暖通空調節能系統設計與應用研究

張雙雙 高樹鑫

第一作者簡介：張雙雙（1996-），女，碩士，助教。研究方向為暖通空調節能系統設計。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.032

摘? 要：暖通空調是建筑工程中重要組成部分，直接影響建筑的熱舒適性。隨著居民對建筑舒適度要求的提高，暖通工程的能耗也在逐漸升高，實現暖通空調節能是實現建筑降碳的重要舉措。該文以實際項目為例，基于人體熱舒適性指標對暖通空調系統進行設計，分別對暖通空調的冷熱源系統、泵組和新風設備進行研究，并對設備進行能耗監測，最終得出設備的節能效果和暖通空調節能系統的提升重點，為暖通設計提供參考。

關鍵詞：暖通空調；節能技術；建筑工程；冷熱源；參數設計

中圖分類號：TB657.2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0132-04

Abstract： HVAC is an important part of building engineering， which directly affects the thermal comfort of buildings. With the improvement of residents' requirements for building comfort， the energy consumption of HVAC projects is also gradually increasing. Realizing HVAC energy saving is an important measure to achieve building carbon reduction. Taking the actual project as an example， this paper designs the HVAC system based on the human thermal comfort index， studies the cold and heat source system， pump group and fresh air equipment of HVAC respectively， and monitors the energy consumption of the equipment. Finally， the energy-saving effect of the equipment and the focus of the HVAC energy-saving system are obtained， which provides a reference for HVAC design.

Keywords： HVAC; energy-saving technology; building engineering; cold and heat source; parameter design

我國將實現“碳達峰、碳中和”作為重要戰略部署。實現國家“雙碳”規劃是廣泛且深刻的經濟社會變革，各行各業將節能降碳作為研究工作的重點。建筑降碳也是實現碳中和的重要途徑。江億院士指出，在全行業踐行“雙碳”目標的背景下，建筑降碳的重點在于設備降碳，通過設備能耗的不斷降低，持續推動建筑節能性能的不斷提升和改善，是保障實現碳達峰和碳中和的重要途徑之一。研究表明，全國大型公共建筑能耗中，暖通空調能耗高達65%，中央空調系統耗能占暖通系統總能耗的50%。暖通空調是建筑工程中耗能最高的部分[1]，因此，實現建筑的暖通空調設備的運行能耗的進一步降低成為控制建筑工程能耗的重要環節，也是建筑能耗領域研究的重點。持續推進暖通空調的節能技術在建筑工程中的應用具有重要意義，基于長期的建筑節能分析和總結可以發現，暖通空調系統節能工作研究重點在于中央空調降耗，本文將以暖通空調的節能設計為基礎，綜合考慮人體熱舒適性指標，通過對設備能耗的檢測，分析熱源系統、水泵機組和新風設備的能耗情況，為建筑工程中的節能工作提供更多的支撐。

1? 工程概況

隨著建筑行業的發展，用戶對建筑環境要求不僅限于滿足基本的冷暖要求，熱舒適性等體感指標越來越受到大眾關注，尤其是辦公建筑，其本身具有人員密度大，人員運動規律不規則，以及人員主動調整熱舒適性位置的可能性較低。大型辦公建筑暖通空調能耗是系統能耗的主要部分，在解決能耗問題時充分考慮建筑的熱舒適性。通常，熱舒適性主要體現在室內溫度和濕度兩方面，實際的熱舒適性指標要綜合多個因素進行考慮。就目前的HVAC空調系統而言，如何將控制策略向滿足人體熱舒適性的角度研究已經成為暖通工程提升的重點內容。

本文研究案例是位于河南省鄭州市的一座商業和辦公區域結合的綜合體建筑，總用地面積5 100 m2，建筑共3層，其中一層用作展廳和設備機房，二層主要用于辦公，三層主要設置會議室、儲藏間和員工休閑場所。建筑3層的層高分別為5.2，4.7，3.9 m。對暖通空調專業要求在滿足建筑使用功能的同時提升暖通專業的節能效果。其次，基于建筑熱舒適性的角度進行評價，最終得出最佳的熱舒適性設計方案。

2? 基于建筑熱舒適性的節能系統參數設計

為了保障人體舒適度達到要求，建筑節能參數的設計通常需要結合建筑的使用特性進行分析確定，在測定過程中最常用的人體舒適度研究策略是在相對穩定的環境狀態下分析人體的熱交換情況。穩態測試環境對環境的溫濕度、氣流組織等影響人體熱舒適性的指標要求嚴格。在人體的舒適度分析中，關于熱舒適性研究數據主要依據現場調研。采用預測平均評價PMV的方法對上述設計的暖通節能系統進行人體熱舒適性研究和分析，能夠保障建筑節能設計參數的合理性。其中，熱舒適性情況如圖1所示。

圖1? PMV指數

溫度主要影響的是人體的熱平衡，通過改變人的體感溫度帶來人體的熱感覺。人體的皮膚敏感程度較高，對溫度的感知非常敏銳，利用身體的散熱機制進行溫度調節。空調系統設置時，越接近環境溫度耗能越低，結合環境熱舒適性，冬季和夏季設計溫度應分別在20 ℃和27 ℃時，既滿足節能要求也帶給用戶較好的體驗，這也是暖通空調節能系統設計的常見溫度范圍。

人體與周圍環境之間的換熱包括輻射和對流，其中最常見的是輻射換熱，平均輻射溫度主要取決于建筑的維護結構。研究表明，平均輻射度每增加或減少1 ℃時，空氣溫度就會變化0.75 ℃，當室內溫度與輻射溫度的最大溫差超過7 ℃時，會大大降低環境的熱舒適度。因此，暖通計算中建筑圍護結構、外形、內部的功能分區、氣象參數、房間的作息及室內發熱量等基本參數的設置與建筑節能設計保持一致。空調系統性能系數和能效比、集中空調系統新風量按照GB 50189—2015《公共建筑節能設計標準》規定限值設置。

空氣相對濕度通過對人體皮膚表面的濕度與人體的舒適性產生影響，皮膚表面的濕度情況決定了和周邊環境的散熱程度，例如當環境濕度在40%～70%環境下，皮膚具有相對較好的散熱能力。尤其是在空氣流動的情況下，散熱能力會極大地加強，這主要是因為空氣流動加速水分蒸發，從而影響了人體的對流散熱量。當空氣濕度過大，即使存在空氣流動，皮膚表面的蒸發量也十分有限，過高的濕度會給人黏膩等不適感。反之，若空氣濕度低于40%，會產生干燥的體感。暖通設計中供熱工況濕度要求大于30%，夏季制冷工況要求小于70%，為保證系統節能效果室內濕度設計在40%～65%范圍內，系統具備夏季和冬季調控功能，實現系統自動低能耗除濕，同時限制風速低于0.8 m/s，保證舒適性和節能效果兼顧。

新陳代謝是人體將能量用于生命活動的主要途徑，該過程所產生所釋放的熱量是人體熱量的重要來源。人體的代謝率是單位時間內人體產熱的度量，定義為1 met=58.15 W/m2。決定代謝率的指標包括人體活動強度。辦公建筑屬于輕度活動范圍，代謝率為1.6 met。在暖通空調系統設計時根據辦公場所人員勞動強度設置最適宜的熱環境，就本項目而言屬于輕度活動場所，從系統節能角度考慮，夏季最適宜溫度為27 ℃，濕度為60%，冬季最適宜溫度為20 ℃，濕度為40%。

3? 暖通空調系統節能設計

3.1? 設計流程

本項目暖通空調系統節能設計重點包括冷熱源、輸配系統和末端3大部分，主要設計流程如圖2所示。

冷熱源是暖通空調系統節能的關鍵設備，分為制熱和制冷2部分內容。傳統的熱源通常采用市政供熱，熱量來自于90/60 ℃的熱水為采暖設備供熱[2]；冷源多是利用離心式制冷機組為區域提供冷量。市政供熱計費方式和用能形式與區域規劃和建筑設計密切相關，計費主要分為按采暖面積計費和按用熱量計費，具體的收費形式由當地供熱站決定。用能形式主要由采暖末端形式決定，常見的有散熱器采暖和低溫地板輻射采暖。相對于市政供熱，采用熱泵供熱節能效果更為明顯，常用的熱泵形式主要包括空氣源熱泵、地源熱泵和水源熱泵等，其使用范圍主要受設備特性以及項目所處的地理位置決定，例如：空氣源熱泵設備在-5～-15 ℃的條件下存在結霜的問題，影響空氣源熱泵的使用效果。因此，在選用熱泵設備時，要充分考慮項目建設地區的環境條件，例如：使用地源熱泵時應先對當地的地質條件進行勘測，確保地熱井可順利取熱且具備長期穩定取熱條件。

圖2? 暖通空調節能設計流程

暖通空調輸配系統設計重點在于泵組的選型。在滿足設計計算的基礎上泵組應優先選擇變頻水泵。傳統水泵電機直接開啟存在一定程度上的電資源浪費。變頻水泵設置變頻器，根據實際需求調整電機轉速，避免電機過載或長時間空轉，不僅節約資源還延長水泵的壽命。

暖通空調末端設備節能設計可以從新風機組以及風機盤管方面進行考慮，就新風機組而言可利用新風熱回收技術，最大程度地減少室內熱量的損失，降低空調系統能耗。風機盤管的節能設計可以通過溫度控制，自動調節室內供冷或供熱量。研究表明，夏季室內溫度從26 ℃提升至28 ℃時，冷負荷減少21%～23%；冬季室內溫度從22 ℃降低至20 ℃時，熱負荷減少26%～31%[3]，可見通過室內溫度調節可以實現風機盤管運行節能。

3.2? 冷熱源設計

冷熱源是暖通空調系統的動力核心，就本項目而言項目建設地點遠離市政熱水管網，不具備采用市政熱條件，因此制冷和采暖均利用空氣源熱泵供給。經計算，本項目設計冷負荷為502 kW，熱負荷為200 kW，因此選用5組LSQWF145/R2超低溫蓄能型空氣源熱泵機組，制熱量為145 kW、制冷量為95 kW，能效比（COP）為3.5。設置燃氣鍋爐作為輔助熱源，應對冬季寒冷工況下空氣源熱泵供熱能力不足的問題。整個系統采用蓄冷蓄熱技術，間接提供冷熱水，設置蓄冷罐1個，蓄水量為120 m3，利用夜間8 h谷電蓄能，每天的總蓄冷量為700 kWh，供白天全天釋能使用，累積每年節省電費約3.4萬元。

辦公建筑生活熱水傳統的生產方式主要依賴于電加熱，經計算本項目日均生活熱水用量在800 kg/d，完全使用電能會造成大量的電能消耗，因此設計使用太陽能熱水系統提供生活熱水。此外，為彌補冬季空氣源熱泵制熱效果變差的問題，創新使用太陽能熱水和空氣源熱泵耦合的系統形式。夏季太陽能熱水系統主要提供生活熱水，冬季在提供生活熱水之余為中央空調系統提供熱源。根據屋頂設計情況，預計鋪設80 m2面積太陽能集熱器，可累計生產熱水1 600 kg/d，經核算太陽能熱水系統年耗電量2 000 kWh，累積節約電量33 460 kWh/a。

3.3? 輸配系統設計

空調系統設計中，設備的制冷量和制熱量按照最大冷、熱負荷選取，泵組的選擇要滿足最不利條件要求[4]，但實際運行工況不是一成不變的，這就要求空調系統能夠隨負荷的變化改變水流量以達到精準控制和降低能耗的目的，空氣源熱泵的泵組選用變頻泵，可以完全解決上述問題。本文對空調的定流量系統和變流量系統進行對比研究，并對建筑能耗進行分析得出表1所示結果。可以看出，使用變流量泵組，空氣源熱泵機組節約電能1 530 kWh，節能率可達到1.04%，泵組共節約電能5 957 kWh，節能率最大可達到35.73%，整體系統共節約電能9 588 kWh，能耗降低5.45%。本項目采用一次泵變流量系統，選用可變流量運行的空氣源熱泵機組，結合一次泵變頻運行，相較一次泵定流量系統可降低設備運營能耗8%～10%。

表1? 變流量空調系統建筑能耗情況

3.4? 空調系統末端設計

空調系統末端包括新風和風機盤管，就新風系統而言，使用熱回收新風機組可降低設備能耗。新風熱回收設備可分為全熱式和顯熱式2種類型，相較這2種熱回收裝置，全熱式熱回收設備的回收效率受室內外溫差以及濕度差共同影響，而顯熱式熱回收裝置主要受室內外溫差影響，因此在新風設備選擇時應充分考慮項目建設地點的氣候條件。本項目創新應用中央空調和全熱回收新風機組共同承擔室內熱濕負荷，新風機組利用排風中的熱量對新風進行處理，減少處理新風達到控制溫度所需能耗，將處理過的新風輸送至使用房間，降低空調系統處理冷熱負荷壓力。空調系統末端采取分區域控制，根據不同區域對溫度、濕度和新風量的不同，進行分區設計，根據實際冷負荷比例設定送風量，優化氣流通道，降低設備能耗。辦公室、會議室等房間夏季采用風機盤管加新風系統，冬季采用地暖供暖，管道末端設置溫差流量控制器。一層展區夏季采用風機盤管加新風系統，冬季采用風機盤管供暖。

新風機組選擇轉輪式全熱換熱器新風熱回收機組。研究表明，該設備較傳統新風與回風混合模式年運營能耗節省約18%～20%，相較顯熱換熱模式年運營能耗可降低約5%～8%[5]。本文分別對新風系統在新風量為30，40，50，60 m3/h的工況下進行持續監測，得到如圖3所示結果。可以看出，全年新風系統耗電量在1—3月、11、12月份遠高于4—10月。新風耗電量最高的月份為1月，最低為8月。新風系統逐月耗電量差異最大是新風量為60 m3/h工況，最大差52 kWh。新風量越高系統耗電量越高，對比新風量30 m3/h和60 m3/h二者在1月相差最大為31 kWh，8月相差最小。4種新風量的設計工況在8月能耗范圍在0.1～0.5 kWh之間。綜上所述，新風量在滿足人員活動要求的情況下要盡量降低新風輸送，新風量設置應根據不同月份適時調配新風量，降低新風系統能耗。

圖3? 不同新風量工況下新風系統耗電量

新風系統耗電主要用于處理新風負荷以及用于風機耗電2部分，處理新風負荷部分包括對排風進行余熱回收，并將新風進行處理承擔建筑冷、熱負荷。通過將新風量設置為30 m3/h的新風系統能耗情況進行拆解，分別對新風處理裝置和風機進行能耗監測得到如圖4所示結果。可以看出，1—3月以及11、12月份新風負荷耗電量占總耗電量的70%～80%之間，6月和8月新風負荷占總能耗的10%以下。這主要是由于冬季室內外溫差較大，冬季回收的預熱量比較小，不能完全滿足空氣處理需求，將低溫空氣加熱至設計要求溫度需要消耗大量的電能。

圖4? 新風負荷耗電量占新風總耗電量比例

4? 結束語

本文從可再生能源利用，暖通空調系統節能設計以及設備節能潛力分析幾方面入手進行研究，得出以下結論：①暖通空調系統設計應充分考慮用戶的感受，結合室內溫度、濕度、空氣風速、平均輻照溫度、衣服熱阻和人體代謝等指標進行設計。根據PMV指數設定室內溫濕度環境，辦公建筑設計時，服裝熱阻冬季和夏季分別設置在1.0 clo和0.5 clo，代謝率設置在1.6 met，環境濕度應在40%～70%之間，且空氣流速宜低于0.8 m/s。②暖通空調系統節能設計可從冷熱源、輸配系統和空調末端等方面進行設計，選用蓄能型空氣源熱泵可以達到良好的節能效果。其中，輸配管網設計時選用變流量泵組，空氣源熱泵機組節能率可達到1.04%，泵組節能率最大可達到35.73%，整體系統能耗降低5.45%。③新風系統節能效果與設定新風量、季節有關。新風量越大能耗越高，新風量30 m3/h比60 m3/h的工況能耗最大可低49.2%。新風系統全年4—10月運行能耗較低，最低能耗相較于最高能耗可降低82.5%。新風能耗中，承擔新風負荷消耗的電能冬季明顯高于夏季，因此在新風設計中要著重考慮冬季運行節能問題。

參考文獻：

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