暖通空調節能設計分析

張莉 李堯 朱玉明

1 暖通空調領域能耗

1.1 建筑環境與暖通空調能耗

能源為經濟的發展提供了動力,但是能源的發展往往滯后于經濟的發展。近幾年,我國的國民生產總值增長率維持在10%,但能源增長率只有3%～4%。這樣的形勢要求我們必須節能。建筑能源消耗占社會總能耗的比例較大,建筑節能是建筑發展的基本趨勢,也是當代建筑科學技術的一個新的生長點。現代建筑的必要組成部分——暖通空調領域也已經受到這種趨勢的影響,暖通空調系統中的節能正在引起暖通空調設計者的注意,并且針對不同國家、地區的能源特點和不同建筑的采暖、通風、空調要求發展著相關的節能技術。現有的暖通空調系統所使用的能源基本上是高品位的不可再生能源,其中電能占了絕對比例。研究建筑環境,了解暖通空調負荷產生的原因及影響因素,可以更加合理地提出解決問題的方法。

1.2 暖通空調能耗的組成

為了創造舒適的室內空調環境,必須消耗大量的能源。暖通空調能耗是建筑能耗中的大戶,據統計在發達國家中暖通空調能耗占建筑能耗的65%,以建筑能耗占總能耗的35%計算,暖通空調能耗占總能耗的比例竟高達22.75%,由此可見建筑節能工作的重點應該是暖通空調的節能。從暖通空調的能耗組成可以看出:暖通空調系統的能耗主要決定于空調冷、熱負荷的確定和空調系統的合理配置,空調系統的布置和空調設備的選擇是以空調負荷為依據的。所以暖通空調節能的關鍵是空調外界負荷和內部負荷的確定,而暖通空調節能工作也應該從這個方面著手,合理布置建筑物的位置,正確選擇外墻、門、窗、屋頂的形狀及材料等,盡量減少空調負荷。

1.3 室內環境的影響

暖通空調的目標是為人們提供舒適的生活和生產室內熱環境,主要包括:室內空氣溫度、空氣濕度、氣流速度以及人體與周圍環境(包括四壁、地面、頂棚等)之間的輻射換熱(簡稱環境熱輻射)等。在一般的舒適性空調中,以能夠使人體保持平衡而滿足人們的舒適感覺為目的;在恒溫恒濕或有潔凈要求的工藝性空調中,一切以滿足生產工藝為目標。而房屋的建筑熱工設計是恰當地利用房屋圍護結構的熱導性,抵抗室外氣候的變化,使房間內產生舒適的微氣候。

1.4 圍護結構暖通空調負荷的影響

圍護結構包括外圍護結構和內圍護結構。外圍護結構主要包括屋面、外墻和窗戶(包括陽臺門等);內圍護結構主要包括地面、頂棚、內隔墻等。在采暖建筑中,圍護結構的傳熱熱損失占總熱損失的比例是較大的,以4個單元6層的磚墻、混凝土樓板的典型多層建筑為例,在北京地區,通過圍護結構的傳熱熱損失約占全部熱損失的77%(其中外墻25%,窗戶24%,樓梯間隔墻11%,屋面9%,陽臺門下部3%,地面2%);通過門窗縫隙的空氣滲透熱損失約占23%。由此可見改善圍護結構的熱工性能對于暖通空調節能具有重要意義。

1.5 建筑規劃設計對暖通空調節能的影響

規劃設計是建筑節能設計的重要方面,規劃節能設計應從建設選址、分區、建筑和道路布局走向、建筑方位朝向、建筑體型、建筑間距、冬季季風主導方向、太陽輻射、建筑外部空間環境構成等方面進行研究。充分重視和利用太陽能、冬季主導風向、地形和地貌,利用自然因素,分析氣候的決定因素、輻射因素、大氣環流因素和地理因素的有利、不利影響,通過建筑的規劃布局對上述因素進行充分利用、改造,形成良好的居住條件和有利于節能的微氣候環境。建筑旁邊的綠化不但有防風、隔聲、防塵和美化環境的作用,而且對于建筑節能也有重要作用。

2 暖通空調領域節能的途徑與方法

2.1 改善建筑圍護結構的保溫性能,減少冷熱損失

對于暖通空調系統而言,通過圍護結構的空調負荷占很大比例,而圍護結構的保溫性能決定圍護結構綜合傳熱系數的大小,亦即決定通過圍護結構的空調負荷的大小。所以在國家出臺的建筑節能設計規范和標準中,首先要求的就是提高圍護結構的保溫隔熱性能。適當增加墻體、屋頂的保溫性能,可以減少通過這些圍護結構產生的冷熱負荷。例如:采用新型節能墻體——小型混凝土空心砌塊做墻體可有效減輕建筑物的負荷,其墻體傳熱系數K=0.54 W/m2,比傳統黏土實心磚墻節能一倍以上。根據權威部門對住宅圍護結構的熱工測試結果證明,住宅內熱量有40%～50%是通過門窗損失,所以應盡量采用密封性好、保溫節能的新型塑鋼門窗[1]。

2.2 空調新風量影響空調系統能耗

空調新風問題是影響空調是否節能的一個方面,新風量過多會增加其負荷,進而增加電耗,處理的新風量過少則會影響空調環境的質量,因此針對具體的空調環境做好送風溫度和新風比例的調整非常有利于節能。比如,對于夏季需供冷、冬季需供熱的空調房間,室外新風量愈大,系統能耗愈大,在這種情況下,室外新風應控制到衛生要求的最小值。而在過渡季節,空調室內一般不需供冷或供熱,可全部采用新風,這種方法是空調系統最有效的節能措施之一。

2.3 空調方式影響空調系統能耗

選擇合適的空調方式是空調節能的一個重要方面。近幾年來,變頻空調因其具有節能和提供舒適內環境的顯著特點而得到飛速發展,到目前為止,變頻空調器占日本房間空調器市場銷售份額的80%以上。根據日本JRA404標準,變頻空調器季節能效比遠高于定頻空調器,在冷負荷相當的情況下使用變頻空調器消耗的功率僅為定頻空調器的66%,即省電34%。因此,變頻空調應是空調發展的一個趨勢,使空調盡可能達到節能要求。在中央空調系統中,我們應采用變頻技術,其主要有兩種形式:用變速泵和變速風機替代調節閥,減少系統內部消耗,提高整機效率,或者采用變流量技術,根據空調負荷改變水流量或風流量,從而達到節能效果。

2.4 推廣應用使用可再生能源或低品位能源的空調系統

隨著空調系統的廣泛應用,空調對不可再生能源的消耗將大幅度上升,同時對生態環境的破壞也在日趨加劇。如何利用可再生能源及低品位能源已經成了該領域重要的研究課題。地源熱泵空調系統就是在這種形勢下發展起來的,它利用地下恒溫層土壤熱顯著提高空調系統的COP值,使得同等制熱(或制冷)量下的系統能耗大幅度下降。另外,利用太陽能供熱或制冷技術也在開發研究著。

2.5 冷熱回收利用的研究運用,實現能源最大限度的利用

目前許多空調系統冷熱回收利用研究也在蓬勃開展,如空調系統排風的全熱回收器,夏季利用冷凝熱的衛生熱水供應等,都是對系統冷熱的回收利用,顯著提高了空調系統能源利用率。從節能考慮,將系統中需排掉的余熱移向需要熱的地方去是節能的一種趨勢。全熱交換器的熱傳遞效率現可達到75%～80%。還有一些常用熱回收裝置,如熱管換熱器、板式換熱器、熱回收環路等。相對來說,熱泵系統回收方式更普遍,熱泵可以回收100℃～120℃以下的廢熱,可利用自然環境(如空氣和水)和低溫熱源(如地下熱水、低溫太陽熱和余熱)來節約大量采暖、供熱燃料,是一種新型的高效利用低溫能源的節能技術。如果熱泵與直接接觸式熱回收設備聯合使用,其熱回收效率比單一設備要高得多。

3 結語

本文介紹了暖通空調系統能耗、能源的有效利用和節能的幾個主要途徑。改善建筑環境,提倡綠色建筑和建筑物的自身節能;優選建筑物空調系統運行模式及設備,加強自動控制運行管理方式;空調新風量;空調方式等。在空調領域,舒適和節能成為當今建筑、設計的基本課題,保護環境,利用自然能源,削減能源負荷,成為今后建筑設計的方向。暖通空調系統在建筑節能中占據重要的位置,起著重要的作用,節能技術的研究開發和運用是暖通空調系統、建筑系統節能的基礎,是推動經濟發展的保證。

[1] 惠 群.談住宅建筑節能的幾項技術措施[J].住宅科技,1998(11):23-25.

[2] 張 彬.淺談暖通空調系統在酒店設計中的節能方案[J]. 山西建筑,2008,34(14):190-191.