建筑工程中暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用分析

劉倩

（中國(guó)建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司陜西分公司）

1 引言

節(jié)能對(duì)于建筑設(shè)計(jì)行業(yè)，特別是暖通空調(diào)行業(yè)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)需要長(zhǎng)期堅(jiān)持且為之奮斗的目標(biāo)。根據(jù)《中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告2021》2019 年中國(guó)建筑全過(guò)程二氧化碳排放總量為49.97 億t，占全國(guó)碳排放總量的50.6%[1]，《中國(guó)建筑節(jié)能年度發(fā)展研究報(bào)告2021》指出我國(guó)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行能耗導(dǎo)致的二氧化碳排放量約為9.9億t[2]，空調(diào)系統(tǒng)所消耗的能源占我國(guó)社會(huì)總能耗的21.7%，根據(jù)不同建筑類型及運(yùn)行使用情況的不同此比例占建筑運(yùn)維階段碳排放總量的50%～80%[3]。由此可見(jiàn)暖通空調(diào)在建筑工程中的節(jié)能減碳潛力巨大，合理的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能目標(biāo)的起點(diǎn)，節(jié)能減碳大勢(shì)所趨，也是我們迫切需要解決的問(wèn)題。

在建筑工程中首先是在被動(dòng)節(jié)能方面合理規(guī)劃、優(yōu)化設(shè)計(jì)，使建筑自身能耗降低，同時(shí)在主動(dòng)節(jié)能方面合理選擇冷熱源、優(yōu)化系統(tǒng)、提高設(shè)備能效、合理使用余熱廢熱，用可再生能源代替化石能源，在改善室內(nèi)溫濕度和空氣品質(zhì)前提下，推動(dòng)建筑行業(yè)綠色轉(zhuǎn)型，達(dá)到節(jié)能減碳的目的。

2 被動(dòng)式節(jié)能

建筑工程能耗占比巨大，在2030 年碳達(dá)峰和2060 年碳中和的社會(huì)背景下，建筑節(jié)能成為重中之重，建筑設(shè)計(jì)的合理性直接影響建筑在全壽命周期的能耗和對(duì)環(huán)境的影響。做好被動(dòng)節(jié)能是建筑節(jié)能的前提和基礎(chǔ)，通過(guò)被動(dòng)節(jié)能措施可以使建筑降低自身的用能需求，為后期暖通空調(diào)運(yùn)行能源的節(jié)約打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2.1 規(guī)劃及建筑空間節(jié)能設(shè)計(jì)

規(guī)劃設(shè)計(jì)作為建筑設(shè)計(jì)的最上游環(huán)節(jié)，是建筑工程開(kāi)始的基石，是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的起點(diǎn)。分析建筑所在地氣候條件，結(jié)合當(dāng)?shù)亟ㄖ厣v史文化和地理優(yōu)勢(shì)優(yōu)化規(guī)劃布局，采用最佳朝向，避免東西向日曬，為建筑設(shè)計(jì)做好節(jié)能減碳先鋒。

在建筑空間設(shè)計(jì)中要充分考慮建筑地理位置、太陽(yáng)輻射和自然通風(fēng)采光等因素，優(yōu)化建筑空間布局，將建筑技術(shù)與能源利用有效結(jié)合。在冬季避開(kāi)主導(dǎo)風(fēng)向，充分利用太陽(yáng)的能量使建筑室內(nèi)獲得足夠多的熱量，滿足熱舒適度的前提下減少化石能源的利用。在夏季注意遮陽(yáng)，應(yīng)盡量減少建筑得熱，最大限度利用自然風(fēng)環(huán)境對(duì)室內(nèi)降溫，減少夏季空調(diào)用能，提高空調(diào)設(shè)備效率。在過(guò)渡季節(jié)充分利用自然通風(fēng)，注重運(yùn)用穿堂風(fēng)，以達(dá)到節(jié)能的目的。

2.2 降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗

在暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)中，通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的冷熱負(fù)荷是設(shè)備選型、管道設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的大小直接決定冷熱源和室內(nèi)末端設(shè)備的選擇，因此減小外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)，增強(qiáng)保溫隔熱能力，就可以減少通過(guò)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所形成的負(fù)荷，進(jìn)而降低暖通空調(diào)的能源消耗。《建筑節(jié)能與可再生能源利用通用規(guī)范》中提出，新建居住建筑和公共建筑平均設(shè)計(jì)能耗應(yīng)在2016 年執(zhí)行的節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上分別降低30%和20%[4],也就是說(shuō)公共建筑平均節(jié)能率應(yīng)為72%。因此建筑和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工設(shè)計(jì)及性能參數(shù)均要依次提高要求。

2.3 降低建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)荷的措施

2.3.1 選用低導(dǎo)熱系數(shù)的高性能保溫材料

新型保溫材料都具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)，硅氣凝膠保溫隔熱材料是一種納米級(jí)多孔固態(tài)材料，其導(dǎo)熱系數(shù)極低，在25℃下僅為0.018W/（m·K），它的多維網(wǎng)格骨架和極細(xì)小的孔隙可以很好地阻隔對(duì)流、傳導(dǎo)和輻射所形成的熱量傳遞，同時(shí)氣凝膠保溫材料還具有極強(qiáng)的憎水性，可以有效防止水分滲透。以寒冷地區(qū)甲類公共建筑為例，當(dāng)外墻傳熱系數(shù)K≤0.45W/（m2·K）時(shí)對(duì)比一下幾種保溫材料的保溫隔熱性能，采用不同的保溫材料要求有不同的保溫厚度，表1 中的δ1為保溫材料采用傳統(tǒng)硬質(zhì)巖棉板時(shí)的厚度。表2 為采用新型保溫材料時(shí)的最小保溫厚度。由此可見(jiàn)，當(dāng)采用SiO2氣凝膠時(shí)的保溫厚度是硬質(zhì)巖棉板的0.39 倍，而采用真空隔熱板的保溫厚度僅是硬質(zhì)巖棉板的0.17倍。相反的若采用相同的保溫厚度，則對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)也將影響巨大，從而大大降低通過(guò)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，進(jìn)而直接和間接地降低能源消耗。

表1 采用硬質(zhì)巖棉板時(shí)的保溫厚度δ1（mm）

表2 采用新型保溫材料時(shí)的保溫厚度δ（mm）

2.3.2 新型墻體相變材料

隨著季節(jié)和室外溫度變化，在暖通空調(diào)工程中，為維持室內(nèi)空間舒適度所產(chǎn)生的負(fù)荷量也是完全不同的，比如夏季需要減少進(jìn)入室內(nèi)的太陽(yáng)輻射以降低房間冷負(fù)荷，而冬季則希望增強(qiáng)太陽(yáng)輻射以降低房間熱負(fù)荷。若建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用相變材料能夠順應(yīng)這種變化，那么就可以節(jié)約很大一部分能源。新型相變墻體材料利用材料的相變性能，在小溫度范圍內(nèi)改變其物理狀態(tài)來(lái)儲(chǔ)存和回收潛熱，如固-液相變的石蠟和固-固相變的多元醇均是應(yīng)用在墻體中的理想相變材料。

2.3.3 智能窗戶

電致變色玻璃也被稱為智能窗戶，它能夠根據(jù)房間需求改變外窗玻璃顏色，在需要阻止太陽(yáng)輻射進(jìn)入房間時(shí)，玻璃變暗反射掉大部分太陽(yáng)光，當(dāng)房間需要陽(yáng)光時(shí)玻璃變得透明使陽(yáng)光穿透玻璃進(jìn)入室內(nèi)。由此可以大大降低建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)能耗，從而降低房間對(duì)空調(diào)的需求，降低能源消耗量。

3 主動(dòng)式節(jié)能

3.1 暖通空調(diào)中的冷熱源選擇及分析

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，人們對(duì)于熱舒適性的要求也有所不同，比如一些還未普及到集中供暖的地區(qū)、無(wú)集中熱源的農(nóng)村地區(qū)、想要提高冬季熱舒適度的夏熱冬冷地區(qū)和夏熱冬暖地區(qū)、想要提升夏季制冷工況的各種場(chǎng)所等等，為此各種形式的冷熱源形式也紛至沓來(lái)。如何在眾多的冷熱源中選擇適合自己的系統(tǒng)形式也是暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

在眾多的冷熱源形式中，首先應(yīng)以低碳環(huán)保節(jié)能為前提，應(yīng)用天然冷熱源也越來(lái)越被推崇，各種新型節(jié)能產(chǎn)品也層出不窮，風(fēng)冷熱泵機(jī)組、超低溫空氣源熱泵（冷水）機(jī)組、地源熱泵機(jī)組、水源熱泵機(jī)組、太陽(yáng)能供熱系統(tǒng)等等。在“雙碳”目標(biāo)的大背景下，熱泵技術(shù)作為一種中低溫用熱系統(tǒng)在節(jié)能減碳方面發(fā)揮著重要的作用。泵熱機(jī)組的最大優(yōu)點(diǎn)就是可以一機(jī)多用，即一套系統(tǒng)既可以供暖也可以制冷，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。電動(dòng)熱泵的碳排放直接取決于電力碳排放因子，是一種間接的碳排放。目前，在我國(guó)發(fā)電量中30%為核電、水電、風(fēng)電和光電[5]，電力的碳排放因子為570g/（kW·h）[6],但是隨著電力系統(tǒng)的改革，水、風(fēng)、光等零碳電力的不斷增加，電力碳排放因子也會(huì)越來(lái)越低，預(yù)計(jì)到2060年電力碳排放因子可降至150g/（kW·h），這將比天然氣、煤炭等其他化石能源的碳排放因子低得多。由此可見(jiàn)，熱泵的減碳潛力巨大。再來(lái)分析一下熱泵的COP 值，根據(jù)我國(guó)各地的氣候和產(chǎn)品變工況運(yùn)行的性能分析，在整個(gè)冬季供暖季節(jié)的運(yùn)行過(guò)程中，其季節(jié)平均COP 一般達(dá)到2.6～3.0，與采用燃燒化石能源直接供熱相比，其一次能源消耗量處于平等水平。當(dāng)冬季設(shè)計(jì)工況下的COP達(dá)到3.0以上時(shí)，整個(gè)冬季供熱的一次能源消耗量會(huì)低于化石能源直接燃燒供熱[7]。熱泵作為一種電動(dòng)式的能源設(shè)備，COP 值目前來(lái)說(shuō)相對(duì)較低，隨著熱泵技術(shù)的不斷發(fā)展和技術(shù)突破，熱泵機(jī)組的COP 值會(huì)不斷地提高，因此熱泵的節(jié)能潛力同樣巨大。在很多地方，如農(nóng)村地區(qū)和無(wú)集中供暖的地區(qū)，熱泵可以發(fā)揮其最大優(yōu)點(diǎn)解決空調(diào)和供暖問(wèn)題，取代傳統(tǒng)分體空調(diào)和多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)，減少使用HFCS，從而減緩溫室效應(yīng)。

3.2 冷熱源及末端設(shè)備選型

選擇了冷熱源形式后就要對(duì)設(shè)備進(jìn)行選型，根據(jù)冷熱負(fù)荷的大小直接進(jìn)行設(shè)備選型，同時(shí)設(shè)備總?cè)萘坎坏么笥诳傌?fù)荷的1.1 倍。單臺(tái)機(jī)組制冷量的大小應(yīng)合理搭配，當(dāng)單機(jī)容量調(diào)節(jié)下線的制冷量大于建筑的最小負(fù)荷時(shí)，可選一臺(tái)適合最小負(fù)荷的機(jī)組[8]。同時(shí)可采用變頻技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)負(fù)荷末端不同的需求。新風(fēng)在暖通空調(diào)工程中的能源消耗量十分可觀，為了維持室內(nèi)空氣品質(zhì)，同時(shí)不給室內(nèi)末端設(shè)備增加負(fù)擔(dān)，新風(fēng)往往消耗著大量的能源來(lái)加熱或冷卻進(jìn)入室內(nèi)的空氣。要降低新風(fēng)負(fù)荷可以從減小新風(fēng)量和能量回收來(lái)著手，人員密集場(chǎng)所設(shè)置CO2空氣監(jiān)測(cè)，按需控制新風(fēng)量，減小新風(fēng)負(fù)荷。通過(guò)能量回收裝置有效回收室內(nèi)排風(fēng)能量，改變進(jìn)入室內(nèi)的新風(fēng)狀態(tài)，進(jìn)而減小新風(fēng)負(fù)荷。適當(dāng)?shù)靥岣哒舭l(fā)溫度和降低冷凝溫度可以提高設(shè)備COP，提高系統(tǒng)的效率。

3.3 系統(tǒng)管網(wǎng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

在以往的管網(wǎng)設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)師們往往以估算的形式來(lái)設(shè)計(jì)管網(wǎng)管徑且在流量改變之后也不做變徑來(lái)改變管徑的大小，這往往造成管道偏大，各管網(wǎng)環(huán)路水力不平衡，也由此帶來(lái)一系列的問(wèn)題，水力失調(diào)、冷熱不均等等，為解決這些問(wèn)題，設(shè)計(jì)師們往往選擇在管網(wǎng)支路上增加各種平衡閥以期達(dá)到解決平衡的問(wèn)題，這無(wú)形中增加了管網(wǎng)的局部阻力，提高了水泵的揚(yáng)程，同時(shí)濫用閥門也會(huì)增加成本，造成了浪費(fèi)。所以合理的管網(wǎng)設(shè)計(jì)可以降低后期運(yùn)維費(fèi)用，達(dá)到節(jié)能減碳的目的。

3.3.1 供暖管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

在供暖系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中合理地設(shè)計(jì)管徑尤為重要，管徑的大小需要經(jīng)過(guò)詳細(xì)的計(jì)算和權(quán)衡，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)師應(yīng)在設(shè)計(jì)階段用管網(wǎng)布置及管徑來(lái)解決系統(tǒng)的平衡問(wèn)題，盡量少用甚至不用平衡閥。眾所周知，管網(wǎng)的阻力包括沿程阻力和局部阻力，沿程阻力的大小主要取決于管段的單位長(zhǎng)度的摩擦壓力損失，即比摩阻，比摩阻越小沿程阻力損失就越小，同時(shí)比摩阻越小管徑就會(huì)越大，流體流速也會(huì)越低，為保證流體具有一定的流速（不得小于0.25m/s）且管徑不至過(guò)大造成成本浪費(fèi)，比摩阻需要控制在一定的范圍內(nèi)。為使得在水力計(jì)算中整個(gè)管網(wǎng)容易取得平衡，應(yīng)減小干管比摩阻，增大支管比摩阻，使用等溫降法、變溫降法或等壓降法進(jìn)行合理的水力平衡計(jì)算。在豎向管道的計(jì)算中還有一點(diǎn)容易被設(shè)計(jì)者忽略，那就是自然循環(huán)作用壓力，在大多數(shù)的供暖系統(tǒng)設(shè)計(jì)中熱水垂直雙管系統(tǒng)最為普遍，此時(shí)需要考慮熱水在散熱器和管道中冷卻而產(chǎn)生的自然作用壓力[9]，為防止或減少熱水在散熱器和管道中冷卻產(chǎn)生的重力水頭而引起的系統(tǒng)豎向失調(diào)，維持各管路水力平衡，需要計(jì)算重力水頭，單位長(zhǎng)度自然循環(huán)作用壓力的計(jì)算公式為ΔP=2g(ρh-ρg)/3（Pa/m）,g為重力加速度，取值9.81m/s2；ρh為回水密度（kg/m3）；ρh為供水密度（kg/m3）。為了合理地設(shè)計(jì)比摩阻，可以使單位長(zhǎng)度自然循環(huán)作用壓力與此段管道的比摩阻相互抵消，以達(dá)到豎向管道各層分支管的天然平衡。由單位長(zhǎng)度重力循環(huán)作用壓力的公式可知，比摩阻最終取值與流體密度有關(guān)，而密度的大小又與水溫有關(guān)，可以以下面幾組水溫進(jìn)行計(jì)算來(lái)說(shuō)明。如表3 所示，以75℃～50℃為例，ΔP=2×9.81×(988.0-974.8)=86.24Pa/m，供回水管道各承擔(dān)1/2，那么在此水溫下垂直立管的比摩阻取值為R=86.24÷2≈43Pa/m 較為合適，在各層分支管的水力平衡計(jì)算中就可忽略此段垂直管段的阻力。表1給出了幾種供回水溫度下的推薦比摩阻值。在水力平衡計(jì)算中使用合適的比摩阻可以使管網(wǎng)設(shè)計(jì)更合理，減少使用平衡閥甚至不用平衡閥，為前期投資和后期運(yùn)行節(jié)約費(fèi)用，降低能耗。

表3 幾種供回水溫度下的比摩阻推薦值

3.3.2 空調(diào)水系統(tǒng)管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

在上文中對(duì)供暖管網(wǎng)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)做了簡(jiǎn)要說(shuō)明，降低比摩阻可以減小管道阻力進(jìn)而降低運(yùn)行能耗，在空調(diào)水系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)中亦如此。在空調(diào)水管設(shè)計(jì)中比摩阻一般控制在100Pa/m～300Pa/m，同樣可以用增大管徑的方法來(lái)降低比摩阻以減小管道沿程阻力損失，節(jié)能設(shè)計(jì)推薦比摩阻80Pa/m～150Pa/m，高效機(jī)房設(shè)計(jì)推薦比摩阻＜50Pa/m[10]，同時(shí)因流速減小而降低了動(dòng)壓使得局部阻力損失有所下降。在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中減少使用高阻力閥門，合理進(jìn)行水力平衡計(jì)算減少使用平衡閥，減少使用彎頭等，可以有效減小局部阻力，使系統(tǒng)總阻力降低，水泵選型揚(yáng)程減小，以達(dá)到減小后期運(yùn)行費(fèi)用和節(jié)約能源的目的。

3.4 暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的節(jié)能措施

在上文中已經(jīng)提到了幾種暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的節(jié)能措施，比如合理選擇冷熱源，降低新風(fēng)負(fù)荷，合理設(shè)計(jì)管徑，減少資源浪費(fèi)。同時(shí)暖通空調(diào)后期的系統(tǒng)運(yùn)維管理也十分重要，節(jié)能運(yùn)維管理能夠使能源側(cè)和負(fù)荷側(cè)更好地匹配，減少能源浪費(fèi)，同時(shí)監(jiān)測(cè)出全壽命周期能源情況，進(jìn)行節(jié)能分析。國(guó)務(wù)院印發(fā)的《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案的通知》[11]中的“碳達(dá)峰十大行動(dòng)”也提出了節(jié)能降碳增效行動(dòng)，要全面提升節(jié)能管理能力，推進(jìn)重點(diǎn)用能設(shè)備節(jié)能增效，加強(qiáng)新型基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)能降碳。積極推行合同能源管理，推廣節(jié)能咨詢、診斷、設(shè)計(jì)、融資、改造、托管等“一站式”綜合服務(wù)模式。

4 結(jié)語(yǔ)

暖通空調(diào)在建筑工程中占據(jù)了能源消耗的關(guān)鍵位置，未來(lái)暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的節(jié)能減碳任重而道遠(yuǎn)，無(wú)論是建筑設(shè)計(jì)的被動(dòng)節(jié)能還是暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的主動(dòng)節(jié)能，在設(shè)計(jì)的初始方案中設(shè)計(jì)師們都要以節(jié)能減碳為理念，為我國(guó)“雙碳”目標(biāo)貢獻(xiàn)自己的力量。