綠色建筑理念下的暖通系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

【摘要】文中對(duì)綠色建筑理念下暖通系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，闡述了節(jié)能高效、健康舒適、經(jīng)濟(jì)合理和因地制宜四項(xiàng)設(shè)計(jì)原則，并提出了被動(dòng)式設(shè)計(jì)、高效設(shè)備與系統(tǒng)應(yīng)用、可再生能源利用和智能化控制四種優(yōu)化策略。通過分析上海中心大廈、廣州珠江新城節(jié)能示范區(qū)、北京大興國際機(jī)場和深圳萬科中心等典型案例，展示了暖通系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)在實(shí)踐中的應(yīng)用效果。研究表明，綜合運(yùn)用各種節(jié)能環(huán)保技術(shù)和管理手段，可顯著提高暖通系統(tǒng)的能效。

【關(guān)鍵詞】綠色建筑；暖通系統(tǒng)；優(yōu)化設(shè)計(jì)；能效優(yōu)化

【中圖分類號(hào)】TU201.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）07-0058-03

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑能耗在總能耗中的比重持續(xù)上升。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年中國建筑能耗占全社會(huì)總能耗的28%，其中暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗占建筑總能耗的50%以上。因此，優(yōu)化暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高其能效水平，對(duì)于實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能具有重要意義[1]。同時(shí)，隨著人們對(duì)室內(nèi)環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高，如何在滿足舒適性需求的同時(shí)，降低暖通系統(tǒng)的能耗，也成為亟待解決的問題。文中將從綠色建筑理念出發(fā)，探討暖通系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的策略與方法。

1 綠色建筑中暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

1.1 節(jié)能高效原則

節(jié)能高效是綠色建筑暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要原則。暖通系統(tǒng)的能耗通常占建筑總能耗的50%以上，因此提高暖通系統(tǒng)的能效對(duì)于建筑節(jié)能具有重要意義。為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能高效，暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面入手：第一，優(yōu)化建筑熱工性能，減少暖通系統(tǒng)的負(fù)荷；第二，選用高效的暖通設(shè)備，如高效制冷機(jī)組、熱回收裝置等；第三，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行策略，采用變頻調(diào)速、分區(qū)控制等措施；第四，加強(qiáng)能耗監(jiān)測和管理，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化控制。通過以上措施，可以顯著提高暖通系統(tǒng)的能源利用效率，降低建筑的運(yùn)行能耗。節(jié)能高效的暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅可以降低建筑的能源消耗，還可以減少溫室氣體排放，具有顯著的環(huán)境效益。同時(shí)，節(jié)能措施還可以降低建筑的運(yùn)行成本，提高建筑運(yùn)營的經(jīng)濟(jì)性。

1.2 健康舒適原則

除了節(jié)能環(huán)保外，綠色建筑還應(yīng)為使用者提供健康舒適的室內(nèi)環(huán)境。暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足人體熱舒適和室內(nèi)空氣品質(zhì)的要求，營造良好的室內(nèi)環(huán)境。熱舒適是指人體與環(huán)境之間的熱平衡狀態(tài)，影響熱舒適的主要因素包括空氣溫度、濕度、流速和輻射溫度等。暖通系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)建筑的功能和使用需求，合理設(shè)定室內(nèi)溫濕度參數(shù)，提供穩(wěn)定、均勻的熱環(huán)境。同時(shí)，還應(yīng)優(yōu)化空氣分布，避免出現(xiàn)氣流感和不均勻感。室內(nèi)空氣品質(zhì)是指室內(nèi)空氣中各種污染物的濃度及其對(duì)人體健康的影響。室內(nèi)空氣污染已成為威脅人體健康的主要環(huán)境問題之一。暖通系統(tǒng)應(yīng)采取有效的通風(fēng)措施，控制室內(nèi)二氧化碳、甲醛等污染物濃度，提供充足的新鮮空氣。

1.3 經(jīng)濟(jì)合理原則

綠色建筑暖通系統(tǒng)不僅要滿足節(jié)能環(huán)保和舒適健康的要求，還應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)合理性。由于綠色技術(shù)和設(shè)備的投資成本較高，因此在暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的初投資和全生命周期成本，選擇經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的方案。這就需要在設(shè)計(jì)階段，對(duì)各種備選方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，評(píng)估其能效、環(huán)保、舒適等性能指標(biāo)，并考慮設(shè)備的維護(hù)、更新和替代等因素，以確定最佳的投資方案[2]。除了投資成本外，暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮運(yùn)行費(fèi)用和可維護(hù)性。合理的設(shè)計(jì)可以降低系統(tǒng)的能耗和維護(hù)成本，提高建筑的經(jīng)濟(jì)效益。例如，采用高效設(shè)備可以降低電費(fèi)支出；采用模塊化設(shè)計(jì)可以便于系統(tǒng)的維護(hù)和更新；采用智能化控制可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行，降低人工成本。

1.4 因地制宜原則

綠色建筑暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)遵循因地制宜的原則，充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)、資源稟賦和建筑特征等因素。不同地區(qū)的氣候條件差異較大，對(duì)暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有不同的要求。例如，寒冷地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)考慮采暖系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化，提高保溫隔熱性能；炎熱地區(qū)應(yīng)重點(diǎn)考慮空調(diào)系統(tǒng)的高效制冷和除濕，改善室內(nèi)熱環(huán)境；溫和地區(qū)則應(yīng)兼顧采暖和制冷，充分利用自然通風(fēng)和自然冷源。因地制宜的暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮當(dāng)?shù)氐哪茉唇Y(jié)構(gòu)和資源條件。例如，在太陽能資源豐富的地區(qū)，可以利用太陽能集熱器提供生活熱水和采暖；在地?zé)豳Y源豐富的地區(qū)，可以利用地源熱泵系統(tǒng)提供冷熱源；在風(fēng)能資源豐富的地區(qū)，可以利用自然通風(fēng)改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。同時(shí)，還應(yīng)考慮建筑的形式和布局，如朝向、窗墻比、體形系數(shù)等，優(yōu)化建筑的熱工性能，減少暖通系統(tǒng)的負(fù)荷。

2 暖通系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略

2.1 被動(dòng)式設(shè)計(jì)策略

被動(dòng)式設(shè)計(jì)是指通過優(yōu)化建筑本身的設(shè)計(jì)參數(shù)，如布局、朝向、外圍護(hù)結(jié)構(gòu)等，最大限度地減少暖通系統(tǒng)能耗的設(shè)計(jì)策略。被動(dòng)式設(shè)計(jì)可以顯著降低建筑的供暖和制冷負(fù)荷，從而減少暖通系統(tǒng)的裝機(jī)容量和運(yùn)行能耗。合理的建筑布局和朝向可以有效利用太陽輻射，在冬季獲得更多的太陽熱能，在夏季減少太陽的照射，從而降低供暖和制冷能耗。同時(shí)，通過優(yōu)化窗墻比、體形系數(shù)等參數(shù)，可以減少建筑的傳熱損失，提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能。被動(dòng)式設(shè)計(jì)還可以利用建筑的蓄熱性和熱慣性，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的波動(dòng)，減少暖通系統(tǒng)的啟停次數(shù)和運(yùn)行時(shí)間。例如，采用重質(zhì)材料的外墻和屋面，可以增加建筑的熱慣性，延緩室內(nèi)溫度的變化速率；采用相變儲(chǔ)能材料，可以吸收和釋放潛熱，調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度的波動(dòng)。此外，被動(dòng)式設(shè)計(jì)還包括自然通風(fēng)、自然采光等措施，可以利用自然力減少機(jī)械通風(fēng)和人工照明的能耗。

2.2 高效設(shè)備與系統(tǒng)

在暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，選用高效節(jié)能的設(shè)備和系統(tǒng)是提高能源利用效率的關(guān)鍵。高效設(shè)備的應(yīng)用可以顯著降低系統(tǒng)能耗，提高能源轉(zhuǎn)換效率。例如，采用變頻控制的電機(jī)和泵，可以根據(jù)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，避免額定工況下的能量損失；采用全熱交換器，可以回收排風(fēng)中的熱量和濕度，減少新風(fēng)處理的能耗；采用高效制冷機(jī)組，如磁懸浮離心式冷水機(jī)組，其制冷性能系數(shù)（COP）可達(dá)到6.0以上，遠(yuǎn)高于常規(guī)機(jī)組。除了設(shè)備選型外，暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行優(yōu)化也可以大幅提升系統(tǒng)效率。合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以減少管路阻力和熱損失，提高輸配效率。例如，采用一次泵變流量系統(tǒng)，可以根據(jù)末端負(fù)荷調(diào)節(jié)水泵流量，降低輸配能耗；采用分層空調(diào)系統(tǒng)，可以根據(jù)不同區(qū)域的使用需求獨(dú)立控制，避免過度供應(yīng)。同時(shí)，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行策略和控制參數(shù)，也可以在滿足舒適性的前提下，最大限度地節(jié)約能源。例如，采用變頻控制和溫度補(bǔ)償?shù)却胧梢愿鶕?jù)負(fù)荷特性和天氣條件，優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行工況。

2.3 可再生能源利用

在建筑能耗中，供暖、制冷和生活熱水占據(jù)了很大比重。傳統(tǒng)的暖通系統(tǒng)主要依賴化石能源，如煤炭、天然氣等，存在能源消耗高、污染排放大等問題。利用可再生能源，如太陽能、地?zé)崮艿龋梢燥@著降低建筑的常規(guī)能源消耗，實(shí)現(xiàn)暖通系統(tǒng)的節(jié)能化和清潔化。太陽能熱水系統(tǒng)可以利用太陽輻射制備生活熱水，替代電熱水器和燃?xì)鉄崴?，?jié)約大量電力和燃料。太陽能光熱供暖系統(tǒng)可以利用太陽能集熱器提供采暖熱量，減少鍋爐和電輔助加熱的能耗。地源熱泵系統(tǒng)可以利用地表淺層土壤或地下水的恒溫特性，為建筑提供高效、清潔的冷熱源。與常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)相比，地源熱泵系統(tǒng)的能效比可提高2倍～5倍，運(yùn)行費(fèi)用可降低30%～70%。同時(shí)，地源熱泵系統(tǒng)還具有無燃燒、無污染、無噪聲等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)建筑低碳化的重要技術(shù)之一。此外，風(fēng)能、生物質(zhì)能等其他可再生能源也可以應(yīng)用于暖通系統(tǒng)，如利用風(fēng)力驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)，利用生物質(zhì)燃料鍋爐供熱等。

2.4 智能化控制

暖通系統(tǒng)的運(yùn)行效率不僅取決于設(shè)備和系統(tǒng)的性能，還與控制策略和操作管理密切相關(guān)。傳統(tǒng)的暖通系統(tǒng)采用定時(shí)定值控制，無法適應(yīng)環(huán)境和負(fù)荷的動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致能源浪費(fèi)和舒適性下降。智能化控制可以通過實(shí)時(shí)監(jiān)測和優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)暖通系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)匹配和協(xié)調(diào)運(yùn)行，最大限度地提高能源利用效率和室內(nèi)環(huán)境品質(zhì)。智能化控制系統(tǒng)通過各種傳感器和儀表，如溫度、濕度、CO2濃度、人員活動(dòng)等，實(shí)時(shí)采集建筑環(huán)境參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，并結(jié)合天氣預(yù)報(bào)、能耗統(tǒng)計(jì)等數(shù)據(jù)，對(duì)暖通系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制。例如，采用模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法等智能算法，可以根據(jù)歷史數(shù)據(jù)和反饋信息，自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)地調(diào)整控制策略和參數(shù)，使系統(tǒng)始終處于最佳工況。采用預(yù)測控制、最優(yōu)控制等方法，可以根據(jù)未來負(fù)荷預(yù)測和能耗目標(biāo)，提前優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行計(jì)劃和調(diào)度方案，降低能源消耗和運(yùn)行成本。此外，智能化控制還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)管、故障診斷、能耗分析等功能，提高系統(tǒng)的可靠性和管理效率。

3 暖通系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的典型案例

3.1 上海中心大廈

上海中心大廈是世界級(jí)的綠色建筑，其暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)堪稱典范。建筑采用了高效節(jié)能的設(shè)備與系統(tǒng)，如高COP的離心式冷水機(jī)組、全熱交換器、冰蓄冷系統(tǒng)等，綜合能效比達(dá)到了6.5，比常規(guī)系統(tǒng)提高了30%以上。同時(shí)，建筑采用分層空調(diào)和智能化控制，根據(jù)不同區(qū)域的使用需求靈活調(diào)節(jié)，進(jìn)一步提高了能源利用效率。值得一提的是，建筑還采用了再生能源系統(tǒng)，包括屋頂光伏、垂直軸風(fēng)力發(fā)電等，可再生能源利用率達(dá)到了5%，體現(xiàn)了綠色節(jié)能的設(shè)計(jì)理念[3]。

3.2 廣州珠江新城節(jié)能示范區(qū)

廣州珠江新城節(jié)能示范區(qū)是國內(nèi)首批綠色生態(tài)城區(qū)之一，其建筑的暖通系統(tǒng)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了因地制宜的原則。針對(duì)廣州炎熱多雨的氣候特點(diǎn)，示范區(qū)采用了混合通風(fēng)模式，即在過渡季和冬季采用自然通風(fēng)，在夏季采用機(jī)械通風(fēng)，最大限度地利用了自然風(fēng)資源，降低了空調(diào)能耗。同時(shí)，通過低輻射鍍膜玻璃、遮陽百葉等被動(dòng)式設(shè)計(jì)措施，減少了建筑的太陽輻射熱量，降低了空調(diào)負(fù)荷。在設(shè)備選型上，采用了高效的水冷式冷水機(jī)組和變頻多聯(lián)機(jī)，提高了制冷效率。在控制策略上，采用了基于負(fù)荷預(yù)測的優(yōu)化控制算法，根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)自適應(yīng)調(diào)節(jié)空調(diào)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能運(yùn)行。經(jīng)測試，建筑全年空調(diào)能耗較常規(guī)建筑降低了60%以上[4]。

3.3 北京大興國際機(jī)場

北京大興國際機(jī)場是世界最大的單體航站樓，其暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)規(guī)模和復(fù)雜程度可想而知。為了滿足航站樓的高舒適性要求，同時(shí)實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保，機(jī)場采用了置換通風(fēng)和輻射供暖相結(jié)合的空調(diào)系統(tǒng)。置換通風(fēng)利用低速送風(fēng)，在提高通風(fēng)效率的同時(shí)，降低了送風(fēng)阻力和風(fēng)機(jī)能耗；輻射供暖利用大表面積的供熱，提供了均勻舒適的熱環(huán)境，避免了對(duì)流供暖易產(chǎn)生的熱不均和氣流擾動(dòng)問題。同時(shí)，機(jī)場還采用了高效的熱泵系統(tǒng)，利用地源和污水源的低品位熱能制取供暖和生活熱水，可再生能源利用率達(dá)到了20%。在空調(diào)過渡季，充分利用自然通風(fēng)，進(jìn)一步降低了常規(guī)能耗。得益于一系列節(jié)能優(yōu)化措施，機(jī)場航站樓的暖通空調(diào)系統(tǒng)能效比達(dá)到了5.2，較常規(guī)機(jī)場建筑提高了50%以上[5]。

3.4 深圳萬科中心

深圳萬科中心是國內(nèi)頂級(jí)的綠色商務(wù)建筑，其暖通系統(tǒng)的設(shè)計(jì)兼顧了節(jié)能與經(jīng)濟(jì)的雙重目標(biāo)。針對(duì)深圳夏熱冬暖的氣候特點(diǎn)，建筑采用了水冷變頻多聯(lián)式空調(diào)系統(tǒng)，通過變頻技術(shù)和分區(qū)控制，在滿足舒適性要求的同時(shí)，充分利用分布式供冷的高效優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了制冷能耗的最小化。同時(shí)，采用了全新風(fēng)除濕機(jī)組，利用轉(zhuǎn)輪除濕和冷凍除濕相結(jié)合的方式，顯著降低了除濕能耗。在供暖方面，采用了模塊化熱泵機(jī)組，根據(jù)需求靈活調(diào)節(jié)，避免了能源浪費(fèi)。在熱源塔選型上，采用了超靜音型冷卻塔，降低了噪聲污染。系統(tǒng)采用了基于模糊PID的智能控制算法，根據(jù)室內(nèi)外環(huán)境參數(shù)和能耗反饋，自動(dòng)優(yōu)化調(diào)節(jié)空調(diào)運(yùn)行工況，使系統(tǒng)能效始終處于最佳狀態(tài)。經(jīng)測試，建筑全年暖通空調(diào)能耗較常規(guī)建筑降低了45%，運(yùn)行費(fèi)用降低了40%以上，體現(xiàn)了節(jié)能與經(jīng)濟(jì)雙贏的設(shè)計(jì)理念。

4 結(jié)語

綠色建筑中暖通系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，需要從建筑、設(shè)備、能源、控制等多個(gè)方面入手，綜合運(yùn)用各種節(jié)能環(huán)保技術(shù)和管理手段。通過在建筑設(shè)計(jì)、暖通設(shè)計(jì)、施工運(yùn)維等各個(gè)階段，都貫徹綠色建筑的理念和原則，才能真正實(shí)現(xiàn)暖通系統(tǒng)的高效節(jié)能和舒適健康。同時(shí)，還需要加強(qiáng)宣傳教育和政策引導(dǎo)，增強(qiáng)全社會(huì)的節(jié)能環(huán)保意識(shí)，推動(dòng)綠色建筑的普及和發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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[作者簡介]蔡福東（1988—），男，貴州盤縣人，本科，工程師，研究方向：暖通工程。