“双碳”背景下暖通空调节能技术精细化设计分析

许浩 王争利 王鹏飞 王兴龙

中联西北工程设计研究院有限公司 陕西 西安 710000

引言

2020年，我国正式宣布了“碳中和”、“碳达峰”的“双碳”目标。在此背景下，建筑行业应积极响应国家号召，坚持以绿色施工为核心原则，为我国节能、降耗的“双碳”愿景提供助力。暖通空调系统在建筑工程中的能耗占比极高，常见的大型公共建筑中，其暖通空调系统的能耗占比可达建筑整体能耗占比的30%～50%。因此，完善暖通空调节能技术的设计，优化节能技术的合理应用，以精细化设计，降低建筑暖通空调系统能耗极有必要。

1 建筑暖通空调节能设计的原则

1.1 节能原则

顾名思义，建筑节能型暖通空调系统设计时，必须要遵循节能性原则，坚持绿色施工理念，在保障该建筑基础功能性需求的基础上，提升建筑的节能效果。设计师必须要充分考虑到建筑所在地气候环境、气温、空气湿度等客观因素对该建筑暖通空调运行能耗造成的影响，并对该系统的设计做出针对性调整，实现“因地制宜”式的暖通空调节能系统设计。

1.2 需求原则

建筑暖通空调设计中节能技术的应用，必须要建立在满足业主对该建筑节能功能的基本需求之上[1]。因此在设计时，设计师必须要遵循需求原则，考虑到该建筑的宜居度，最大限度满足人们的现实需求，为人们提供更加舒适的生活或工作环境。

1.3 整体、局部原则

建筑工程的暖通空调系统设计时，每个模块甚至每个房间的控制系统都应该是互相独立的，因此在设计时，要正确处理整体与局部之间的关系，以此保障暖通空调系统的功能。

1.4 空气质量控制原则

建筑的暖通空调系统不仅要具备保温功能，还要精准控制系统的输送风量，以此控制建筑内部的空气质量，因此系统设计时，应注意优化空气质量控制模块的性能，在尽可能节约系统能耗的基础上，保障建筑内的空气质量。

2 暖通空调系统节能技术的精细化设计

以某地医院建筑的暖通空调系统项目为例。

2.1 楼宇控制系统

该系统使用楼宇自控系统（即BA系统）的自动检测、智能化控制功能，对该建筑内部所有的空调设备、通风设备、冷热源设备、给排水系统、照明设备、供配电系统及其下搭载的所有重要电力设备进行全过程监管。BA系统可以降低系统运行能耗，并收集各个子系统在运行过程中的全部数据，在初步整理后，汇总收集在数据处理端口，也能够在特殊环境下或某一系统数据异常时，及时察觉并做出预警，可以在保障运行效率的同时，最大限度地节约能源、人力等成本，并保障各设备、子系统的安全运行，还能有效延长设备的使用寿命，可以进一步降低因设备故障、损坏造成的资源浪费[2]。

2.2 气体监控报警系统

2.2.1 冷源系统： 该医院冷水机房监控系统的控制功能独立于BA系统存在，此时BA系统只接受该冷水机房控制系统上传的信号，不会干预或控制该系统的运行。冷源系统可以对冷却泵、冷冻泵、冷却塔、冷水机组与阀门等各个重要节点的运行状况，实施自动化监控，确保各设备能够按照要求及规范顺序执行启停命令，并监测系统下各设备的实时运行情况，遇到故障或数据异常时可自动报警。冷源系统上传的信号包括目前制冷系统的实时运行状态、故障报警信号、启停程序配置、群控控制机组运行及运行过程中的能耗累计，另外也包括冷水系统、各处的回水/出水口温度、水压监测信号、冷冻泵与冷却塔风机的实时运行状态显示。

2.2.2 新风机组：考虑到不同季节、昼夜温差、日空气质量需求等指标，拟定不同情况下的运行计划及节能运行控制程序，实现自动化风机启停控制，同时监测新风机组当下的运行情况，完善故障检测，并制定定时维修计划以及定时维修提示程序。节能运行控制程序还应具备自动调节电动水阀开度的功能，确保新风机组的送风量、送风温度始终处于标准范围内。

2.2.3 送/排风系统：根据预设时间及空气质量指标，自动控制送/排风系统的启停，监测送/排风系统的实时运行状态，并具备故障报警功能，另外，可实时检测目标区域的实时空气质量，可显示一氧化碳、二氧化碳等影响空气质量的气体浓度。控制系统还需要统计送/排风机组的实际工作时间，并设置定时维护程序[3]。消防两用送/排风机的控制由BA时间程序管理，遭遇火警时，优先控制权为消防控制室，并与防火阀报警系统联动。

2.3 空调及供暖系统

2.3.1 传染病院病区。新风系统设计时，将传染病院病区划分为污染区、半污染区与清洁区3个大分区，随后在病院每一层的3个分区内，分别设置独立的新风机组与排风系统，并使用在单独区域独立设置的压差控制器，控制该区域内的新风系统与排风系统，并根据该区域目前状况，自动调节区域的实时排风量。清洁区、半污染区及污染区房间内压力设计应以梯度呈现，压力数值依次降低，分别为+10Pa、-10Pa、-20Pa。通过BA系统，实时监测室内的清洁程度、空气含菌量及含病毒浓度，并适时调节该区域的送/排风计划。在某病房含菌量或含病毒浓度超标时，应及时预警提醒工作人员[4]。

在取新风量值时，需要划分为呼吸类与非呼吸类，呼吸类应新风6次换气次数取值，非呼吸类则需按3次换气次数取值，负压隔离房则应按照12次换气次数取值。在设计新风排风量时，根据医院的需求，将最小排风量定为150m³/h，或始终保持负压隔离病房所需风量的最大值。

送风口需设置在每个病房的上部，送风口的风速不得超过1m/s，排风口则设置在病房的下部，且排风口与地面的距离应超过0.1m。

负压隔离病房内，使用全新风直流式空调系统。负压隔离病房以外，所有区域的排风系统主管道和总送间加设了可单独关闭的电动密闭阀，便于工作人员定期对某一病房单独消毒。

为突出传染病防暖通空调系统的节能效应，在传染病楼区域设置了分体式显热回收系统，同时，在非空调使用季，新风系统仅具备送风功能，不处理空气。

呼吸类传染病区域与负压隔离病房相对特殊，送风需通过三层过滤器方可进入室内，排风时通过高效过滤器系统处理后，于高空排放。

冬季供暖以散热器为主，热力入口在单体首层的空调机房内部。

由于医院位置处于严寒地区，门厅及医院街采用地暖系统，使用混水器将供暖水温降低供给地暖系统。

2.3.2 综合医院院区。综合医院区的空调系统，全部使用风机盘管加新风的形式，做两管制系统。夏季水供、回水温度为7/12℃，冬季则为60/50℃。

暖通空调系统中的水系统管路选用同程、异程结合的设计模式，每一层的水平干管和每一环路的回水总管上，都设置了同样的自力式压差控制阀，用以调控各层暖通空调系统中水系统管路的实时水量，保障每层的空调水量平衡。

双位式、常闭型的电动二通阀与具备节能效应的中央空调控制器，共同组成了传染病院病区的风机盘管控制系统[5]。

暖通空调送风口处选择了双层铝合金百叶的设计，而在回风口处，选择了自带滤网的可开式单层铝合金百叶。

传染病院病区的新风系统相同，综合医院院区的新风系统也设置了分体式显热回收系统，提高节能效果。综合院区的新风系统按两次换气次数取值，送风机组以组合式空调机组为主，同样的，该机组在非空调使用期仅送风，不处理空气。

综合院区的新风采集口与风机盘管回风口处，设置了非通电型的驻极式静电过滤网，并将终阻力控制在30Pa以内。经调试后，将其微生物通过率控制在10%以内，颗粒物一次通过率控制在5%以内，PM2.5的一次性有效过滤率则必须超过70%。

本次暖通空调节能系统设计时，还特别将综合院区的新风系统与二氧化碳浓度的检测装置整合，突出联合作用。

2.3.3 后期办公区。科研行政楼及后勤综合楼使用了多联式新风机，新风外机设于屋面，新风机组的送风量设定为30m³/（hx人）。同样，非空调使用季仅送风，不处理空气。新风机入口装有过滤器、消杀装置、净化装置，过滤器净化标准为PM10≤0.15mg/m³。冬季以散热器供暖，供/回水温度为65/40℃。

2.3.4 发热门诊。发热门诊使用多联式空调机组，新风系统则使用了空气处理机组。夏季与冬季的冷冻水供、热水供、回水温度与其他区域相同。新风量取值、新风系统过滤标准参数均与综合院区相同。发热门诊医生区域应始终保持正压，患者区域则需始终保持负压。冬季散热器供暖供/回水温度为65/40℃。

2.4 供暖、空调室外工程

热源中心设置在地上一层的独立单体内，制冷站房及板式换热机组则设置在地下一层的车库内。热源中心位于院区北侧，一次热媒温度为75/55℃。

制冷站房内配有四套板式换热集成机组，一次热媒将借助管沟引至该机组，换热集成机组可将一次热媒转换至不同温度，使其服务各个区域。其中空调热负荷供应为1800kW，二次测供的回水温度为60/50℃，生活热水供应为1800kW。二次测控的回水温度为60℃，并与空调热负荷，同时接入独立的室外管网。日常情况下，空调新风的热负荷供应为3723kW，二次侧供回水温度为60/50℃，接入制冷站房内部设置的分、集水器。散热器热负荷供应为3108kW，二次测供回水温度为65/40℃，一并接入室外独立管网。

制冷机组的冷媒温度为7/12℃，接入制冷站房内分机后，在二者之间设置了电动压差旁通阀组，以维持夜间部分负荷状况下的系统运行。分、集水器的设置，根据该医院的白天负荷区及全天负荷区划分为四大环路，白天负荷区主要集中于门诊区域，而全天负荷区域则集中于急诊与住院区域，四大环路如下：第一，门诊风机盘管的供水、回水管。第二，门诊空调箱的供水、回水管。第三，住院风机机组盘管的供水、回水管。第四，住院空调箱的供水、回水管。

此外，考虑到医院传染病院病区的新风量较大，在冬季时，新风负荷占据该医院暖通空调总热负荷的60%甚至以上。因此，在设计暖通空调节能系统时，使用了大量的分体式能量回收系统，经过缜密的计算后得出，该设计方案可节约暖通空调能耗的20%左右。

2.5 通风系统

该设计的通风系统、排烟系统位于地下车库。通风系统排风量控制在500m³/（h·车）。另外，地下车库加设了一氧化碳检测与风机控制板块，在检测到一氧化碳浓度超出25ppm后，会自动开启排风系统，直至系统检测值一氧化碳浓度降为10ppm以下后，通风系统将在持续运行5min之后自动关停。

3 结束语

暖通空调系统是建筑工程中机电系统的重要结构，与该建筑的功能特征及宜居性息息相关。但暖通空调系统一直是建筑工程的能耗“大头”，在“双碳”背景下，势必要从暖通空调系统的节能优化抓起，以精细化设计突出暖通空调系统的节能特征，引入暖通空调节能技术，坚持绿色工程、低碳环保的理念，设计出更适合现代化绿色城市发展的暖通空调节能系统。