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中聯(lián)西北工程設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710077

1 建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的能源使用要求

1.1 利用可再生能源

在已建成的建筑中，采取電能作為暖通空調(diào)系統(tǒng)的驅(qū)動能源的占比高達95%以上。電能在輸送過程中會產(chǎn)生一定的損耗，且電能本質(zhì)上是由煤炭等化石能源轉(zhuǎn)換而來的，在電能生產(chǎn)期間將對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的污染破壞。因此，在現(xiàn)代低碳節(jié)能建筑中，將可再生能源作為暖通空調(diào)系統(tǒng)動力源的比例越來越高。常用的可再生能源為太陽能、風(fēng)能、地?zé)崮堋?/p>

（1）太陽能采暖系統(tǒng)。安裝一定數(shù)量的太陽能電池板組成集熱器，由太陽能電池板持續(xù)吸收太陽輻射，在系統(tǒng)制冷與制熱過程中分別將所吸收的太陽輻射直接轉(zhuǎn)換為熱媒水，存儲至轉(zhuǎn)換器內(nèi)，由太陽能轉(zhuǎn)換為電能，作為供熱機、制冷機等設(shè)備的動力能源。同時，可采取吸收式太陽能技術(shù)，使用吸收劑，憑借其吸收蒸發(fā)特性發(fā)揮系統(tǒng)的制冷作用。

從設(shè)計角度來看，在使用太陽能作為暖通空調(diào)系統(tǒng)的動力源時，一是要求將太陽能集熱器安裝在建筑屋面等具有良好日照條件的部位，根據(jù)建筑朝向與空間布局來確定具體安裝位置，禁止在太陽能集熱器周邊分布綠化樹木等遮擋物，確保平均日照射度與日照時間不低于相關(guān)設(shè)計標準。二是應(yīng)合理采取太陽能蓄能采暖方式，解決因天氣、夜間等原因?qū)е碌墓┡蛔銌栴}。具體蓄能方式包括當(dāng)天蓄能、周蓄能、跨季蓄能3種：當(dāng)天蓄能采暖系統(tǒng)用于滿足建筑末端短時間的供暖需求；周蓄能采暖系統(tǒng)是將所收集的熱能儲存在水箱中，適當(dāng)調(diào)整水箱容積；跨季蓄能采暖系統(tǒng)的水箱容積應(yīng)保持當(dāng)天蓄能水箱的10倍及以上，用于缺乏充足采暖空間的建筑。三是根據(jù)已知工程資料與現(xiàn)場氣候日照條件，開展日照模擬試驗，模擬不同日照條件下的太陽能蓄能供暖情況，根據(jù)試驗結(jié)果設(shè)定供暖熱負荷、單日耗熱量、水箱容積等參數(shù)。

（2）風(fēng)能系統(tǒng)。在建筑暖通系統(tǒng)中，風(fēng)能是采取自然通風(fēng)與機械通風(fēng)方式，向建筑室內(nèi)環(huán)境中吹入新鮮的冷卻空氣，加快室內(nèi)環(huán)境熱量的逸散速度，起到制冷的作用，可以在無電源或系統(tǒng)低運行負荷條件下完成制冷任務(wù)。然而，風(fēng)能作為動力源的穩(wěn)定性較差，對建筑所處區(qū)域風(fēng)力條件、空氣質(zhì)量、室內(nèi)外環(huán)境溫度有著嚴格要求，實際應(yīng)用范圍受限，主要作為建筑暖通系統(tǒng)的一種輔助動力。

（3）地源熱泵系統(tǒng)。地源熱泵系統(tǒng)是在建筑結(jié)構(gòu)中安裝地源熱泵機組，以向暖通空調(diào)系統(tǒng)供熱的一種能源系統(tǒng)，由室內(nèi)末端供熱、室外地源換熱、地?zé)崮芙粨Q機組三部分組成。在系統(tǒng)運行期間，地源熱泵機組僅需消耗少量電能，即可持續(xù)從建筑所處區(qū)域淺層或中深層陸地中采集交換低溫?zé)崃?，再將低品位熱能轉(zhuǎn)換為高品位熱能，從而取得良好的建筑供暖、制冷效果。相關(guān)試驗結(jié)果顯示，地源熱泵機組每消耗1kW電能，即可轉(zhuǎn)換獲取4kW級以上的高品質(zhì)熱能或冷量。

1.2 提高能源利用率

為了提高建筑暖通動力能源的實際利用率，需要組合采取建筑布局調(diào)整、參數(shù)控制、強化結(jié)構(gòu)性能的設(shè)計措施。首先，根據(jù)建筑所處區(qū)域氣候環(huán)境條件，對建筑朝向進行調(diào)整，合理設(shè)置采光點與通風(fēng)口位置，以改善建筑的自然采光與通風(fēng)條件。其次，合理設(shè)定建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的溫度參數(shù)。早期建成的建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)普遍將溫度參數(shù)設(shè)定為22℃，使得系統(tǒng)運行能耗較高，造成不必要的能源浪費。因此，需要結(jié)合建筑用途來設(shè)定室內(nèi)環(huán)境溫度參數(shù)，盡可量減小室內(nèi)外溫度差。最后，通過使用新型墻體保溫材料，調(diào)整門窗構(gòu)件的數(shù)量與面積比例，強化建筑結(jié)構(gòu)的隔熱保溫和密封性能，避免由動力源所轉(zhuǎn)換的冷源、熱能快速逸散。

2 建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計要點

2.1 建筑圍護結(jié)構(gòu)保溫性能設(shè)計

建筑結(jié)構(gòu)表面積與熱傳導(dǎo)量成正比關(guān)系。在現(xiàn)代建筑工程中，隨著建設(shè)規(guī)模的擴大，建筑結(jié)構(gòu)傳熱導(dǎo)量與暖通空調(diào)系統(tǒng)負荷隨之增加，而在系統(tǒng)運行期間消耗大量能源，違背了節(jié)能設(shè)計理念。因此，對建筑暖通系統(tǒng)節(jié)能屬性的強化，需要從問題源頭著手，重點提高建筑物圍護結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能，具體措施包括外墻保溫節(jié)能、外窗保溫節(jié)能、屋面保溫節(jié)能。其中，在外墻保溫節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)，需在外墻結(jié)構(gòu)中設(shè)置保溫層，使用聚苯板、聚氨酯泡沫等保溫材料，起到控制建筑室內(nèi)環(huán)境熱量逸散速度的作用。在外窗保溫節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)，調(diào)整窗構(gòu)件數(shù)量與分布位置，充分利用太陽能，減少建筑采暖負荷，并提高窗戶氣密性與墻體的密封性能，避免因空氣滲透量過大而增加熱耗量。例如，在窗洞與窗框間隙處填筑自發(fā)泡材料，優(yōu)先選擇平開窗作為窗戶型式。在屋面保溫節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)，采取倒置式屋面，在防水層上方施作保溫層，避免太陽光直接照射防水層，起到減小屋面溫度分布、屋頂蓄存熱量的隔熱保溫效果。

2.2 冷凍水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

冷凍水系統(tǒng)在建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的總能耗中占比較大，是建筑暖通節(jié)能設(shè)計工作的重中之重。該系統(tǒng)的節(jié)能思路為，調(diào)整水泵運行工況，使其具備良好的負荷變化適應(yīng)能力，在部分負荷運轉(zhuǎn)工況下滿足實際運行需求，具體設(shè)計措施包括調(diào)整閥門開啟度、水泵轉(zhuǎn)速、多水泵葉輪直徑和冷卻塔節(jié)能。

首先，控制閥門在運行期間處于部分開啟狀態(tài)，通過調(diào)整開啟度控制揚程流量和改變水泵工況，但閥門開啟度過小時會因產(chǎn)生過大局部阻力而出現(xiàn)水泵過載運行狀態(tài)，需要合理設(shè)定開啟度，避免因水泵輸出功率增大而消耗額外電能。其次，在冷凍水系統(tǒng)中設(shè)置變頻水泵設(shè)備，正確掌握水泵轉(zhuǎn)速、功率、流量、揚程、軸功率等要素間的關(guān)系，通過調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速控制冷卻水流量，降低冷卻水泵運行能耗，實際運行能耗與水泵轉(zhuǎn)速固定不變時的水泵運行能耗差值即為節(jié)能量。同時，在變頻水泵選型環(huán)節(jié)，優(yōu)先配置與制冷機組功率差值較小的水泵，根據(jù)系統(tǒng)運行需求確定水泵臺數(shù)。再次，基于相似定律得知，水泵葉輪直徑與流量、軸功率、揚程等運行參數(shù)相關(guān)，通過調(diào)整水泵葉輪直徑可以起到控制水泵運行工況和降低運行能耗的節(jié)能效果，但葉輪直徑改變量有限，當(dāng)水泵葉輪直徑大幅改變時，將影響水泵的使用性能。最后，對冷卻塔設(shè)備的運行參數(shù)進行調(diào)整，也可起到冷凍水系統(tǒng)的節(jié)能效果，如調(diào)整冷卻塔出口溫度來改善制冷機組運行工況，調(diào)整冷卻塔風(fēng)量、水量來增大水泵功耗比重與減小冷卻塔運行負荷，配置新型的逆流式冷卻塔取代傳統(tǒng)的橫流式冷卻塔。

2.3 通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

在通風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計環(huán)節(jié)，一方面，應(yīng)合理選擇通風(fēng)系統(tǒng)形式，針對建筑面積較大的建筑，可以設(shè)計全空氣空調(diào)系統(tǒng)，在系統(tǒng)中設(shè)置變風(fēng)量末端裝置，根據(jù)實際使用需要，有效調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)各處功能區(qū)域與獨立房間的送風(fēng)量，通過室內(nèi)空氣參數(shù)減低風(fēng)機與制冷機組運行能耗來取得節(jié)能效果。同時，可設(shè)計單區(qū)、雙風(fēng)道、多區(qū)再熱等形式的通風(fēng)系統(tǒng)。針對高大空間建筑，則設(shè)計分層空調(diào)系統(tǒng)，從垂直方向?qū)⒔ㄖ锶藛T活動區(qū)域劃分為一個空調(diào)系統(tǒng)，送風(fēng)口中心線為分層面，分層面上下分別為非空調(diào)區(qū)域和空調(diào)區(qū)域。在系統(tǒng)運行期間，由于非空調(diào)區(qū)域溫度高于空調(diào)區(qū)域，基于送風(fēng)射流卷吸原理，非空調(diào)區(qū)域和空調(diào)區(qū)域持續(xù)形成對流熱轉(zhuǎn)移負荷以及輻射熱轉(zhuǎn)移負荷，起到節(jié)省冷量的節(jié)能效果。另一方面，采取多元化通風(fēng)手段，調(diào)整建筑外窗數(shù)量、面積占比和分布位置。在過渡季節(jié)采取機械通風(fēng)或自然通風(fēng)方式，持續(xù)向室內(nèi)吹入新鮮空氣，排出渾濁空氣，在不產(chǎn)生或僅產(chǎn)生少量運行能耗的基礎(chǔ)上，起到改善建筑室內(nèi)空氣質(zhì)量與消除余熱的作用。

2.4 供暖系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

在早期建設(shè)的建筑工程中，普遍采用散熱器或其他供暖設(shè)備的單一供暖方式，設(shè)備系統(tǒng)運行能耗較高，且散熱器空間布置方面較為困難，容易影響建筑使用功能的發(fā)揮。因此，設(shè)計師可選擇在供暖系統(tǒng)中采取同步配置散熱器與空調(diào)進行主次供暖的復(fù)合供暖方式，其具有建設(shè)成本低廉、使用靈活、供暖效果好的優(yōu)勢。同時，可以結(jié)合建筑結(jié)構(gòu)與供暖需求，優(yōu)化調(diào)整供暖管路的布局方案，盡可能縮短管路長度，采取立式單雙管或垂直隔斷的管路布置形式，以降低管路內(nèi)介質(zhì)在傳輸期間產(chǎn)生的損耗，提高熱能使用效率。

3 結(jié)束語

綜上所述，在建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計階段，設(shè)計師必須提高對能源使用和節(jié)能設(shè)計工作的重視程度，全面掌握建筑暖通動力節(jié)能設(shè)計要點，積極利用可再生能源作為暖通空調(diào)動力源，采取多元化暖通節(jié)能設(shè)計措施，以實現(xiàn)節(jié)能減排和環(huán)境保護的目標。