在“双碳”背景下的暖通空调节能技术精细化设计浅析

2022-07-14张文超

科技与创新 2022年13期

张文超

（合肥信睦工程管理有限公司，安徽合肥 230000）

全球气候变化对人类社会构成重大威胁，越来越多的国家将“碳中和”上升为国家战略，提出了“无碳未来”的愿景。2020 年，中国基于推动实现可持续发展的内在要求和构建人类命运共同体的责任担当，宣布了“碳达峰”和“碳中和”的目标愿景。中国建筑能耗约占全社会能耗的45%，而在建筑能耗中，暖通空调系统又是不折不扣的“大户”，特别是公共建筑中空调系统能耗占比为30%～50%。通过对暖通空调节能技术的精细化设计，有效降低空调系统能耗，是降低暖通空调系统在建筑能耗中占比的手段，也是现如今高质量绿色建筑发展的需要。

1 暖通空调系统的节能技术背景研究

随着中国城镇化的不断推进，公共和居住建筑的数量不断增加，规模也越来越大，建筑行业能耗的幅度也在不断上升。如图1 和图2 所示，根据数据统计，2018 年全国建筑全过程能耗总量为21.47 亿t 标准煤，占全国能源消费总量比例为46.5%；2018 年全国建筑全过程碳排放总量为49.3 亿t，占全国碳排放的比例为51.3%[1]。

图1 建筑全过程能耗分配图

图2 建筑全过程碳排放总量分配图

伴随着暖通空调系统的安装与使用愈加频繁，这一数据现如今依然呈现出增长趋势，降低碳能耗和碳排放已经迫在眉睫。而随着国务院“双碳”工作意见、《关于推动城乡建设绿色发展意见》《2030 年前碳达峰行动方案》等一系列国家政策的发布，也给暖通空调设计中的“双碳”带来了新的方向：①加快提升建筑能效水平，加强适用于不同气候区、不同建筑类型的节能低碳技术的研发和推广。②推动高质量绿色建筑规模化发展，大力推广超低能耗、近乎零能耗建筑，发展零碳建筑。③加快优化建筑用能结构。深化可再生能源建筑应用，加快推动建筑用能电气化和低碳化。同时一系列新的设计规范和标准，包括《建筑节能与可再生能源利用通用规范》《近乎零能耗建筑技术标准》等，也要求暖通设计师在系统设计过程中注重以能耗控制为目标，在设计阶段采用性能化、精细化设计，通过被动式建筑设计降低建筑中暖通空调系统的需求，采用主动式技术措施最大幅度地提高能源设备与系统效率。

2 暖通空调系统的节能技术精细化设计简述

所谓设计，即“设想和计划”，设想是目的，计划是过程安排，通常是指有目标和计划的创作行为及活动。暖通空调设计则是暖通空调系统施工、调试前的预先计划，必须进行周密计划、精细化设计，才能达到预期效果。在暖通空调系统设计中，设计师需要把握整体设计思路，结合建筑空间布局和功能分区，科学应用自然风，最小化围护结构的能量损失，合理地选用空调系统，采用高效变频节能的设备，使用诸如太阳能等清洁能源，利用余热回收、冰蓄冷等技术措施。在设计阶段与施工、机电调试人员密切配合，充分利用BIM 软件、负荷计算软件、能耗分析软件、机电调试数据等对暖通空调设计中的负荷计算、系统选择、设备参数、节能措施、自动控制等阶段进行优化，在设计阶段就降低暖通空调系统的整体能耗。暖通空调性能化、精细化设计方法框架图如图3 所示。

图3 暖通空调性能化、精细化设计方法框架图

3 暖通空调系统的节能技术精细化设计应用

3.1 工程概况

项目是位于北京市密云区的商业办公综合体。总建筑面积约为20 万m2，地上建筑面积约13 万m2，地下建筑面积超过7.3 万m2，包含有地上购物中心、1#和2#商业办公楼、地下商业分区、地下室及人防区。

设计内容：暖通空调系统、热水采暖系统、通风防排烟系统（本文不做阐述），辐射采暖以及燃气设计不在本次设计范围内。

3.2 设计参数

室外气象参数：选取《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》附录A 中北京地区气象参数[2]。

室内设计参数如表1 所示。

表1 室内设计参数

3.3 负荷计算

本项目按空调系统设计空调冷负荷分为2 部分计算：购物中心（不含超市和影院，以下简称“商业”）和超市。

空调采暖热负荷分为2 部分计算：商业、超市、影院，散热器采暖热负荷为可售商业（含商业和办公首层可售）及办公楼。分项计算值及指标如下。

采用鸿业负荷计算软件9.0 进行逐时逐项冷热负荷计算，冷热负荷计算指标如表2 所示。

表2 冷热负荷计算指标

3.4 系统设计

3.4.1 冷源选择

购物中心（不含超市、影院）设置3 台水冷离心式冷水机组（单台冷量750 RT），提供6.5 ℃/12.5 ℃空调冷冻水，在地下一层设置制冷机房，在购物中心屋顶设置冷却塔。制冷机房平面布置图如图4 所示。

图4 制冷机房平面布置图

超市设置2 台水冷螺杆式冷水机组（单台冷量200 RT），提供7 ℃/12 ℃空调冷冻水，在地下一层设置制冷机房，在购物中心屋顶设置冷却塔。

影院由影院方自行设置风冷冷水机组，屋顶预留机位。

冷却塔直接供冷系统：购物中心内区商铺需要全年供冷，在室外温度低于5 ℃时，采用冷却水通过板式换热器换热直接提供内区冷冻水，该系统的冷却水温度为8 ℃/9.6 ℃，冷冻水供回水温度为9 ℃/13 ℃。

可售商业和办公区域均采用直流变速多联式中央空调系统。

3.4.2 热源选择

由于当地市政热力管网不能提供本项目冬季采暖热源，因此在本项目地下一层设置燃气锅炉房，选用3台承压燃气锅炉（单台容量为2.8 MW，预留1 台备用）提供95 ℃/70 ℃一次热水，通过位于制冷机房内的换热器换热分别提供60 ℃/45 ℃的热水供给商业空调末端及85 ℃/60 ℃热水供给办公和可售商业散热器系统。

3.4.3 水系统设计

购物中心冷冻水系统采用一次泵变流量系统，冷冻水温度为6.5 ℃/12.5 ℃，超市冷冻水系统采用一次泵主机侧定流量末端变流量系统，冷冻水温度为7 ℃/12 ℃。购物中心采用分区两管制水系统（4 层零售区为四管制），超市为两管制水系统。冷热水在分集水器处冬夏切换供水。

空调冷冻水系统为异程式，冷冻水系统最大工作压力为0.86 MPa，超市冷冻水系统最大工作压力为0.48 MPa。

购物中心和超市冷却水系统侧均采用变流量泵，夏季冷却水供回水温度为32 ℃/37 ℃，冷却水系统最大工作压力为0.65 MPa。

锅炉一次热水循环泵为变频泵，一次热水供回水设计温度均为95 ℃/70 ℃。锅炉一次热水系统最大工作压力为0.36 MPa。

空调热水循环泵为变频泵，空调热水供回水设计温度均为60 ℃/45 ℃。管制同冷冻水系统，冷热水管在分集水器处冬夏切换供水。

空调热水系统为异程式，系统最大工作压力为0.8 MPa。

3.4.4 风系统设计

购物中心零售区域采用新风处理机组，采用粗效过滤、中效过滤、冷（热）盘管段、风机处理段后，由新风管路送至室内。

超市、百货、公共区等大空间场所采用全空气处理机组，混合新风段和回风混合后经过粗效过滤、中效袋式过滤、冷（热）盘管段、送风机段送入室内。全空气系统设置独立排风机，在过渡季节加大新风量时，开启排风机可实现70%新风比运行。

冬季、过渡季内区全空气系统可利用新风免费供冷，充分利用天然冷源。

3.5 自动控制

暖通空调系统的自动控制是整个建筑物楼宇自控管理系统BAS 的一部分，通过该系统实现暖通空调系统的自动运行、调节，以减少运行管理的工作量和成本，降低暖通空调系统的运行能耗。暖通空调系统的控制和检测包括但不限于机组、水泵、风机、阀门、冷却塔等系统设备的运行、故障及远程/本地转换，冷冻水和冷却水系统的供回水温度、压力和流量检测，各种电控阀门、仪表数据的记录。通过优化组合确定设备运行工况，达到整体节能的效果。

商业空调冷冻水泵采用台数和转速调节，频率根据系统压差变化控制，系统测压点设置在最不利环路干管靠近末端处。商业空调供水总管间设置电动旁通阀，在流量低于商业冷机最小允许流量时开启，超市冷冻水泵为定频水泵，在供回水总管间设置压差旁通阀保证冷机定流量运行。

根据冷却塔供水温度控制冷却塔风机的台数；过渡季节在冷却水供回水间通过设置的旁通调节阀，控制旁通水量，调节混合比控制水温。调节冷却水的温度，使其符合冷水机组的最低温度要求。

换热系统根据换热器二次水出水温度来控制一次水流量。锅炉热水循环泵为定频水泵采用台数控制，在供回水总管间设置压差旁通阀保证锅炉定流量运行。空调热水泵、散热器采暖水泵采用台数和转速调节，根据系统最不利点压差控制水泵转速。

对于全空气系统，风机可进行变风量控制；在过渡季节则根据室内外焓值的比较，实现增大新风比的控制，以充分利用室外空气消除余热。

风机盘管机根据室内温度控制盘管水路电动控制阀开关，根据冷热水工况手动进行季节转换，同时能够就地手动控制风机启停和转速。

3.6 设计分析

本项目在设计伊始，与建筑专业沟通配合，在平面布局和功能分区上合理利用自然风，强化气流组织，降低了百货区域的负荷需求和能耗比；对于制冷机房的布置也靠近负荷需求中心，以减少冷冻水输送环节的管路损耗和水泵能耗。通过负荷计算软件和能耗分析模拟软件，结合BIM 建筑模型、全年逐时气象数据、围护结构等参数，创建空调系统方案进行对比，选择低能耗、高舒适度的空调系统。同时在系统设计环节积极应用多项节能措施：根据北京当地的气候特征和生活习惯，在不影响舒适度的情况下适当调整了系统的设计参数，降低了负荷需求，间接地减少了系统能耗；冬季、过渡季内区全空气系统可利用新风免费供冷，充分利用天然冷源；采用变频水泵，并根据实际需求确定工作频率，以防止水泵始终处在全负荷状态；在达到空气处理基本要求的基础上，尽量提高冷水初温，这是因为当制冷机组的蒸发温度提高1 ℃时，可减少2%～3%的电能消耗，通过提高温差和减少循环水流量来降低系统能耗[3]；借助传感技术及自动控制理论实时监测室内温湿度，并根据监测数据对空调系统参数进行设置与调整，确保空调系统处于高效工区。最终在本项目中通过对设计环节的精细化把控，暖通空调系统的整体能耗相比最初的空调系统降低了大约12%，占建筑能耗比降低了大约8%。