关于建筑环境与设备工程节能设计的要点分析

2023-01-12张启玉

建筑与装饰 2022年1期

张启玉

深圳市建筑设计研究总院有限公司合肥分院安徽合肥 230000

引言

建筑物的内外部环境与其使用的通风空调设备、采暖设备、照明设备、燃气供应设备等具有非常密切的联系，现阶段节能环保的理念已经成为人们的共识，在设计各种改善建筑物环境条件的设备和系统时，也必须重视对节能技术的应用。对这一类技术加以研究，将会产生非常积极的节能环保效果。

1 建筑环境与设备工程综述

现代化的建筑物中安装了大量的用于改善室内环境的设备，地暖、空调（包括中央空调）、壁挂炉等设备主要用于调节室内的温度，建筑物的新风系统主要用于室内污浊空气和室外清洁空气之间的循环，进而达到净化室内空气的目标。建筑物的供水系统、消防水系统、循环水系统以及污水排放和处理系统在运行过程中也会消耗大量的能源，并且这种能耗在高层建筑的运行中具有更加突出的表现。另一种对人非常重要的建筑室内环境因素是其采光水平，照明电气设备会消耗大量的电力能源，并且其占比非常高。因此，采暖系统、空调系统、新风系统、照明系统以及给排水系统等都会显著影响建筑室内外环境，并且组成这些系统的设备在改善建筑物内部环境时会消耗电力能源或者天然气。降低建筑物的运行成本、减少能源消耗、控制碳排放和污染物的排放是当前建筑管理的重要发展方向，因而在建筑环境和设备工程的设计中也要积极利用节能原理和方法[1]。

2 节能设计要点分析

2.1 掌握建筑物热环境，合理规划

在开展节能设计之前必须对建筑物的用途、室内结构、内外部的热环境等因素形成全面而深刻的认知，因为建筑环境与设备的节能水平始终都与其内外部热环境以及功能需求具有密切的联系。从外部环境来看，某一地区高温天气、严寒天气、降雨、降雪、季风情况等都对建筑物的室内温度调控具有非常重要的影响，进而间接的作用于建筑的节能设计。从内部环境来看，建筑物的使用功能各不相同，普通的居民住宅通常只要控制好室内温度、空气湿度以及空气的清洁程度即可，但是在某些生产车间内则要根据其生产特点采取更加广泛的室内调节措施，例如，低温冷藏室、实验室或者温度较高的生产车间等都会其室内热环境提出了特殊的要求。因此，在开展建筑环境和设备工程的节能设计时，必须先去研究其内外部的热环境，为后续工作的开展提供明确的方向[2]。

2.2 空调系统的节能设计

提高空调系统的热回收。空调的核心部件为蒸发器、压缩机、冷凝器、节流机构等，其作用为制热或者制冷，改善室内温度，并且在这一过程中会产生一定量的热水，从出水孔流出。如果不对这部分热量加以回收，必然会造成能源的浪费。通常情况下，采用中央空调设备的建筑物在能量回收利用方面具有更大的便利性，因为中央空调系统可在整个建筑物内形成完善的回路，含热量废水的回收利用也会得以实现。在工程实践中，一般是采用热交换器和热泵等设备来回收空调系统的余热。第二，采用低能耗的变频空调设备。空调变频技术是为适应不同工况而设计的先进节能技术，而且在电气设备节能性方面具有明确的等级划分，最高水准的为一级能效，还有二级能效、三级能效、四级能效、五级能效。不同等级的空调设备在价格方面也具有很大的差异，能效水平越高，价格自然越贵。在设计建筑物内的空调系统时，应该尽可能选用一级能效的产品，因为这类产品在长期的运行过程中将会产生更加显著的节能效果，并且其在电能上的节约也能有效弥补其更高的价格。

2.3 照明及配电系统的节能设计

第一，根据建筑物的功能定位、品质定位等对其照明系统和设备进行合理的设计，在保障功能和实用性的同时确保其设计结果达到良好的节能效果。例如，在一般的民用建筑设计中主要满足照明系统的实用性即可，不用过多去考虑照明设备的装饰性，这一点在室外公共环境中表现得更加突出。而商业化的娱乐场所、游乐场所则要在保证照明需求的前提下达到良好的装饰效果，这些都是照明设计的基本原则。第二，合理设计变配电系统。建筑物内外部的电力供应主要由设置在相关的片区的变配电设备来完成，在设计此类设备时应该综合考虑供电区域的平面布置情况、变配电设备的节能性以及输配电线路的合理性，选择低能耗的设备、减少输配电线路的长度等是有效的节能设计路径。第三，选用节能型照明设备。现阶段使用最为普遍的节能型照明设备为LED灯具，在同等功率的条件下，LED节能灯具的照明效果要远远强于其他类型的灯具，因而在建筑物室内外照明设备的选择上可优先考虑这种节能灯具[3]。

2.4 室内采暖系统的节能设计

室内采暖方式在不同的地区具有不同的特点，北方地区主要采用集中供暖的方式，而南方地区在冬季主要依靠空调或者电暖器等设备提高室内温度。此处主要分析北方地区的供暖节能设计。从供暖方式来看主要分为集中供暖、局部供暖两种。在建筑物的供暖设计中主要做好热负荷计算、管路系统敷设、管路阻力控制等工作。在计算热负荷时要注意建筑物的空间布局、室内面积大小以及主要供热区域几个因素[4]。例如，在居民住宅中主要为卧室和客厅实施供暖，其他活动较少的区域可不做考虑。有些用户可能长时间不使用建筑物，因而现阶段的室内采暖都应该形成分户控制的机制，在不使用建筑物的情况下可直接关闭单户的供暖设备，节省能源和用户的使用成本。供暖设备中使用的热源主要为可循环的热水，在采用集中供暖的设计时要从宏观结构上提升整个系统的热水循环利用效率。居民住宅中当前已经广泛使用地暖的方式来为居民供暖，在节能设计中必须控制好地暖管路的间距，在确保供暖效果的前提下尽可能减少管材的使用量，进而降低后续供暖过程的热量消耗。

2.5 门窗及外墙的处理

建筑物的门窗和外墙原本不属于设备工程的范畴，但是其对控制建筑物的内部环境具有非常突出的作用，室内加热、防暑以及建筑的能源利用率等都会受到墙体和门窗的影响。例如，门窗的边沿部位常常成为热量散失的主要区域，因为这些部位的密封性一般比封闭的墙体要差很多。而建筑物的外围墙体也是一种热传导介质，建筑物的墙体在夏季高温的暴晒之下会快速地向室内传递热量，而冬季寒冷的天气条件下也容易造成室内的热量向室外流失[5]。因此，在建筑室内环境和设备工程的节能设计中还要重视对门窗和墙体这些辅助结构的设计，现阶段主要是在墙体外侧敷设专门的保温层，其主要作用是冬季保温，防止热量从墙体媒介散失到外界空气中，同时在夏季高温环境下防止外界的辐射热量借助墙体传导至室内环境中。在建筑物门窗的处理中，主要是利用密封条等增加边缘部位的密封效果，进一步减少热量的散失。

2.6 新风系统的节能设计

在人员密集的室内公共场所以及人员长期活动的居住环境下，室内的空气中会包含大量的细菌微生物、粉尘颗粒物以及其他类型的空气污染物，进而造成空气污浊，产生异味。新风系统可全天24小时不间断地将室内的污浊空气排放到室外，并将外部的新鲜空气经过滤等操作后引入到室内，进而形成一种室内外空气循环流动的工作模式，不断完成室内空气的更新。新风系统在一定程度上也会造成能源浪费，尤其在冬季低温条件下和夏季高温条件下，因为冬季人们为了取暖，会使用空调或者暖气等设备加热室内环境，室内空气也会因此而升温。相反地，在炎热的夏季会使用空调降低室内空气的温度。而新风系统的循环作用难免会将加热或者降温后的空气排放到室外，同时将室外的低温或者高温空气引入室内，这样就会增加室内取暖或者降温所消耗的能源和成本。在工程实践中，主要采用回风和热回收的技术来减少新风系统的能源浪费以及提高设备节能水平。混合式系统利用一部分回风与室外的新风混合后经过一定的处理，再送入室内的空调系统，这种系统称为一次回风系统，其优点在于净化室内环境的同时还能有效地降低运营成本，减少能源消耗。不过这种节能是一种相对的结果，主要是比全新风系统节能。理论上来讲，采用二次回风设计的新风系统比采用一次回风设计的新风系统更加节能，但是在实际运用中，二次回风的控制难度较大，主要难点在于对湿度的控制[6]。

3 建筑环境与设备工程节能设计实例

3.1 地热能在建筑供暖和制冷中的应用前景分析

北方地区的建筑物采暖一直都是建筑设计的重点内容，其消耗的能源、产生的污染也都非常突出，过去严重的雾霾天气与北方地区的集中供暖具有非常直接的关联，因而在未来的建筑设计中应该积极推广清洁能源，减少化石燃料的利用。其中，地热能就是一种非常值得推广的能源类型，并且供暖设计也是建筑环境与设备工程节能设计的重点内容。国家能源局在2021年4月发布了《关于促进地热能开发利用的若干意见》，由此可见，我国也非常重视对这种清洁能源的利用。

3.2 地热能应用实例

2019年，国内西部某高等院校的科技创新港中投入了国内最大规模的无干扰地热供热系统。该创新港内159万㎡的建筑物都在利用这一系统来实现热水供应、冬季取暖以及夏季的制冷。该地热供暖系统的整体覆盖面积达到了2000万㎡，热源为地下中深层的地热能，在这一深度下，地热温度达到了70～120℃，系统利用地下热能将冷水加热，然后将其循环至地面，其在西北地区的冬季可将室内温度提升至20℃左右，并且温度非常稳定。高校的学生宿舍、教学楼、实验室、图书馆等各种公共场所都可利用这套地热供热系统实现制冷或者制热。这套系统的优势在于分布式、碳排放为零、能效突出、节能显著，与传统的供热方式相比较，这种地热供热系统每年可减少超过86万吨O2排放，每年节约的标准煤达到了32万吨之多。显然，这套系统完全符合建筑环境与设备工程的节能设计要求，在实现室内热水供应、制暖、制冷的同时还创造了良好的节能和环保效应，为建筑环境和设备工程节能设计做出了典范。