节能减排理念下绿色建筑暖通空调节能优化*

刘 毅 彭 冬 覃国辉

(绵阳城市学院 四川 绵阳 621000)

最近几年,暖通空调节能技术在绿色建筑中得到了广泛应用,之所以绿色建筑会快速发展起来主要归根于其实现了资源的节省、能源的节约,彻底改变了传统建筑材料以及施工环节对环境带来严重污染,对人类身心健康造成较大伤害的现状,节约了资源、节省了成本。所以越来越多的建筑行业开始关注暖通空调节能优化措施的实施,积极落实节能减排理念。基于此,笔者重点针对节能减排理念下绿色建筑暖通空调节能优化进行了深入分析,目的是在为建筑行业绿色可持续发展提供切实可行的建议。

1 节能减排理念下绿色建筑暖通空调节能优化常用技术

1.1 可再生能源技术

1.1.1 地源热泵技术

此技术主要借助设备以及技术支持,采集建筑物周边地热资源用于建筑内供热以及制冷。暖通空调系统中应用此技术无需消耗大量电力,仅需采集地热资源,将其转变成高温热源,便可以为建筑提供暖气,电力资源消耗大幅度降低[1]。此技术的应用可结合不同形式的地源热能采集方法划分成地埋管地源热泵、地下水地源热泵、地表水地源热泵,在对建筑结构深入分析以后合理选择技术方法,设计过程中温度调节系统建设要提前分析室内温度控制需求,根据实情使用户个性化需求得到更好的满足。

1.1.2 太阳能热泵技术

太阳能清洁度非常高,同时也可再生,当前在绿色建筑中也极其常见。此技术应用时以太阳能空调制冷、太阳能空气供暖系统为主,节能环保性能突出,适应性强。制冷过程中吸收热量,通过热交换器将水或空气介质温度降低,采用管路的形式输送至制冷终端,经过冷风或冷水盘管,风机设备是驱动空气流通的主要设备,帮助储热器及集热器更好的循环,或快速输送集热器内太阳能热量至储热器,以满足供暖需求。热水集热方式应用时借助热水提高室内温度,通过热水集热器达到供暖要求,此技术的应用无需消耗太多资源。

1.2 自然通风设计

1.2.1 风压通风

风压通风技术设计时要结合建筑物结构、朝向、功能,综合考虑当地地理环境以及气候条件,尽可能降低自然风对建筑物的阻力[2]。例如绿色建筑设计环节可适当增加门窗开口面积,使各层门窗同处在一个水平线或安装百叶窗,帮助室内空气快速流通。

1.2.2 热压通风

热压通风代助建筑物室内外温差及压力差功能,实现空气的快速流动,将自然风输送至室内,同时将室内污浊空气排出。热压通风应用过程中为达到较好的自然通风效果,可将竖向空腔通风井设计在建筑物内部,帮助建筑物内污浊空气快速从顶端排放出来,进而实现室外冷空气快速流入建筑物底部,形成良好的自然通风通道,以达到较好的效果。

1.3 绿色材料与节能技术

建筑暖通空调传统设计理念中以劣势材料为主,有毒有害物质较多,无形之中破坏了生态环境,使用户身心健康受到影响。现代社会,节能减排理念深入实施,绿色建筑在科学技术支持下开始应用绿色环保型材料,这些材料不仅性能好,而且安全性高,再和节能技术共同应用时可以降低对环境的破坏,消除了健康隐患。

1.4 变频调速技术

传统的调速方法滞后,调速时会消耗很多电力资源,极易出现风柜、水泵难以匹配问题,造成系统运行时故障率较高[3]。目前暖通空调系统设计环节,以变频调速技术为主,无需设计固定运行负荷变频调速电机,运行环节仅需要结合系统实情、用户需求,调节风机与水泵运行速度,大幅度降低了运行负荷,以达到节约能源的目的。

1.5 自动化技术和智能控制技术

暖通空调系统运行效率提高同样也能够节省资源,可运用自动化及智能控制技术。结合建筑物内部供暖、制冷需求对冷热系统运行参数合理化调整。暖通空调系统运行以自动控制模式调整风机、自动阀门,降低了运行时整体的能源消耗,节约资源的效果也较显著。大数据、物联网技术支持下,暖通空调系统实现了节能方案的进一步优化,提高了系统运行效率,降低了故障率,提高了自动化、智能化水平。

2 节能减排理念下绿色建筑暖通空调节能优化案例

2.1 案例概况

本次研究选取的案例属于单、多层公共建筑,地上2层、地下2层,观众厅主屋面造型最高点是30 m,观众厅主屋面平均高度为23.1 m。耐火等级为一级,主体结构采用的是框架剪力墙,屋顶为钢框架体系,基础为梁板式筏形基础。由于综合考虑到了此项目的重要性,所以将其设置为一级负荷用户,双路10 KV 电源由市政提供,地下1层设置了一座10/0.4 k V变电所,并自备应急柴油发电机组,地下2 层设置了一座柴油发电机房。

2.2 空调水系统优化

此项目基于节能减排理念,由空调水系统着手,首先明确了使用一级泵双管制方案,水泵和一体化自控装置结合,实时监控暖通空调运行情况,保证加水温保持在7～12℃,供水温保持45～50℃,基于运行成本最小化,节能减排最大化,形成目标函数,具体公式是:

公式中xi表示目标项,Gi(x)表示节能减排约束方程。根据目标函数极值必要条件,利用求导将解析解求出,结合实际物理意义明确最优解。为将暖通系统节能优化设计环节水系统高效性能充分发挥出来,将每台热泵机组、冷泵机组安装了水源泵,同时根据实际情况完成了水源泵技术参数的设计(如表1 所示)。

表1 暖通空调水系统水源泵技术参数

以此为基础,项目中涉及到的全部水泵均使用变频设计方法,全面优化暖通空调供水。

2.3 通风散热设计

本项目内部环境通风散热时使用了大量玻璃屋顶,组合结构中包含水平隔热、吸音以及遮阳,大面积透明玻璃采光顶具备了较强的聚热功能。经过测量得知夏天的时候顶部温度可达80℃左右。顶部安装了温度传感器,距离间隔8 m,当传感器检测温度大于50℃或辐射热量传感器检测大于1 k W/m2的时候,顶部天窗、排气扇会自动打开,以达到室内温度降低,通风散热的目的,如果温度感应器感知温度降至40℃,风扇会自动关闭,电动天窗会开启自然通风。温度传感器感知温度小于30℃的时候,电动天窗会自动关闭,以免造成空调能量大量消耗。

2.4 出水温度节能控制

如果夏季温度太高的时候,暖通空调出水温度设定在6～8℃;如果夏季温度太低的时候,水温可以设定为9～11℃;在夏天过渡的时候,水温可以设定在11～13℃。夏天供冷的时候,蒸发器供水温每次提高1℃,机组便可以节省3%的能源。冬季供暖的时候要调节及控制出水湿度,以达到节能的目的。为促进此目标实现,本项目采用了PID 控制,暖通空调出水温度节能控制计算公式是:

公式中a1代表的是比例系数,a2表示积分系数,a3表示微分系数;xt代表的是t时刻输入温度;f(.)表示误差函数;y(xt)表示最终t时刻控制以后温度的输出。在副测量变送器增加的基础之上,将PID 控制结构设置成主测量变送器,通过此方式组合而成的绿色建筑暖通空调出水温度节能控制PID 控制结构性能最佳,主变送器设定了固定的设定数值,结合实际测量获得的温度、控制结构设定数值偏差,进而生成了PID 控制输出,比较副测量变送器设定值和实际温度,得出偏差值,如果偏差太大,PID 会对出水温度进行调节。若实际数值和设定季节温度数值出现偏差,PID 控制器马上是行控制,将出水温度偏差逐渐减小;积分时静态误差会被消除。PID 控制温度可实时调节温度,促进蒸发器供水温度的提升,机组能耗随之降低,收获较好的节能效果。

3 节能减排理念下绿色建筑暖通空调节能优化策略

3.1 强化新兴环保能源的利用与开发

目前,有部分暖通空调节能优化中已经开始使用太阳能、风能,需要进一步提升生物质能的开发及利用力度。此技术主要以人畜粪便、腐败植物为主原料,在经过物质处理以后形成生物燃料,在发电、取暖中转化为能量需求。

现代科学技术的发展步伐越来越快,目前腐殖质、废弃物处理技术逐渐成熟,并且能够转化成清洁能源,冬天、极寒地区可直接用来作为暖通空调供暖的燃料。

剩余的多余燃料则可经过发电系统的运作形成电能,更好的应用于暖通空调系统内。在暖通空调中应用这些新兴环保型能源既能够有效缓解用电压力,实现传统能源消耗的大幅度降低,又降低了环境污染,环保且实用。与此同时,目前在绿色建筑暖通空调系统中常用的太阳能、自然风、水源热泵等可再生能源也应该紧跟时代发展步伐,不断开发及创新节能技术,推进暖通空调工程向着绿色环保、可持续发展迈向一大步。

3.2 强化新节能环保技术的开发利用

①开发利用房屋呼吸系统,此技术以外墙进风、卫生间出风、屋顶排风3个环节为切入点,属于新兴通风系统,此系统利用的是高空空气流通性,在将其过滤、除尘、灭菌、降温、加热、除湿、加湿以后,借助低速由房间底部开始逐渐将风口送到房间内,排气孔会将污浊的空气快速排出,此方法不但实现了室内温度合理调节,而且最大限度降低了热能的损失,以达到了较好的节能目的。②低温地板辐射采暖技术的合理化运用,此技术多应用于地板中,需要在地板下面埋设热水管道,借助水管加热的形式达到室内取暖目的。这一技术在运用时要以热水作为介质,辐射表面的温度要进行严格控制,保证在45℃之内。此采暖方法可采用对流形式向上方持续性传递热量,使用户脚底感受到温暖,但是头顶却是凉爽的,此技术的运用可以营造更加舒适的室内温度及环境,扬尘减少了。

4 结语

节能减排是国家对各行各业提出的高要求,作为能源消耗较大的建筑行业,应该积极贯彻节能减排理念,特别是在暖通空调设计方面,综合考虑实际情况以及用户需求的基础之上,加大加快节能技术的引进与改进,最大限度降低能源的浪费与消耗,推进建筑暖通空调施工绿色发展。