空調工程節能設計的探討

鄧偉雄

(廣東省建筑設計研究院,廣州510010)

0 引言

建筑能耗約占我國全社會總能耗的30%,其中空調與采暖能耗約占建筑總能耗65%。隨著工業化和城鎮化的快速發展,這一比例還在不斷上升。據預測,到2020年,我國城鄉還將新增建筑300億平方米。隨著居民生活水平的提高,建筑用能將快速增長,預計將增加到全社會用能總量的40%左右,如果加上原材料的運輸和損耗等,可能50%的一次能源消耗在建筑上,建筑用能將成為最主要的用能領域。

節能和建筑節能的核心是提高能源利用效率。自從1973年發生世界性的石油危機以后的30多年來,發達國家建筑節能的說法已經經歷了三個發展階段:最初是 “在建筑中節省能源”(Energy saving in buildings);后來即改為 “在建筑中保持能源”(Energy conservation in buildings),含意是減少建筑中的能源散失;近幾年來則普遍稱為 “提高建筑中的能源利用效率” (Energy efficiency in buildings),也就是說,并不是消極意義上的節省,而是從積極意義上提高利用效率。在我國,現在雖仍統稱為建筑節能,但其含義應該進到第三層意思,即在建筑中合理使用和有效利用能源,不斷提高能源利用效率;而最新含意的建筑節能,是走向低碳建筑、綠色建筑。

我國建筑節能潛力很大,建筑能耗的2/3～3/4可通過科學合理的建筑節能技術措施降下來。如何實現建筑節能?世界各國近幾年均加大了在節能方面的投入力度:

1)建立相應的政府管理機構和執行機構,建立公共財政體制下政府支持節能的運行框架,把節能、提高能源效率所需的資金納入國家的財政預算、制定頒布激勵節能的政策等,把節能剛性地納入到國家經濟發展的管理之中;

2)積極開發節能和建筑節能技術,包括應用提高能源效率的設備和系統,開發利用可再生能源等;

3)積極開發推廣節能評價與標識認證體系,也成為各國重視采取的建筑節能手段之一。

空調節能是建筑節能重點內容,本文結合筆者多年從事空調工程設計的認識和體會,探議建筑節能中的空調節能設計,旨在與專業同仁相互交流和討論,以不斷提高建筑節能及空調節能設計水平。

1 關于建筑節能

建筑節能涉及從規劃、設計、施工、運行、報廢的整個建筑生命周期,建筑節能要從建筑生命周期的角度來考慮。從建筑設備和建筑本身挖掘潛力的同時,建筑的使用者也發揮著重要的作用,可通過對舒適性要求和建筑功能用途的適當調整,以及有節能意識的運行管理,可以大大減少建筑的能源消耗和投資。

綜合設計優化出整體性的解決方案,將建筑中用戶的使用要求和自然界的可再生清潔能源的利用有機地結合在一起。新的趨勢集中在:通過高質量的設備和建筑構件之間的全面協同,盡可能地減少黑色能源和灰色能源的使用,同時盡可能多地利用可再生清潔能源。

(1)規劃階段

在建筑規劃階段即考慮建筑節能,包括:從節能角度進行建筑選址,建筑能源規劃,開發盡量高土地使用率的建筑;對以后的建筑設計、施工、運行、管理有一個節能的方案。

(2)設計階段

細化規劃階段的要求,以達到實施建筑節能的目的,包括:合理選擇建筑能源,其中積極使用可再生能源;合理確定建筑熱工設計;選取節能建筑材料 (采用隔熱絕熱、當地化、快速可再生材、節能認證材料等);選取高能效的建筑設備;合理設計室內環境質量,包括 “合理設計建筑采光和照明系統,合理設計建筑HVAC系統,合理設計建筑自動控制系統;”;積極采用節能創新技術;積極采用適合當地氣候環境、使用習慣等要求的建筑設備系統。

(3)施工階段

首先要求施工要嚴格按照設計的要求完成節能設計的施工;其次就是要求施工階段自身的節能,即節能施工。可采取的措施包括:制定詳細達到設計要求和施工過程節能方案;有一個既熟知建筑節能標準規范又工作認真負責的施工監理團隊監督施工。

(4)調試與驗收階段

調試與驗收階段可采取的措施有:聘請專業團隊實施調試;建筑能效測評與審計,采用全能耗模擬軟件或現場測試的手段來審核建筑節能;建筑節能工程的驗收,須嚴格遵守 《建筑節能工程施工質量驗收規范》。

(5)運行階段

運行階段可采取的措施有:交由專業技術人員進行運行管理;采用有實時監測和診斷功能的自動控制系統加強節能運行管理。

(6)翻新或報廢階段

報廢階段可采取的措施有:查看結構、材料、設備等,可再回收利用或經過維修可再回收利用的要回收利用,對環境有污染或達不到節能要求的要報廢。

2 空調工程節能技術

空調工程節能宜按建筑物空調系統生命周期各環節的技術來劃分,在各階段可考慮采用的節能技術有:

(1)方案設計階段

空氣源熱泵技術;地源熱泵技術;太陽能空調技術;高效冷熱源制冷、制熱技術;蓄能空調技術;冷熱電聯供技術;水泵節能技術、風機節能技術;熱回收技術;大溫差中央空調技術;變風量空調技術;低溫送風技術;分層空調技術。

(2)施工、調試與驗收階段

節能施工技術;全能耗模擬軟件;能耗測評與審計的技術項目;

(3)運行階段

節能運行管理技術;實時監測技術;自動控制技術;自動診斷技術;

(4)翻新或報廢階段

廢件回收利用技術;舊系統改造技術;廢棄物處理技術。

3 空調工程節能設計

空調工程節能設計按工程設計步驟,應將實現節能的目標貫穿于設計的全過程,具體要求有以下幾大方面:

3.1 設計參數確定

建筑室內設計溫度、濕度、新風量應滿足節能設計標準要求;

建筑熱工設計應在相關規范標準現值以內,不符合的應按照現行節能設計標準的規定進行維護結構熱工性能的權衡判斷,必要時應提請建筑師修改建筑熱工設計,以達到節能設計要求;

建筑耗熱量或耗冷量指標應在相關規范標準所規定的限值以內,不符合的應按照現行節能設計標準的規定進行權衡判斷。

3.2 負荷計算

空調施工圖設計階段,對每一空調房間或區域必須進行逐項逐時的冷負荷計算;空調系統設計冷負荷必須按照不同系統類型用不同的計算方法;新風冷負荷怎么算,也因系統型式而定。

應根據空調區人員的群集情況和設備與照明的同時使用率,以及所服務空調區的同時使用情況、空調系統的類型及調節方式等,按標準規定計算確定空調室內熱源形成的冷負荷。

在下列情況下宜采用通過國際驗證的計算機模擬軟件對空調系統進行全年動態負荷計算和分析:

(1)需要對空調方案進行能耗和投資等經濟分析時;

(2)采用利用熱回收裝置回收冷熱量、利用室外新風作冷源調節室內溫度、冬季利用冷卻塔提供空調冷水等節能措施,需要計算節能效果時;

(3)采用蓄熱蓄冷裝置,需要確定裝置的容量時。

3.3 空調系統方案設計

夏季須設空調的建筑,當空調房間 (空調區)存在較大內區需要常年供冷時,應根據室內進深、朝向、分隔、樓層以及圍護結構特點等因素劃分內、外區,并按內、外區分別設置空氣調節系統或末端。

空調系統方案設計,應根據建筑物的用途、規模、使用特點、負荷變化情況與參數要求、所在地區氣象條件與能源狀況等,經過技術經濟比較選擇確定空氣調節系統;并應優先選擇能耗低、經濟性好的空調系統。使用時間、溫度、濕度等要求條件不同和新風比相差懸殊的空調區,不宜劃分在同一個定風量全空氣空調系統中。當全空氣空調系統必須服務于不同新風比的多個空調區域時,不應采用新風比最大區域的數值作為系統的總新風比,應按公共建筑節能設計標準規定的方法進行計算確定。

集中空調系統應采用便于實現系統運行節能的自動監測與控制,并根據建筑功能和系統類型選擇確定自動監控的參數內容和調節控制方式。空調風系統 (包括空氣調節機組)應滿足下列基本監控要求:

(1)空氣溫、濕度的監測和控制。

(2)定風量全空氣空調系統宜采用變新風比焓值控制。

(3)采用變風量系統時,風機應采用變速控制。

(4)設備運行狀態的監測及故障報警。

(5)過濾器超壓報警及顯示。

(6)應為節能監測專門設置空調系統及設備的用電量獨立計量裝置。

3.4 氣流組織設計

風口的選擇和布置應依據建筑物的內部條件、功能、供冷和供暖系統方案、人員活動區可能形成的流場,以及可供選擇的風口形式等綜合因素確定。

對于高大空間的氣流組織設計,從節能考慮應優先采用分層空調技術,工程設計宜在理論計算的基礎上對室內熱環境進行計算機氣流組織 (CFD)模擬,以此來輔助設計,并對送、回風口的形式、位置等進行流場節能優化。

3.5 冷熱輸配系統設計

施工圖設計階段,應嚴格進行空調冷熱水系統的水力平衡計算,并作為選擇冷熱源設備、輸配設備、空氣處理末端設備、自控和調節閥門等的計算依據。

空調冷水的供、回水設計溫差不應小于5℃。在保證技術可靠、經濟合理的前提下,宜盡量加大冷水供回水溫差,也就是采用冷凍水大溫差技術,這有利于降低水系統的輸配能耗;設計空調系統的冷 (熱)量計量裝置,是實現空調設計節能的技術措施之一,工程設計上應符合下列要求:

(1)采用區域性冷源和熱源時,在每棟公共建筑的冷源和熱源人口處,應設置冷量和熱量計量裝置;

(2)公共建筑內部宜按經濟核算單位分別設置冷量和熱量計量裝置。

節能設計要求空調風系統的作用半徑不宜過大,應合理選用空調風系統的風機:

(1)風機壓頭和空氣處理機組機外余壓應依據水力計算結果來確定,不應選擇過大。

(2)應采用高效率 (至少在52%以上)的風機和電機。

(3)從節能設計考慮宜優先選用直聯驅動的風機。

3.6 系統冷 (熱)源設備的選擇

選擇空調冷 (熱)源、冷 (熱)水機組時,不僅要考慮機組滿負荷的COP值,還要考慮部分負荷的COP值,綜合性能系數 (IPLV)和部分負荷非標性能系數 (NPLV)來考量全年的綜合能效。制冷 (熱)機組的單臺容量及臺數的選擇,應根據空調系統負荷全年變化規律及系統運行特點來確定。居住建筑除特殊要求外,一般不考慮采用集中冷(熱)源的空調。

3.7 系統保冷與保溫

空調系統管道設備的保冷 (保溫,)也是空調節能設計的重要內容,空調冷、熱水管道絕熱層厚度的計算應按下列原則進行:

(1)單冷管道應按防結露方法計算保冷層厚度,再按經濟厚度法核算,對比后取其較大值。

(2)單熱管道應采用經濟厚度法計算保溫層厚度。

(3)冷熱合用管道,應分別按冷管道與熱管道的計算方法計算絕熱厚度,對比后取其較大值。

4 結語

節能和建筑節能是大勢所趨,空調節能設計是實現建筑節能的重點環節和重點內容,空調節能新技術及新設備的發展與應用日新月異,作為暖通空調設計工程師的我們應與時俱進,在讓空調節能技術步入低碳時代的綠色建筑中有所作為。

[1]采暖通風與空氣調節設規范GB50019-2003[S]

[2]公共建筑節能設計標準GB50013-2005[S]

[3]英國建筑服務研究及信息協會http://www.bsria.co.uk[N]