵,同時(shí)根據(jù)實(shí)際情況完成了水源泵技術(shù)參數(shù)的設(shè)計(jì)(如表1 所示)。

表1 暖通空調(diào)水系統(tǒng)水源泵技術(shù)參數(shù)

以此為基礎(chǔ),項(xiàng)目中涉及到的全部水泵均使用變頻設(shè)計(jì)方法,全面優(yōu)化暖通空調(diào)供水。

2.3 通風(fēng)散熱設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目?jī)?nèi)部環(huán)境通風(fēng)散熱時(shí)使用了大量玻璃屋頂,組合結(jié)構(gòu)中包含水平隔熱、吸音以及遮陽(yáng),大面積透明玻璃采光頂具備了較強(qiáng)的聚熱功能。經(jīng)過(guò)測(cè)量得知夏天的時(shí)候頂部溫度可達(dá)80℃左右。頂部安裝了溫度傳感器,距離間隔8 m,當(dāng)傳感器檢測(cè)溫度大于50℃或輻射熱量傳感器檢測(cè)大于1 k W/m2的時(shí)候,頂部天窗、排氣扇會(huì)自動(dòng)打開(kāi),以達(dá)到室內(nèi)溫度降低,通風(fēng)散熱的目的,如果溫度感應(yīng)器感知溫度降至40℃,風(fēng)扇會(huì)自動(dòng)關(guān)閉,電動(dòng)天窗會(huì)開(kāi)啟自然通風(fēng)。溫度傳感器感知溫度小于30℃的時(shí)候,電動(dòng)天窗會(huì)自動(dòng)關(guān)閉,以免造成空調(diào)能量大量消耗。

2.4 出水溫度節(jié)能控制

如果夏季溫度太高的時(shí)候,暖通空調(diào)出水溫度設(shè)定在6～8℃;如果夏季溫度太低的時(shí)候,水溫可以設(shè)定為9～11℃;在夏天過(guò)渡的時(shí)候,水溫可以設(shè)定在11～13℃。夏天供冷的時(shí)候,蒸發(fā)器供水溫每次提高1℃,機(jī)組便可以節(jié)省3%的能源。冬季供暖的時(shí)候要調(diào)節(jié)及控制出水濕度,以達(dá)到節(jié)能的目的。為促進(jìn)此目標(biāo)實(shí)現(xiàn),本項(xiàng)目采用了PID 控制,暖通空調(diào)出水溫度節(jié)能控制計(jì)算公式是:

公式中a1代表的是比例系數(shù),a2表示積分系數(shù),a3表示微分系數(shù);xt代表的是t時(shí)刻輸入溫度;f(.)表示誤差函數(shù);y(xt)表示最終t時(shí)刻控制以后溫度的輸出。在副測(cè)量變送器增加的基礎(chǔ)之上,將PID 控制結(jié)構(gòu)設(shè)置成主測(cè)量變送器,通過(guò)此方式組合而成的綠色建筑暖通空調(diào)出水溫度節(jié)能控制PID 控制結(jié)構(gòu)性能最佳,主變送器設(shè)定了固定的設(shè)定數(shù)值,結(jié)合實(shí)際測(cè)量獲得的溫度、控制結(jié)構(gòu)設(shè)定數(shù)值偏差,進(jìn)而生成了PID 控制輸出,比較副測(cè)量變送器設(shè)定值和實(shí)際溫度,得出偏差值,如果偏差太大,PID 會(huì)對(duì)出水溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。若實(shí)際數(shù)值和設(shè)定季節(jié)溫度數(shù)值出現(xiàn)偏差,PID 控制器馬上是行控制,將出水溫度偏差逐漸減小;積分時(shí)靜態(tài)誤差會(huì)被消除。PID 控制溫度可實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)溫度,促進(jìn)蒸發(fā)器供水溫度的提升,機(jī)組能耗隨之降低,收獲較好的節(jié)能效果。

3 節(jié)能減排理念下綠色建筑暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化策略

3.1 強(qiáng)化新興環(huán)保能源的利用與開(kāi)發(fā)

目前,有部分暖通空調(diào)節(jié)能優(yōu)化中已經(jīng)開(kāi)始使用太陽(yáng)能、風(fēng)能,需要進(jìn)一步提升生物質(zhì)能的開(kāi)發(fā)及利用力度。此技術(shù)主要以人畜糞便、腐敗植物為主原料,在經(jīng)過(guò)物質(zhì)處理以后形成生物燃料,在發(fā)電、取暖中轉(zhuǎn)化為能量需求。

現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展步伐越來(lái)越快,目前腐殖質(zhì)、廢棄物處理技術(shù)逐漸成熟,并且能夠轉(zhuǎn)化成清潔能源,冬天、極寒地區(qū)可直接用來(lái)作為暖通空調(diào)供暖的燃料。

剩余的多余燃料則可經(jīng)過(guò)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)作形成電能,更好的應(yīng)用于暖通空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)。在暖通空調(diào)中應(yīng)用這些新興環(huán)保型能源既能夠有效緩解用電壓力,實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源消耗的大幅度降低,又降低了環(huán)境污染,環(huán)保且實(shí)用。與此同時(shí),目前在綠色建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)中常用的太陽(yáng)能、自然風(fēng)、水源熱泵等可再生能源也應(yīng)該緊跟時(shí)代發(fā)展步伐,不斷開(kāi)發(fā)及創(chuàng)新節(jié)能技術(shù),推進(jìn)暖通空調(diào)工程向著綠色環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展邁向一大步。

3.2 強(qiáng)化新節(jié)能環(huán)保技術(shù)的開(kāi)發(fā)利用

①開(kāi)發(fā)利用房屋呼吸系統(tǒng),此技術(shù)以外墻進(jìn)風(fēng)、衛(wèi)生間出風(fēng)、屋頂排風(fēng)3個(gè)環(huán)節(jié)為切入點(diǎn),屬于新興通風(fēng)系統(tǒng),此系統(tǒng)利用的是高空空氣流通性,在將其過(guò)濾、除塵、滅菌、降溫、加熱、除濕、加濕以后,借助低速由房間底部開(kāi)始逐漸將風(fēng)口送到房間內(nèi),排氣孔會(huì)將污濁的空氣快速排出,此方法不但實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)溫度合理調(diào)節(jié),而且最大限度降低了熱能的損失,以達(dá)到了較好的節(jié)能目的。②低溫地板輻射采暖技術(shù)的合理化運(yùn)用,此技術(shù)多應(yīng)用于地板中,需要在地板下面埋設(shè)熱水管道,借助水管加熱的形式達(dá)到室內(nèi)取暖目的。這一技術(shù)在運(yùn)用時(shí)要以熱水作為介質(zhì),輻射表面的溫度要進(jìn)行嚴(yán)格控制,保證在45℃之內(nèi)。此采暖方法可采用對(duì)流形式向上方持續(xù)性傳遞熱量,使用戶(hù)腳底感受到溫暖,但是頭頂卻是涼爽的,此技術(shù)的運(yùn)用可以營(yíng)造更加舒適的室內(nèi)溫度及環(huán)境,揚(yáng)塵減少了。

4 結(jié)語(yǔ)

節(jié)能減排是國(guó)家對(duì)各行各業(yè)提出的高要求,作為能源消耗較大的建筑行業(yè),應(yīng)該積極貫徹節(jié)能減排理念,特別是在暖通空調(diào)設(shè)計(jì)方面,綜合考慮實(shí)際情況以及用戶(hù)需求的基礎(chǔ)之上,加大加快節(jié)能技術(shù)的引進(jìn)與改進(jìn),最大限度降低能源的浪費(fèi)與消耗,推進(jìn)建筑暖通空調(diào)施工綠色發(fā)展。