可持续发展理念下的建筑暖通空调系统节能减排设计新思考

李媛莉 赵树锌

摘 要：我国能源消费占世界能源消费量的比重在过去二十年间从8.0%上升到10.4%，但人均能源资源占有量仅相当于世界平均水平的50%（石油只有10%）。建筑相关能耗占据社会总能耗的很大部分，而其中暖通空调系统能耗占整个建筑能耗的60%以上，为此控制或减少建筑暖通运行能耗是我国实现能源供应可持续发展、缓解能源压力的必然措施之一，这也正是本文的研究出发点。

关键词：可持续发展;建筑;暖通空调系统;节能减排

中图分类号：TU831 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0005-02

暖通空调与建筑物的结合能为人们提供更加舒适的办公和居住环境，但在资源日益匮乏的今天，暖通空调所带来的高能耗是无法回避和忽视的，因此怎样根据环境合理的选择暖通空调系统的能耗方式，在提供舒适室内环境的前提下降低对室外环境的负面影响，是每一位设计人员都需要关注的问题。

1 排风热回收的应用

通常建筑暖通空调系统的排风未经任何处理而被直接排放到室外，排风热量未得到良好利用而造成能源浪费及周围环境的热污染，如果能够将这部分热量给新风进行预热，那么将在室内负荷不变的基础上降低风机处理负荷并提高室内的空气品质。我国对排风热回收的研究还处于起步阶段，市面上完善的热回收装置还较少，而现阶段常用的主要有如下两种：一种是全热回收，在排风和新风间利用全热热交换器来进行热量和湿量的传递，常见的全热回收装置有板翅式、热泵式及转轮式;另一种是显热回收，在排风和新风间利用显热交换器来进行温差换热，常见的显热交换器有热管式、板式及中间媒介式。[1]

某公共建筑暖通空调系统不进行热回收和设置热回收系统的经济性对比如表1所示，不管是设置显热回收还是全热回收都能达到节能减排的效果，设置显热回收的暖通空调系统要比设置全热回收系统的节能效果好，虽然显热回收的运行费高于全热回收，但显热回收的初期投资小且经济性更加，因此最终选用了显热回收。但值得注意的是，并不是所有的暖通空调系统设置显热回收的经济性都要优于全热回收，应结合实际情况进行综合比对。

2 分时分区供暖及室内温度的合理设定

2.1 分时分区供暖

根据建筑用热特点，可以合理设置供暖系统的供热时间，在确保室内供暖需求的前提下，通过按需供暖来降低能耗，该措施尤其适用于公共建筑。将分时分区控制器安装在暖通空调系統中，采集室内温度及供回水温度，控制系统对采集上传的温度数据进行分析，根据建筑特点按时间编程来合理设定供暖运行模型，并有效控制电动调节阀的开度，控制系统流量降低供暖温度以达到节能目的。

在分时分区供暖过程中，应根据相关规定来合理设置室内温度，以公共建筑为例，室内温度在上班及休息时间应在18℃以上，在下班及节假日应在5℃以上（避免设备冻结而造成损失），表2为一个典型的公共建筑暖通空调系统分时分区运行计划表。

2.2 室内空调温度的合理设定

在建筑暖通空调系统设计或使用过程中，设计人员及室内人员通常为了追求舒适性而选择较高的室内空调温度参数，造成了不必要的能耗浪费。室内空调温度的设定需要满足人们要求的舒适室内环境，但也会对建筑的冷热负荷产生直接影响，室内外温差值越大，建筑围护结构传递的能量越大，室内负荷及新风负荷也越大，因而会造成建筑能耗的浪费。因此，在满足室内热舒适度的前提下设置最为节能的室内温度值，对于降低能耗是极为必要的。[2]

在室内热扰参数、围护结构参数及湿度值相同的情况下，某公共建筑采用DeST对夏季和冬季在设定不同室内空调温度下的建筑能耗进行了模拟，结果显示：当冬季室内空调设定温度下降时，全年累计负荷和采暖季最大热负荷将下降（冬季室内空调设定温度从21℃降到17℃时，全年累计负荷下降13.7%）;当夏季室内空调设定温度升高时，全年累计负荷和空调季最大冷负荷将下降（夏季室内空调设定温度从24℃升到28℃时，全年累计负荷下降25.2%）。因此，基于建筑暖通空调系统节能减排的角度而言，对以往偏高的室内外温度标准进行修订，将冬季空调设定温度适当下降、夏季空调设定温度适当上升，既可以满足室内人员活动与健康的需求，又可以切实降低空调能耗。

3 暖通空调系统的合理设计与实时监控

3.1 暖通空调系统的合理设计

在建筑暖通空调系统设计过程中，在对室内负荷进行估算时，设计人员往往为了满足室内的温度要求，仅仅采用各区域的冷负荷峰值之和或简单的使用负荷指标法来计算，此种算法将得到偏大的负荷结果，造成空调系统机组和设备的选型过大（如风机、循环水泵等），偏低的实际运行效率必将造成大量能源的浪费。设计人员在建筑暖通空调系统设计时，不仅要将室内环境舒适度考虑在内，还要对建筑位于采暖季和供冷季的负荷特征进行充分考虑，对冷热源方案进行合理设计，合理配置空调机组和设备以适应部分负荷条件下的运行要求，切实避免能源的大量损失。[3]

以某办公建筑为例，设计之初工作人员设计了两种空调系统：螺杆式冷水机组+燃气锅炉、多联机系统+独立新风机组。对两种系统的能耗进行模拟，结果显示：方案一全年累计耗电量中，冷热水机组、水系统设备及末端设备能耗占比分别为50.5%、30.9%、18.6%，而该建筑全年空调系统在部分负荷工况下运行时间较多，因此系统耗能与机组部分负荷下工作性能紧密相关，在部分负荷时，水泵的能耗居高不下而导致该方案能耗较高;方案二室外机的输出功率能够随着室外负荷的变化而自行调节，因此在部分负荷下能耗比值较高，对比方案一的节能率达到18.7%。

3.2 暖通空调系统的实时监控

第一，冷热水系统的实时监控。一方面，为确保空调器或风机盘管中的冷冻机蒸发器处于正常运行工况，对冷冻水系统的运行状态进行实时监控，在提供足够供水量给冷冻水泵的基础上，确保安全节能目标的实现;另一方面，为确保热水系统的正常循环，对热水系统的运行状态进行实时监控，监测水利工况提供热交换过程需要的热水参数。通过实时监控，可以确保在合理运行状态下提供暖通空调系统所需的冷热水，并降低水泵电耗以实现节能运行。

第二，空调机组的实时监控。通过安装在空调机组附近的控制装置，对室内空气参数进行实时检测（复杂系统可以多安装几个测控点），通过专门的智能化控制平台来調控空调机组设备及阀门的运行状态。

第三，供暖系统的实时监控。利用现代计算机技术，可以对供暖系统各设备及软件进行智能化控制，实时监控系统各设备的运行状态，准确记录其相关系统及设备的参数，根据记录数据，及时发现供热系统及辅助设备运行过程中存在的故障问题，便于管理人员的及时维修。

3.3 空调水系统的水泵变频控制改造

中央空调系统大多是根据设计工况来选择冷却塔、冷水机组、冷却水泵和冷冻水泵的型号，大部分中央空调系统的实际运行负荷率仅为40%～80%，最大负荷出现时间通常小于总运行时间的10%。通过对中央空调水系统的大量调研分析，现在普遍认为水系统能耗在中央空调系统总能耗中占据很大比例，虽然不同空调水系统形式所占能耗比例有所差异，但水泵运行能耗仍超过中央空调系统总能耗的20%～40%。水泵出现大流量小温差主要是因为水泵选型偏大及在部分负荷下水泵没有自动调节流量，因此空调水系统节能改造就应在对空调水系统运行特点及能耗分布情况进行充分了解的基础上，通过必要的水系统测试来实施变频改造，利用变频器改变电动机的转速来对水泵流量进行调节。

空调水系统水泵变频常见的方式有如下两种：（1）压差控制。控制器的输入信号为水系统压差值，控制装置接收来自压差传感器的数值，对传送值和设定值进行比较后，通过电机转速的改变来实现水泵流量的调节;（2）温差控制。将供回水干管上的温差作为控制参数，控制其等于设计供回水温差。通过安装在供回水管上的温度传感器，系统实时监测温差，将计算的两个管路温差数据传输给控制装置，通过其与设定值的比较，以负荷为依据来对水泵流量进行改变。由于没有对水系统增加额外阻力，因而温差控制被认为是最节能的，在实际工程中得到广泛应用，但此种方式在应用中可能出现顶层温度较高的问题（冷冻水泵在工频运行时，顶层楼因辐射较大而造成负荷增多，导致顶层温度过高，甚至超过设计的上限值），究其原因可能是温差控制下，监测到的温差为整个管网的供回水温差，而顶层处于最不利的环路，以此作为水量调节的依据容易出现末端制冷效果较差的温度，直接导致末端无法满足供冷需求。[4]

4 空调冷热源系统的合理选择

现阶段常用的空调冷热源系统主要有如下几种：地埋管地源热泵+冷却塔系统（冷热源为浅层岩土体），具有运行高效、节能环保的优势，但对当地地质条件及气象信息具有较强的依赖性，并且在夏季负荷远大于冬季负荷的应用场合，热泵机组长时间持续运行将造成循环性能系数的降低;地下水地源热泵系统，该系统需要以丰富和稳定的地下水资源作为前提条件，同时不合理的开发利用浅层地热能可能导致地下水的污染和地下水位的降低;地表水地源热泵系统（地表水源为城市附近的湖泊水、流经城市的江河水及沿海城市的海水），冬季从地表水源中取热向建筑物供暖，夏季以地表水源作为冷源向建筑物供冷;空气源热泵系统，其以室外空气作为低品位热源为建筑空调系统提供冷热量，同时回收冷凝热为建筑提供生活热水，具有设备利用率高、运行不受气候条件限制等优势;冷热电三联供系统（天然气燃烧产生的电力供应用户的电力需求，发电后排出的余热通过余热回收作为空调系统冷热源），具有降低有害气体排放、提高能源利用率、增加电力供应及实现能源梯级利用的特点，但在运营管理、技术成熟度等方面还存在诸多有待解决的问题。设计人员在具体选择时，需要根据建筑所在地的自然环境、气候条件及建筑自身特点来进行综合考量。

5 结语

建筑能耗问题已经成为行业关注的焦点，每一位设计人员都需要将节能减排的理念贯穿在建筑暖通空调的设计过程中，力求根据环境合理的对暖通空调系统的耗能方式作出选择。

参考文献

[1] 张建龙.智能建筑暖通空调系统节能方法探析[J].中国标准化，2019（10）：59-60.

[2] 李国梁.暖通设计要与时俱进——专访太原市建筑设计研究院设备副总工程师张爱萍[J].机电信息，2018（25）：40-41.

[3] 石长城.高层楼宇建筑暖通空调节能降耗技术措施探讨[J].绿色环保建材，2018，135（5）：36-37.

[4] 马跃峰，王寅.绿色理念在建筑暖通空调系统节能设计的应用[J].中国住宅设施，2019，189（02）：59-60.