建筑工程中暖通空调节能技术的应用分析

2024-03-27刘倩

智能建筑与智慧城市 2024年3期

刘倩

（中国建筑设计研究院有限公司陕西分公司）

1 引言

节能对于建筑设计行业，特别是暖通空调行业来说，是一个需要长期坚持且为之奋斗的目标。根据《中国建筑能耗研究报告2021》2019 年中国建筑全过程二氧化碳排放总量为49.97 亿t，占全国碳排放总量的50.6%[1]，《中国建筑节能年度发展研究报告2021》指出我国空调系统运行能耗导致的二氧化碳排放量约为9.9亿t[2]，空调系统所消耗的能源占我国社会总能耗的21.7%，根据不同建筑类型及运行使用情况的不同此比例占建筑运维阶段碳排放总量的50%～80%[3]。由此可见暖通空调在建筑工程中的节能减碳潜力巨大，合理的设计是实现节能目标的起点，节能减碳大势所趋，也是我们迫切需要解决的问题。

在建筑工程中首先是在被动节能方面合理规划、优化设计，使建筑自身能耗降低，同时在主动节能方面合理选择冷热源、优化系统、提高设备能效、合理使用余热废热，用可再生能源代替化石能源，在改善室内温湿度和空气品质前提下，推动建筑行业绿色转型，达到节能减碳的目的。

2 被动式节能

建筑工程能耗占比巨大，在2030 年碳达峰和2060 年碳中和的社会背景下，建筑节能成为重中之重，建筑设计的合理性直接影响建筑在全寿命周期的能耗和对环境的影响。做好被动节能是建筑节能的前提和基础，通过被动节能措施可以使建筑降低自身的用能需求，为后期暖通空调运行能源的节约打下坚实基础。

2.1 规划及建筑空间节能设计

规划设计作为建筑设计的最上游环节，是建筑工程开始的基石，是建筑节能设计的起点。分析建筑所在地气候条件，结合当地建筑特色、历史文化和地理优势优化规划布局，采用最佳朝向，避免东西向日晒，为建筑设计做好节能减碳先锋。

在建筑空间设计中要充分考虑建筑地理位置、太阳辐射和自然通风采光等因素，优化建筑空间布局，将建筑技术与能源利用有效结合。在冬季避开主导风向，充分利用太阳的能量使建筑室内获得足够多的热量，满足热舒适度的前提下减少化石能源的利用。在夏季注意遮阳，应尽量减少建筑得热，最大限度利用自然风环境对室内降温，减少夏季空调用能，提高空调设备效率。在过渡季节充分利用自然通风，注重运用穿堂风，以达到节能的目的。

2.2 降低建筑围护结构能耗

在暖通空调的设计中，通过建筑围护结构所产生的冷热负荷是设备选型、管道设计的基础，围护结构负荷的大小直接决定冷热源和室内末端设备的选择，因此减小外围护结构的传热系数，增强保温隔热能力，就可以减少通过建筑围护结构所形成的负荷，进而降低暖通空调的能源消耗。《建筑节能与可再生能源利用通用规范》中提出，新建居住建筑和公共建筑平均设计能耗应在2016 年执行的节能设计标准的基础上分别降低30%和20%[4],也就是说公共建筑平均节能率应为72%。因此建筑和围护结构的热工设计及性能参数均要依次提高要求。

2.3 降低建筑围护结构负荷的措施

2.3.1 选用低导热系数的高性能保温材料

新型保温材料都具有较低的导热系数，硅气凝胶保温隔热材料是一种纳米级多孔固态材料，其导热系数极低，在25℃下仅为0.018W/（m·K），它的多维网格骨架和极细小的孔隙可以很好地阻隔对流、传导和辐射所形成的热量传递，同时气凝胶保温材料还具有极强的憎水性，可以有效防止水分渗透。以寒冷地区甲类公共建筑为例，当外墙传热系数K≤0.45W/（m2·K）时对比一下几种保温材料的保温隔热性能，采用不同的保温材料要求有不同的保温厚度，表1 中的δ1为保温材料采用传统硬质岩棉板时的厚度。表2 为采用新型保温材料时的最小保温厚度。由此可见，当采用SiO2气凝胶时的保温厚度是硬质岩棉板的0.39 倍，而采用真空隔热板的保温厚度仅是硬质岩棉板的0.17倍。相反的若采用相同的保温厚度，则对围护结构的传热系数也将影响巨大，从而大大降低通过外围护结构的负荷，进而直接和间接地降低能源消耗。

表1 采用硬质岩棉板时的保温厚度δ1（mm）

表2 采用新型保温材料时的保温厚度δ（mm）

2.3.2 新型墙体相变材料

随着季节和室外温度变化，在暖通空调工程中，为维持室内空间舒适度所产生的负荷量也是完全不同的，比如夏季需要减少进入室内的太阳辐射以降低房间冷负荷，而冬季则希望增强太阳辐射以降低房间热负荷。若建筑外围护结构采用相变材料能够顺应这种变化，那么就可以节约很大一部分能源。新型相变墙体材料利用材料的相变性能，在小温度范围内改变其物理状态来储存和回收潜热，如固-液相变的石蜡和固-固相变的多元醇均是应用在墙体中的理想相变材料。

2.3.3 智能窗户

电致变色玻璃也被称为智能窗户，它能够根据房间需求改变外窗玻璃颜色，在需要阻止太阳辐射进入房间时，玻璃变暗反射掉大部分太阳光，当房间需要阳光时玻璃变得透明使阳光穿透玻璃进入室内。由此可以大大降低建筑的围护结构能耗，从而降低房间对空调的需求，降低能源消耗量。

3 主动式节能

3.1 暖通空调中的冷热源选择及分析

随着社会的不断发展，人们对于热舒适性的要求也有所不同，比如一些还未普及到集中供暖的地区、无集中热源的农村地区、想要提高冬季热舒适度的夏热冬冷地区和夏热冬暖地区、想要提升夏季制冷工况的各种场所等等，为此各种形式的冷热源形式也纷至沓来。如何在众多的冷热源中选择适合自己的系统形式也是暖通空调节能设计的基础。

在众多的冷热源形式中，首先应以低碳环保节能为前提，应用天然冷热源也越来越被推崇，各种新型节能产品也层出不穷，风冷热泵机组、超低温空气源热泵（冷水）机组、地源热泵机组、水源热泵机组、太阳能供热系统等等。在“双碳”目标的大背景下，热泵技术作为一种中低温用热系统在节能减碳方面发挥着重要的作用。泵热机组的最大优点就是可以一机多用，即一套系统既可以供暖也可以制冷，被广泛应用于各个领域。电动热泵的碳排放直接取决于电力碳排放因子，是一种间接的碳排放。目前，在我国发电量中30%为核电、水电、风电和光电[5]，电力的碳排放因子为570g/（kW·h）[6],但是随着电力系统的改革，水、风、光等零碳电力的不断增加，电力碳排放因子也会越来越低，预计到2060年电力碳排放因子可降至150g/（kW·h），这将比天然气、煤炭等其他化石能源的碳排放因子低得多。由此可见，热泵的减碳潜力巨大。再来分析一下热泵的COP 值，根据我国各地的气候和产品变工况运行的性能分析，在整个冬季供暖季节的运行过程中，其季节平均COP 一般达到2.6～3.0，与采用燃烧化石能源直接供热相比，其一次能源消耗量处于平等水平。当冬季设计工况下的COP达到3.0以上时，整个冬季供热的一次能源消耗量会低于化石能源直接燃烧供热[7]。热泵作为一种电动式的能源设备，COP 值目前来说相对较低，随着热泵技术的不断发展和技术突破，热泵机组的COP 值会不断地提高，因此热泵的节能潜力同样巨大。在很多地方，如农村地区和无集中供暖的地区，热泵可以发挥其最大优点解决空调和供暖问题，取代传统分体空调和多联机系统，减少使用HFCS，从而减缓温室效应。

3.2 冷热源及末端设备选型

选择了冷热源形式后就要对设备进行选型，根据冷热负荷的大小直接进行设备选型，同时设备总容量不得大于总负荷的1.1 倍。单台机组制冷量的大小应合理搭配，当单机容量调节下线的制冷量大于建筑的最小负荷时，可选一台适合最小负荷的机组[8]。同时可采用变频技术来应对负荷末端不同的需求。新风在暖通空调工程中的能源消耗量十分可观，为了维持室内空气品质，同时不给室内末端设备增加负担，新风往往消耗着大量的能源来加热或冷却进入室内的空气。要降低新风负荷可以从减小新风量和能量回收来着手，人员密集场所设置CO2空气监测，按需控制新风量，减小新风负荷。通过能量回收装置有效回收室内排风能量，改变进入室内的新风状态，进而减小新风负荷。适当地提高蒸发温度和降低冷凝温度可以提高设备COP，提高系统的效率。

3.3 系统管网的节能设计

在以往的管网设计中设计师们往往以估算的形式来设计管网管径且在流量改变之后也不做变径来改变管径的大小，这往往造成管道偏大，各管网环路水力不平衡，也由此带来一系列的问题，水力失调、冷热不均等等，为解决这些问题，设计师们往往选择在管网支路上增加各种平衡阀以期达到解决平衡的问题，这无形中增加了管网的局部阻力，提高了水泵的扬程，同时滥用阀门也会增加成本，造成了浪费。所以合理的管网设计可以降低后期运维费用，达到节能减碳的目的。

3.3.1 供暖管网系统的节能设计

在供暖系统管网的设计中合理地设计管径尤为重要，管径的大小需要经过详细的计算和权衡，优秀的设计师应在设计阶段用管网布置及管径来解决系统的平衡问题，尽量少用甚至不用平衡阀。众所周知，管网的阻力包括沿程阻力和局部阻力，沿程阻力的大小主要取决于管段的单位长度的摩擦压力损失，即比摩阻，比摩阻越小沿程阻力损失就越小，同时比摩阻越小管径就会越大，流体流速也会越低，为保证流体具有一定的流速（不得小于0.25m/s）且管径不至过大造成成本浪费，比摩阻需要控制在一定的范围内。为使得在水力计算中整个管网容易取得平衡，应减小干管比摩阻，增大支管比摩阻，使用等温降法、变温降法或等压降法进行合理的水力平衡计算。在竖向管道的计算中还有一点容易被设计者忽略，那就是自然循环作用压力，在大多数的供暖系统设计中热水垂直双管系统最为普遍，此时需要考虑热水在散热器和管道中冷却而产生的自然作用压力[9]，为防止或减少热水在散热器和管道中冷却产生的重力水头而引起的系统竖向失调，维持各管路水力平衡，需要计算重力水头，单位长度自然循环作用压力的计算公式为ΔP=2g(ρh-ρg)/3（Pa/m）,g为重力加速度，取值9.81m/s2；ρh为回水密度（kg/m3）；ρh为供水密度（kg/m3）。为了合理地设计比摩阻，可以使单位长度自然循环作用压力与此段管道的比摩阻相互抵消，以达到竖向管道各层分支管的天然平衡。由单位长度重力循环作用压力的公式可知，比摩阻最终取值与流体密度有关，而密度的大小又与水温有关，可以以下面几组水温进行计算来说明。如表3 所示，以75℃～50℃为例，ΔP=2×9.81×(988.0-974.8)=86.24Pa/m，供回水管道各承担1/2，那么在此水温下垂直立管的比摩阻取值为R=86.24÷2≈43Pa/m 较为合适，在各层分支管的水力平衡计算中就可忽略此段垂直管段的阻力。表1给出了几种供回水温度下的推荐比摩阻值。在水力平衡计算中使用合适的比摩阻可以使管网设计更合理，减少使用平衡阀甚至不用平衡阀，为前期投资和后期运行节约费用，降低能耗。

表3 几种供回水温度下的比摩阻推荐值

3.3.2 空调水系统管网系统的节能设计

在上文中对供暖管网系统的节能设计做了简要说明，降低比摩阻可以减小管道阻力进而降低运行能耗，在空调水系统管网的设计中亦如此。在空调水管设计中比摩阻一般控制在100Pa/m～300Pa/m，同样可以用增大管径的方法来降低比摩阻以减小管道沿程阻力损失，节能设计推荐比摩阻80Pa/m～150Pa/m，高效机房设计推荐比摩阻＜50Pa/m[10]，同时因流速减小而降低了动压使得局部阻力损失有所下降。在管网设计中减少使用高阻力阀门，合理进行水力平衡计算减少使用平衡阀，减少使用弯头等，可以有效减小局部阻力，使系统总阻力降低，水泵选型扬程减小，以达到减小后期运行费用和节约能源的目的。

3.4 暖通空调设计中的节能措施

在上文中已经提到了几种暖通空调设计中的节能措施，比如合理选择冷热源，降低新风负荷，合理设计管径，减少资源浪费。同时暖通空调后期的系统运维管理也十分重要，节能运维管理能够使能源侧和负荷侧更好地匹配，减少能源浪费，同时监测出全寿命周期能源情况，进行节能分析。国务院印发的《2030 年前碳达峰行动方案的通知》[11]中的“碳达峰十大行动”也提出了节能降碳增效行动，要全面提升节能管理能力，推进重点用能设备节能增效，加强新型基础设施节能降碳。积极推行合同能源管理，推广节能咨询、诊断、设计、融资、改造、托管等“一站式”综合服务模式。