建筑暖通空調系統的節能設計要點研究

于 海

中聯西北工程設計研究院有限公司，陜西 西安 710077

1 建筑暖通空調系統的能源使用要求

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系統的驅動能源的占比高達95%以上。電能在輸送過程中會產生一定的損耗，且電能本質上是由煤炭等化石能源轉換而來的，在電能生產期間將對生態環境造成嚴重的污染破壞。因此，在現代低碳節能建筑中，將可再生能源作為暖通空調系統動力源的比例越來越高。常用的可再生能源為太陽能、風能、地熱能。

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

從設計角度來看，在使用太陽能作為暖通空調系統的動力源時，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設計標準。二是應合理采取太陽能蓄能采暖方式，解決因天氣、夜間等原因導致的供暖不足問題。具體蓄能方式包括當天蓄能、周蓄能、跨季蓄能3種：當天蓄能采暖系統用于滿足建筑末端短時間的供暖需求；周蓄能采暖系統是將所收集的熱能儲存在水箱中，適當調整水箱容積；跨季蓄能采暖系統的水箱容積應保持當天蓄能水箱的10倍及以上，用于缺乏充足采暖空間的建筑。三是根據已知工程資料與現場氣候日照條件，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，根據試驗結果設定供暖熱負荷、單日耗熱量、水箱容積等參數。

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

（3）地源熱泵系統。地源熱泵系統是在建筑結構中安裝地源熱泵機組，以向暖通空調系統供熱的一種能源系統，由室內末端供熱、室外地源換熱、地熱能交換機組三部分組成。在系統運行期間，地源熱泵機組僅需消耗少量電能，即可持續從建筑所處區域淺層或中深層陸地中采集交換低溫熱量，再將低品位熱能轉換為高品位熱能，從而取得良好的建筑供暖、制冷效果。相關試驗結果顯示，地源熱泵機組每消耗1kW電能，即可轉換獲取4kW級以上的高品質熱能或冷量。

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整、參數控制、強化結構性能的設計措施。首先，根據建筑所處區域氣候環境條件，對建筑朝向進行調整，合理設置采光點與通風口位置，以改善建筑的自然采光與通風條件。其次，合理設定建筑暖通空調系統的溫度參數。早期建成的建筑暖通空調系統普遍將溫度參數設定為22℃，使得系統運行能耗較高，造成不必要的能源浪費。因此，需要結合建筑用途來設定室內環境溫度參數，盡可量減小室內外溫度差。最后，通過使用新型墻體保溫材料，調整門窗構件的數量與面積比例，強化建筑結構的隔熱保溫和密封性能，避免由動力源所轉換的冷源、熱能快速逸散。

2 建筑暖通空調系統的節能設計要點

2.1 建筑圍護結構保溫性能設計

建筑結構表面積與熱傳導量成正比關系。在現代建筑工程中，隨著建設規模的擴大，建筑結構傳熱導量與暖通空調系統負荷隨之增加，而在系統運行期間消耗大量能源，違背了節能設計理念。因此，對建筑暖通系統節能屬性的強化，需要從問題源頭著手，重點提高建筑物圍護結構的保溫隔熱性能，具體措施包括外墻保溫節能、外窗保溫節能、屋面保溫節能。其中，在外墻保溫節能設計環節，需在外墻結構中設置保溫層，使用聚苯板、聚氨酯泡沫等保溫材料，起到控制建筑室內環境熱量逸散速度的作用。在外窗保溫節能設計環節，調整窗構件數量與分布位置，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泡材料，優先選擇平開窗作為窗戶型式。在屋面保溫節能設計環節，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 冷凍水系統節能設計

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

首先，控制閥門在運行期間處于部分開啟狀態，通過調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生過大局部阻力而出現水泵過載運行狀態，需要合理設定開啟度，避免因水泵輸出功率增大而消耗額外電能。其次，在冷凍水系統中設置變頻水泵設備，正確掌握水泵轉速、功率、流量、揚程、軸功率等要素間的關系，通過調整水泵轉速控制冷卻水流量，降低冷卻水泵運行能耗，實際運行能耗與水泵轉速固定不變時的水泵運行能耗差值即為節能量。同時，在變頻水泵選型環節，優先配置與制冷機組功率差值較小的水泵，根據系統運行需求確定水泵臺數。再次，基于相似定律得知，水泵葉輪直徑與流量、軸功率、揚程等運行參數相關，通過調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能效果，但葉輪直徑改變量有限，當水泵葉輪直徑大幅改變時，將影響水泵的使用性能。最后，對冷卻塔設備的運行參數進行調整，也可起到冷凍水系統的節能效果，如調整冷卻塔出口溫度來改善制冷機組運行工況，調整冷卻塔風量、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的橫流式冷卻塔。

2.3 通風系統節能設計

在通風系統節能設計環節，一方面，應合理選擇通風系統形式，針對建筑面積較大的建筑，可以設計全空氣空調系統，在系統中設置變風量末端裝置，根據實際使用需要，有效調節建筑室內各處功能區域與獨立房間的送風量，通過室內空氣參數減低風機與制冷機組運行能耗來取得節能效果。同時，可設計單區、雙風道、多區再熱等形式的通風系統。針對高大空間建筑，則設計分層空調系統，從垂直方向將建筑物人員活動區域劃分為一個空調系統，送風口中心線為分層面，分層面上下分別為非空調區域和空調區域。在系統運行期間，由于非空調區域溫度高于空調區域，基于送風射流卷吸原理，非空調區域和空調區域持續形成對流熱轉移負荷以及輻射熱轉移負荷，起到節省冷量的節能效果。另一方面，采取多元化通風手段，調整建筑外窗數量、面積占比和分布位置。在過渡季節采取機械通風或自然通風方式，持續向室內吹入新鮮空氣，排出渾濁空氣，在不產生或僅產生少量運行能耗的基礎上，起到改善建筑室內空氣質量與消除余熱的作用。

2.4 供暖系統節能設計

在早期建設的建筑工程中，普遍采用散熱器或其他供暖設備的單一供暖方式，設備系統運行能耗較高，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揮。因此，設計師可選擇在供暖系統中采取同步配置散熱器與空調進行主次供暖的復合供暖方式，其具有建設成本低廉、使用靈活、供暖效果好的優勢。同時，可以結合建筑結構與供暖需求，優化調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，以降低管路內介質在傳輸期間產生的損耗，提高熱能使用效率。

3 結束語

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