建筑暖通空调系统的节能设计要点研究

2021-04-10于海

工程技术研究 2021年18期

于海

中联西北工程设计研究院有限公司，陕西西安 710077

1 建筑暖通空调系统的能源使用要求

1.1 利用可再生能源

在已建成的建筑中，采取电能作为暖通空调系统的驱动能源的占比高达95%以上。电能在输送过程中会产生一定的损耗，且电能本质上是由煤炭等化石能源转换而来的，在电能生产期间将对生态环境造成严重的污染破坏。因此，在现代低碳节能建筑中，将可再生能源作为暖通空调系统动力源的比例越来越高。常用的可再生能源为太阳能、风能、地热能。

（1）太阳能采暖系统。安装一定数量的太阳能电池板组成集热器，由太阳能电池板持续吸收太阳辐射，在系统制冷与制热过程中分别将所吸收的太阳辐射直接转换为热媒水，存储至转换器内，由太阳能转换为电能，作为供热机、制冷机等设备的动力能源。同时，可采取吸收式太阳能技术，使用吸收剂，凭借其吸收蒸发特性发挥系统的制冷作用。

从设计角度来看，在使用太阳能作为暖通空调系统的动力源时，一是要求将太阳能集热器安装在建筑屋面等具有良好日照条件的部位，根据建筑朝向与空间布局来确定具体安装位置，禁止在太阳能集热器周边分布绿化树木等遮挡物，确保平均日照射度与日照时间不低于相关设计标准。二是应合理采取太阳能蓄能采暖方式，解决因天气、夜间等原因导致的供暖不足问题。具体蓄能方式包括当天蓄能、周蓄能、跨季蓄能3种：当天蓄能采暖系统用于满足建筑末端短时间的供暖需求；周蓄能采暖系统是将所收集的热能储存在水箱中，适当调整水箱容积；跨季蓄能采暖系统的水箱容积应保持当天蓄能水箱的10倍及以上，用于缺乏充足采暖空间的建筑。三是根据已知工程资料与现场气候日照条件，开展日照模拟试验，模拟不同日照条件下的太阳能蓄能供暖情况，根据试验结果设定供暖热负荷、单日耗热量、水箱容积等参数。

（2）风能系统。在建筑暖通系统中，风能是采取自然通风与机械通风方式，向建筑室内环境中吹入新鲜的冷却空气，加快室内环境热量的逸散速度，起到制冷的作用，可以在无电源或系统低运行负荷条件下完成制冷任务。然而，风能作为动力源的稳定性较差，对建筑所处区域风力条件、空气质量、室内外环境温度有着严格要求，实际应用范围受限，主要作为建筑暖通系统的一种辅助动力。

（3）地源热泵系统。地源热泵系统是在建筑结构中安装地源热泵机组，以向暖通空调系统供热的一种能源系统，由室内末端供热、室外地源换热、地热能交换机组三部分组成。在系统运行期间，地源热泵机组仅需消耗少量电能，即可持续从建筑所处区域浅层或中深层陆地中采集交换低温热量，再将低品位热能转换为高品位热能，从而取得良好的建筑供暖、制冷效果。相关试验结果显示，地源热泵机组每消耗1kW电能，即可转换获取4kW级以上的高品质热能或冷量。

1.2 提高能源利用率

为了提高建筑暖通动力能源的实际利用率，需要组合采取建筑布局调整、参数控制、强化结构性能的设计措施。首先，根据建筑所处区域气候环境条件，对建筑朝向进行调整，合理设置采光点与通风口位置，以改善建筑的自然采光与通风条件。其次，合理设定建筑暖通空调系统的温度参数。早期建成的建筑暖通空调系统普遍将温度参数设定为22℃，使得系统运行能耗较高，造成不必要的能源浪费。因此，需要结合建筑用途来设定室内环境温度参数，尽可量减小室内外温度差。最后，通过使用新型墙体保温材料，调整门窗构件的数量与面积比例，强化建筑结构的隔热保温和密封性能，避免由动力源所转换的冷源、热能快速逸散。

2 建筑暖通空调系统的节能设计要点

2.1 建筑围护结构保温性能设计

建筑结构表面积与热传导量成正比关系。在现代建筑工程中，随着建设规模的扩大，建筑结构传热导量与暖通空调系统负荷随之增加，而在系统运行期间消耗大量能源，违背了节能设计理念。因此，对建筑暖通系统节能属性的强化，需要从问题源头着手，重点提高建筑物围护结构的保温隔热性能，具体措施包括外墙保温节能、外窗保温节能、屋面保温节能。其中，在外墙保温节能设计环节，需在外墙结构中设置保温层，使用聚苯板、聚氨酯泡沫等保温材料，起到控制建筑室内环境热量逸散速度的作用。在外窗保温节能设计环节，调整窗构件数量与分布位置，充分利用太阳能，减少建筑采暖负荷，并提高窗户气密性与墙体的密封性能，避免因空气渗透量过大而增加热耗量。例如，在窗洞与窗框间隙处填筑自发泡材料，优先选择平开窗作为窗户型式。在屋面保温节能设计环节，采取倒置式屋面，在防水层上方施作保温层，避免太阳光直接照射防水层，起到减小屋面温度分布、屋顶蓄存热量的隔热保温效果。

2.2 冷冻水系统节能设计

冷冻水系统在建筑暖通空调系统的总能耗中占比较大，是建筑暖通节能设计工作的重中之重。该系统的节能思路为，调整水泵运行工况，使其具备良好的负荷变化适应能力，在部分负荷运转工况下满足实际运行需求，具体设计措施包括调整阀门开启度、水泵转速、多水泵叶轮直径和冷却塔节能。

首先，控制阀门在运行期间处于部分开启状态，通过调整开启度控制扬程流量和改变水泵工况，但阀门开启度过小时会因产生过大局部阻力而出现水泵过载运行状态，需要合理设定开启度，避免因水泵输出功率增大而消耗额外电能。其次，在冷冻水系统中设置变频水泵设备，正确掌握水泵转速、功率、流量、扬程、轴功率等要素间的关系，通过调整水泵转速控制冷却水流量，降低冷却水泵运行能耗，实际运行能耗与水泵转速固定不变时的水泵运行能耗差值即为节能量。同时，在变频水泵选型环节，优先配置与制冷机组功率差值较小的水泵，根据系统运行需求确定水泵台数。再次，基于相似定律得知，水泵叶轮直径与流量、轴功率、扬程等运行参数相关，通过调整水泵叶轮直径可以起到控制水泵运行工况和降低运行能耗的节能效果，但叶轮直径改变量有限，当水泵叶轮直径大幅改变时，将影响水泵的使用性能。最后，对冷却塔设备的运行参数进行调整，也可起到冷冻水系统的节能效果，如调整冷却塔出口温度来改善制冷机组运行工况，调整冷却塔风量、水量来增大水泵功耗比重与减小冷却塔运行负荷，配置新型的逆流式冷却塔取代传统的横流式冷却塔。

2.3 通风系统节能设计

在通风系统节能设计环节，一方面，应合理选择通风系统形式，针对建筑面积较大的建筑，可以设计全空气空调系统，在系统中设置变风量末端装置，根据实际使用需要，有效调节建筑室内各处功能区域与独立房间的送风量，通过室内空气参数减低风机与制冷机组运行能耗来取得节能效果。同时，可设计单区、双风道、多区再热等形式的通风系统。针对高大空间建筑，则设计分层空调系统，从垂直方向将建筑物人员活动区域划分为一个空调系统，送风口中心线为分层面，分层面上下分别为非空调区域和空调区域。在系统运行期间，由于非空调区域温度高于空调区域，基于送风射流卷吸原理，非空调区域和空调区域持续形成对流热转移负荷以及辐射热转移负荷，起到节省冷量的节能效果。另一方面，采取多元化通风手段，调整建筑外窗数量、面积占比和分布位置。在过渡季节采取机械通风或自然通风方式，持续向室内吹入新鲜空气，排出浑浊空气，在不产生或仅产生少量运行能耗的基础上，起到改善建筑室内空气质量与消除余热的作用。

2.4 供暖系统节能设计

在早期建设的建筑工程中，普遍采用散热器或其他供暖设备的单一供暖方式，设备系统运行能耗较高，且散热器空间布置方面较为困难，容易影响建筑使用功能的发挥。因此，设计师可选择在供暖系统中采取同步配置散热器与空调进行主次供暖的复合供暖方式，其具有建设成本低廉、使用灵活、供暖效果好的优势。同时，可以结合建筑结构与供暖需求，优化调整供暖管路的布局方案，尽可能缩短管路长度，采取立式单双管或垂直隔断的管路布置形式，以降低管路内介质在传输期间产生的损耗，提高热能使用效率。