“双碳”视角下的暖通空调节能设计探讨

李嘉俊

（广州市设计院集团有限公司，广东 广州 510620）

0 引言

暖通系统在建筑工程中得到了广泛的应用，暖通系统在提高室内空气品质、保证空气流通、维持室内温度湿度等方面起到了重要作用。对建筑暖通空调系统进行节能优化设计的过程中，必须认识到节能设计的重要意义，坚持可持续发展的思想，实现节能减排的绿色发展目标。将先进的科技、节能思想与暖通空调设计有机地结合起来，在节能减排上作出了积极的技术突破，使得建筑暖通系统的能耗大幅度地下降，为国家的健康、绿色发展作出了贡献。暖通空调系统既要提高其设计建设的合理性，又要提高其工作性能，从而提高人们的居住环境的舒适度，提高空气品质，提高人们的生活品质。

1 “双碳”背景下暖通空调节能技术的优势

在“双碳”的背景下，为了达到节能减排的目的，暖通空调的设计也要做出相应的调整。在目前的暖通空调工程中，要紧紧围绕“双碳”目标，把节能技术和理念融入工程设计、选型、施工、调试、运维等各个环节，使节能目标得到实现。在进行暖通系统的设计时，要根据建筑的具体应用要求，对建筑项目中的每一个节能设计环节进行优化；在建筑维护结构材料选择上，要坚持建筑的绿色环保观念，要从能源消耗方面着手，控制好暖通空调系统的总能耗。未来的暖通空调系统将更多地采用可再生能源，如太阳能、风能等，以减少对化石燃料的依赖；通过采用高效设备、热泵技术、变频调节和智能控制等技术手段，实现能源的高效利用，减少对化石燃料的依赖，降低碳排放，保护自然资源[1]。总的来说，对建筑暖通空调进行节能设计，能够有效地提升其运行效率，这对于提升建筑的节能环保性、建筑舒适度等方面都有着积极的实际意义。

2 暖通空调系统节能设计原则

（1）需求分析。建筑物的类型、用途、面积、人员密度、热负荷需求等信息。这有助于确定系统的设计目标和要求。

（2）系统选择。根据需求分析的结果，选择适合的暖通空调系统类型，如中央空调系统、分体空调系统、地源热泵系统等。考虑到建筑物的特点和预算限制，选择最合适的系统。

（3）负荷计算。进行热负荷计算，确定不同区域的建筑物在全年不同季节的冷热负荷需求。

（4）设备选择。根据负荷计算和空气流量设计的结果，选择合适的设备，如制冷机组、通风风机、空调末端设备等。考虑设备的能效比、噪音水平、可靠性等因素，选择高效、可靠的设备。

（5）管道布置和管道设计。根据建筑物的布局和系统需求，选择合适设备放置方位及采用合理的管道布置和管道尺寸。确保管道的空间布置合理性，减少输送阻力损失。

（6）控制系统设计。设计合适的控制系统，包括温度控制、湿度控制、风量控制等。考虑到系统的自动化程度和能源管理需求，选择合适的控制策略和设备。

3 “双碳”背景下暖通空调节能技术

在传统的设计施工中，大多数的设计者都将重点放在了暖通空调的最大负载原则上，而忽视了暖通空调在实际运行过程中的特点。在双碳背景下，新需求的影响之下，设计人员要充分考虑到各个方面的因素，运用更先进的技术理念，设计出一个适配及高效的空调系统[2]。

3.1 可再生能源的利用

（1）自然能源是指非矿物能源，如太阳能，地热，风力，水电，生物质能。尽管自然能源属于清洁能源，但是它的使用与建筑需求和户外环境有很大关系，它不能满足建筑全年任何时间的需求，通常都需要在自然能源的基础上，辅以其他形式的冷热源。

（2）循环型回热器，也就是热泵技术，它的高效利用能够实现夏天供冷、冬天供热的目的。热泵系统包括空气源热泵、水源热泵和土壤源热泵3 种。随着热泵技术的不断成熟，热泵系统的性能指标也在不断提高[3]。

3.2 变频技术

采用变频调速技术，可使电机转速发生变化，使风机的风量或水泵的水量发生变化。由于在设计的时候，是按照最大流量来进行选择的，因此，电机的功率也是按照最大负载来选择的，但是在实际操作中，所需要的负载是不一样的，所以，要按照实际情况来调整设备的流量，保证设备能够一直保持在一个高效率的工作状态，从而提高设备的运行效率。

3.3 空气热回收技术

空气热回收技术采用的是排风跟新风之间的热量交换，在经过合理的技术经济分析后，应该使用排风来对新风进行预热（或预冷），这样就可以减少新风的负荷，同时还能获得良好的节能和环保效果。新风热交换原理如图1 所示。从结构上看，热回收装置可分为热管型、转轮型和板翅型。根据其性质，可将热回收分为两种类型：全热回收和显热回收。目前，设备的全热回收效率通常高于50%，显热回收效率通常高于60%。

图1 新风热交换原理

3.4 智能调节暖通空调系统运行状态

首先，利用暖通空调的内部局域网，将其接入大数据库中，利用大数据库中的外网，获得当天的气象、温湿度等信息，并利用传感器收集室内外温湿度、降雨量等信息，并对室内工作人员人数、工作人员舒适性等信息进行实时监测和更新，并对这些信息进行整理和分析，绘制出暖通空调的运行效率-环境的关系曲线，供暖通空调的运行管理人员根据这条关系曲线进行实时操作。例如，梅雨天气根据室外传感器数据，检测到室外温度下降，湿度上升。数据分析中心会以这些实时数据为依据，同步地对运行曲线进行更新，暖通空调控制系统会按照最新的曲线进行操作，从而提高暖通空调的中央制冷温度，减少制冷温差。其次，还会根据室内温湿度传感器的数据，对暖通空调的控制系统进行缓慢地调整，从而达到快速地平衡室内温湿度变化。最后，以室内的舒适度评价为依据，在舒适、温暖、寒冷的判断数量上，实现长期的稳定调控。通过对数据的分析，形成了一个闭环的控制过程，使暖通空调的“芯”中藏着“数”，使系统在最好的工作状态下工作，使空调在最好的环境下工作，使空调在最好的舒适环境下工作，从而达到精确的控制、精确的节能、精确的决策。

4 暖通空调能源消耗原因分析

4.1 暖通空调关键系统未能实现高效运行

研究发现，暖通空调系统的能量消耗约占整个建筑能量消耗的50%，所以，如何高效地提升暖通空调的运行品质与效率，是实现暖通空调系统节能低碳化的前提条件。在暖通空调系统中，水泵、风机、制冷机、除湿机等关键设备的设计往往与建筑物自身存在较大的偏差，只要偏差的大小不超过建筑物规定的偏差范围，就不会对系统设备的正常运行产生影响。但是，一旦其数值超过了建筑规范规定的允许范围，就会引起室内各系统的失效，从而造成巨大的能耗与资源浪费。

4.2 建筑结构设计缺乏合理性

在建筑物设计中，建筑物的总体布置和构造也会造成HVAC 系统的高能耗现象。例如，室内布局不恰当，室内光照不足，空气流通不通畅，承重墙位置不合理，窗户朝向等客观原因，都要引起设计者的注意。为了达到暖通空调系统的综合节能最优设计目的，首先，要注意建筑主体墙壁的设计和建造必须符合安全和稳定的建筑标准。其次，在玻璃幕墙智能化设计中，要将能耗均衡与低碳节能相结合，由于建筑结构设计不合理，往往会造成室内与室外的能量损失不均衡，增加暖通系统的不确定性，造成巨大的能耗浪费。

4.3 运行开关未能全面实现智能化管理

随着绿色低碳生产理念的不断推广，智能节能技术被越来越多的企业应用到实际生产和施工中，智能控制是提高暖通空调系统运行效率和品质的最好方法。设计者必须在设计之初，将智能科技融入暖通系统中，以提高系统的灵敏度。在具体的应用过程中，不难发现，通过感测装置探测室内温度变化，可以实现开关的灵活切换。当室内温度出现过高或过低的情况时，智能探测设备将会对系统发出调整操控指式，来调节室内温度。这种设计方式可以有效地避免由于人工开关而造成的能源损耗与能量过度供给的现象。但是，从目前我国建筑行业的现状来看，大多数建筑行业在智能化开关方面的设计力度都比较薄弱，这与智能化开关的理想设计有很大的差距，很多企业只能实现半自动化的设计，这就导致了很难达到理想化的全自动化、智能化暖通空调系统。

5 暖通空调节能技术精细化设计

在暖通空调设计中，需要进行周密计划，实现精细化设计，才能够将预期目标达成[4]。

5.1 设计空气交换系统

在设计过程中，设计者要结合现场情况，进行多个影响因素的分析，并对通风方式进行科学的选择。通过对换气系统进行科学的调控，能够获得较好的节能效果。如果有大量的新风涌入，会给系统带来更大的负担和更大的电力消耗。然而，如果没有充足的新风，就无法对室内空气进行综合处理，从而导致室内空气品质下降。因此，在设计空气处理机组的时候，利用详细的负荷计算及焓湿图分析空气处理过程，合理利用余热回收技术，减少空气过程中不必要的能源消耗。

5.2 科学运用变频设备

近年来，随着变频调速技术的发展，暖通空调节能技术也在不断地改进。通过该技术，可以通过对系统的监控，根据具体需要，合理调整空调设备风机及水泵转速，实现风量、水量等智能按需调节。在设计过程中，要结合实际情况，对变频调速技术进行优化，以降低系统的能量消耗，尽量使设备在高效点运行，达到预定的节能目标。

5.3 优化水循环系统

在整个系统的设计过程中，水循环系统水力平衡起着举足轻重的作用。优先考虑利用管道的敷设路由来使得输配管网水力平衡，如在车库布置水平同程环管，再利用核心筒竖井分设多对立管。至于水的质量，也要达到相应的标准。特别是利用开式冷却塔散热的空调系统，由于水与外界空气的接触，不可避免的将外界空气中的细菌及杂物带入循环冷却水系统中，当系统中积聚的水垢量到一定程度后，冷凝器的换热能力会成指数下降，从而影响整个空调系统的正常运行。所以对于水循环系统，在设计时我们应该考虑设置水处理设备，同时后期运维需要专业的人员，在一定的时间段内，做好系统的清洁工作，保证空调循环水的水质。

5.4 设计智能控制系统

为了实现智能化的控制，必须使用空调监控系统。在设置监控设备时，应该实现对整个系统的整体监控。如果设备在运行中出现了故障，监控设备可以通过总控制台发出警报，对相关工作人员起到警示的作用，使得他们可以及时解决故障，减少风险。也可以通过智能软件，对系统运行中的有关参数展开分析，在出现异常参数时，可以对工作人员进行预警，快速查找出现异常的原因并进行处理。比如在水泵的节能控制中，应该通过供回水温度传感器、压力传感器等来实现对各个分区的供水和回水的智能控制，从而提高水泵的实际工作效率，达到降低能耗的目的。在设计工作中，要结合具体的需求来控制水泵的运行数量及各台水泵的转速，尽量使其在合理的工作点运行，避免某些水泵工作负载过大，降低故障的发生，并提升输配系统的效率。

5.5 正确使用热回收装置

在碳中和思想的指导下，设计者在进行建筑设计时，应该对热回收装置对建筑采暖效果的影响有一个正确的认识。暖通系统在实际的运行过程中，会产生大量的热量，为了做好节能工作，设计者应该将空调的余热利用起来，在充分考虑到发热的流体差异、状态差异等因素的基础上，来设置合适的热回收装置，保证在使用的过程中，余热可以与空调的总热量进行相互交换，更好的为整个建筑提供热能。在设计时，要充分考虑到室内环境的温度变化和湿热变化，在采暖的过程中达到系统节能的目的。暖通系统为了保证室内空气的流通，在供热的时候，会排放出一定数量的煤气，这些煤气携带了很多的热能，所以在某种程度上，也就是产生了很多的能耗。在具体的设计过程中，设计者应该强化对风负荷的热能回收，通过使用自然界中的可再生资源来推动空调中的热能交换，从而提升系统的内部运行效率，降低能耗[5]。

6 结语

总之，在全国推行“双碳”政策的背景下，暖通行业具有广阔的发展前景。为达到节能设计的目的，提升暖通空调系统的安全平稳运行，设计者必须对其运行负荷进行精确计算，合理分析负荷组成及动荡特点，并通过新风全热回收、变风量系统以及引入变流量节能系统等手段，全面提升其节能设计效果。