建筑暖通空調系統節能技術要點及應用策略分析

馮天琪，王璇，楊慧禹，楊鵬翔

北京市設備安裝工程集團有限公司，北京，100124

0 引言

暖通空調系統的能耗在建筑能耗中的占比通常可達到30%～50%，因而成為節能設計和控制的重點。當前，針對建筑采暖、通風以及空調系統的節能技術研究已經取得了較為豐碩的成果，并系統性地歸納節能技術現狀有助于制定科學的應用策略，提高建筑綠色節能發展水平。

1 暖通空調系統計算溫度取值

建筑暖通空調系統包括采暖、通風和空氣調節三個部分，其中采暖系統和空氣調節系統能夠調節室內溫度。顯然，系統能耗水平與溫度取值存在直接關系。《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》（GB 50736-2012）中對冬季室內供暖設計溫度和長期逗留區域空氣調節室內設計參數作出了規定，室內供暖溫度的設計要求如表1所示。合理控制溫度取值有利于精確控制冷熱負荷。

表1 民用建筑冬季室內設計溫度

2 供暖系統節能技術要點及應用

2.1 精確計算熱負荷

熱負荷影響著供暖系統的熱源裝機容量、管道直徑、水泵配置以及末端供熱設備，如果熱負荷設計超過實際需求，有可能導致供暖系統配置偏大，進而造成熱量浪費[1]。因此，精確計算熱負荷是供暖系統節能設計的重要環節。熱負荷決定于兩方面因素，其一是供暖系統從熱源獲取的總熱量。其二是系統和建筑物散失的熱量，包括建筑圍護結構的耗熱量、通風耗熱量、門窗耗熱量等。以建筑圍護結構為例，其耗熱量Q的計算方法如式（2-1）。

式中α表示圍護結構的溫差修正系數，圍護結構的面積和傳熱系數分別記為F、K。tn和twn分別為冬季供暖時的室內、室外溫度。

2.2 選擇有利于節能的熱源

建筑供暖系統大多以熱水為媒介，加熱空氣或者建筑物結構。例如，集中供暖采用散熱器作為終端時，熱媒溫度應設計為85/60℃或者75/50℃。熱源用于提高熱媒介的溫度，在供暖系統設計中應優先采用有利于節能的熱源。常用熱源為火力發電產生的余熱、工業制造產生的廢熱。水（地）源熱泵技術不依賴于化石燃料的燃燒放熱，有利于節能減排。《國管局關于2022年公共機構能源節約和生態環境保護工作安排的通知》要求實現新增熱泵供熱（制冷）面積達200萬平方米。當前，此類技術涌現出一批成熟的應用案例，比如，國內某高等院校成功設計投用中深層地熱地埋管管群供熱系統，管道埋深達到地下2～3km處，供暖負荷為75.69MW，服務建筑面積為159萬平方米，相比于燃煤鍋爐供熱，該系統在一個供暖季內可節約煤炭2.54萬噸。

2.3 供暖系統及管路節能設計

2.3.1 供暖系統節能設計基本原則

第一，采暖系統應具備分戶獨立供暖和調控的能力，形式上宜設計為雙管系統。在城市集中供暖中，由市政熱力單位統一提供熱源，部分用戶在供熱季內暫時無供暖需求，分戶調控能夠關閉相應管路，從而避免熱量和能源浪費。

第二，盡可能減少熱力入口數量。熱力入口用于調節和控制熱力介質的壓力和流量，減少熱力入口數量有利于保持水力平衡，進而維持室內溫度的穩定性。

2.3.2 供暖管路布置方式

合理的管路布置方式能夠降低供暖系統能耗。建筑室內供暖管路應設計為分戶獨立循環系統，共用立管，并根據建筑高度合理選擇垂直單管跨越式系統或者垂直雙管系統[2]。常用管路制式包括下供下回水平雙管系統、上供上回水平雙管系統、低溫熱水地面輻射供暖系統。

2.4 末端供熱設備節能控制

末端供熱設備具有多種類型，常用的包括散熱器、低溫熱水輻射供暖管路。合理設計末端供水設備有助于維持較高的室溫，從而降低熱源負荷。以熱水輻射供暖管路為例，通常可在建筑物地面、墻面以及頂棚設置毛細管網，以熱介質實現室內升溫。建筑物頂棚和墻面的毛細管網供水溫度宜控制在25～35℃之間，地面毛細管網的供水溫度應設置在30～40℃之間。控制末端設備供水溫度是保證節能效果的重要措施。

3 通風系統節能技術要點及應用

3.1 充分利用自然通風

建筑通風系統的主要作用為降低室內溫度、去除室內余濕以及更新室內空氣。自然通風不消耗電力能源，因而節能效果突出。在建筑設計階段應結合季節風向、區域微環境特點合理設計建筑物朝向及結構。根據夏季風向特點，將建筑物的迎風面與風向的夾角控制在60～90度之間，至少應達到45度[3]。城市建筑群在平面布置方式上應采取斜列式和錯列式，從而充分利用穿堂風。另外，設計捕風裝置有利于形成壓力梯度，進而強化自然通風的效果。通風量用于評估自然通風的效果，在設計自然通風系統時應計算通風量，實現量化控制。熱壓動力下的自然通風量G按照式（3-1）進行計算。

式中Q、C、tp、twf分別為室內全部余熱、空氣比熱、排風溫度以及夏季室外溫度。

3.2 機械通風節能設計要點

3.2.1 精確計算系統總風量

系統風量影響著排風機械設備的功率，進而作用于能耗控制。在機械通風節能設計中應精確計算公共廚房、浴室、衛生間、設備機房、車庫、起居室等部位的通風量及換氣次數。通風換氣量依據熱平衡原理進行計算。換氣次數影響著室內新風的質量和總風量，換氣次數越多，機械設備運行時長和總能耗也越高，在滿足使用需求的情況下應盡量控制換氣次數。GB 50736-2012對民用建筑室內人員所需最小新風量作出了規定，如表2所示，在設計機械通風系統時可按照相關指標確定通風量需求。

表2 民用建筑主要房間每人所需最小新風量

3.2.2 通風機械設備選型

（1）合理控制通風機械的功率。通風機的功率與系統總風量密切相關，送風機和排風機的功率應滿足總風量要求。另外，由于建筑物的門窗等部位容易形成漏風，計算風機功率時必須考慮漏風量造成的功率損失。通常根據送、排風機的作用部位設置一定的附加風量，一般是在理論計算的基礎上增加5%～10%，如果通風系統具有除塵和排煙功能，附加風量應適當提高。因此，通風機的功率按照理論風量與附加風量之和進行計算。

（2）采用變頻調速風機。定頻風機的轉速和功率固定不變，但通風需求有可能發生變化，因此，定頻風機難以根據需求變化調整轉速和功率，不利于節能。變頻調速風機借助變頻器靈活調控功率，其運行頻率可控制在30～45Hz，而定頻風機運行于50Hz下。因此，變頻調速風機通常比定頻風機節能50%～70%。

3.2.3 強化空氣熱回收效果

新風系統屬于通風系統的一部分，其在公共建筑和住宅建筑中應用廣泛。但新風系統在冬季換氣時會帶走室內熱量，造成一定的能量損失。在工程實踐中可針對新風系統設置空氣熱回收裝置，或者采用帶有熱回收功能的新風換氣機。當系統向室外排風時，室內熱空氣會流經專門的蓄熱體，蓄集一部分熱量。當室外新鮮空氣進入室內時，再由蓄熱體加熱冷空氣，從而實現能量的回收利用，提高通風系統的節能效果。在無管道熱回收新風系統中，蓄熱體為圓柱形蜂窩狀陶瓷體，其放熱效率超過99%[4]。

4 空氣調節系統節能技術要點及應用

4.1 計算空調負荷

空調冷熱負荷計算的結果直接影響主機功率以及末端設備，應盡可能精確地計算空調負荷，從而合理確定主機功率，避免能源浪費。以空調夏季冷負荷計算為例，影響該指標的因素包括經由建筑圍護結構傳入的熱量、人體的散熱量、室內電氣設備的散熱量、食物的散熱量等。早期采用人工方式計算空調區的夏季得熱量，現階段主要使用建筑冷負荷計算軟件實現精確計算。人工計算方法在當前依然適用，例如，人體散發的熱量會造成室內升溫，空調冷負荷計算中應涵蓋人體散熱，其計算公式為（4-1）。

式中將人體散熱造成的逐時冷負荷記為CL，冷負荷系數記為Ccl,人體散發的熱量記為Q，C為修正系數。

4.2 空氣調節冷熱源節能設計

4.2.1 優先使用廢熱、余熱以及可再生能源

空氣調節系統通過消耗熱能、機械能或其他形式的能源實現制冷和制熱。因此，選擇恰當的冷熱源能夠顯著降低系統能耗水平。在節能設計中應優先利用企業生產所形成的廢熱和余熱，溴化鋰吸收式冷水機組能夠有效利用廢熱和余熱，可作為空氣調節系統的冷源機組。太陽能、淺層地熱能、中深層地熱能可作為空氣調節系統的冷熱源，其在節能環保方面效果突出。可再生能源的穩定性相對較差，有可能影響空氣調節系統的正常運行，因而需設計輔助性的冷熱源。

4.2.2 采用熱泵技術

空調是傳統的建筑制冷、制熱設備，消耗了大量的電力能源。熱泵在功能上與空調類似，但節能效果優于傳統空調。熱泵分為空氣源熱泵和地源熱泵，其工作原理存在一定的差異。以地源熱泵為例，不僅可作為冬季的采暖設備，在夏季亦可用于制冷。地源熱泵的壓縮機組對冷媒做功，促使其發生汽-液轉化，冷媒經由熱交換器吸收室內空氣中的熱量，再通過水路循環吸收冷媒中的熱量，最后將熱量傳導至地下水或者土壤中，其工作原理如圖1所示。顯然，在炎熱的夏季，地下水和土壤的溫度明顯低于室外空氣的溫度，因而地源熱泵制冷時消耗的能量也遠低于空調。空氣源熱泵的節能效果也強于傳統空調。

圖1 地源熱泵示意圖

4.2.3 運用水蓄冷空調技術

電力系統在白天處于用電高峰期，在夜間處于用電低谷期。空調制冷主要在晝間發揮作用，夏季大規模的空調運行與企業生產疊加，對電力負荷造成了很大的負擔，同時增加了峰谷差距。水蓄冷空調在夜間用電低谷期開機工作，將冷量存儲在低溫冷凍水（溫度不低于4℃）中，然后在白天將這些低溫冷凍水作為空調的冷媒，進行室內制冷。該技術的運用有利于電網的“削峰填谷”。在夜間蓄冷時，由于氣溫低于白天，冷卻難度降低，冷卻效果提高，空調機組的效率可提升6%～8%[5]。與常規空調相比，水蓄冷空調的節電率通常不低于10%。另外，由于電力能源供應追求穩定性，供電時需滿足白天的高峰用電需求，由此導致夜間低谷期浪費了部分電力能源。“削峰填谷”提高了電網系統的能源利用率，可見，水蓄冷空調技術也能間接促進用電終端的節能效果。

4.3 運用空調余熱回收技術

傳統的分體式空調和中央空調仍然是主流的空氣調節系統，其外機在運行過程中會向外界散發大量的冷凝熱。空調余熱回收技術主要針對散熱較為集中的中央空調，在機組上安裝高效的熱回收設備和熱泵接駁裝置，該系統使溫度較高的冷媒與自來水進行熱交換，從而回收原本直接排放至空氣的空調余熱，熱泵設備利用這部分廢熱加熱自來水，提供洗浴和洗滌用熱水[6]。該技術的運用使傳統空調的能耗降低了10%～15%，其產生的熱水溫度在55℃～100℃之間。

5 結語

暖通空調系統的能耗水平與冷熱負荷計算、冷熱源類型、設備節能效果等密切相關。精確計算冷熱負荷以及系統總風量有利于控制設備功率，避免功率設計偏大。冷熱源方面應該優先利用廢熱、余熱，逐步擴大可再生能源的占比。地源熱泵、空調水蓄冷、變頻調節、余熱回收等技術能夠進一步提高建系統節能效果。在設計建筑暖通空調系統時應綜合運用各類技術，全面降低系統能耗，實現節能運行。