在“雙碳”背景下的暖通空調節能技術精細化設計淺析

張文超

（合肥信睦工程管理有限公司，安徽 合肥 230000）

全球氣候變化對人類社會構成重大威脅，越來越多的國家將“碳中和”上升為國家戰略，提出了“無碳未來”的愿景。2020 年，中國基于推動實現可持續發展的內在要求和構建人類命運共同體的責任擔當，宣布了“碳達峰”和“碳中和”的目標愿景。中國建筑能耗約占全社會能耗的45%，而在建筑能耗中，暖通空調系統又是不折不扣的“大戶”，特別是公共建筑中空調系統能耗占比為30%～50%。通過對暖通空調節能技術的精細化設計，有效降低空調系統能耗，是降低暖通空調系統在建筑能耗中占比的手段，也是現如今高質量綠色建筑發展的需要。

1 暖通空調系統的節能技術背景研究

隨著中國城鎮化的不斷推進，公共和居住建筑的數量不斷增加，規模也越來越大，建筑行業能耗的幅度也在不斷上升。如圖1 和圖2 所示，根據數據統計，2018 年全國建筑全過程能耗總量為21.47 億t 標準煤，占全國能源消費總量比例為46.5%；2018 年全國建筑全過程碳排放總量為49.3 億t，占全國碳排放的比例為51.3%[1]。

圖1 建筑全過程能耗分配圖

圖2 建筑全過程碳排放總量分配圖

伴隨著暖通空調系統的安裝與使用愈加頻繁，這一數據現如今依然呈現出增長趨勢，降低碳能耗和碳排放已經迫在眉睫。而隨著國務院“雙碳”工作意見、《關于推動城鄉建設綠色發展意見》《2030 年前碳達峰行動方案》等一系列國家政策的發布，也給暖通空調設計中的“雙碳”帶來了新的方向：①加快提升建筑能效水平，加強適用于不同氣候區、不同建筑類型的節能低碳技術的研發和推廣。②推動高質量綠色建筑規模化發展，大力推廣超低能耗、近乎零能耗建筑，發展零碳建筑。③加快優化建筑用能結構。深化可再生能源建筑應用，加快推動建筑用能電氣化和低碳化。同時一系列新的設計規范和標準，包括《建筑節能與可再生能源利用通用規范》《近乎零能耗建筑技術標準》等，也要求暖通設計師在系統設計過程中注重以能耗控制為目標，在設計階段采用性能化、精細化設計，通過被動式建筑設計降低建筑中暖通空調系統的需求，采用主動式技術措施最大幅度地提高能源設備與系統效率。

2 暖通空調系統的節能技術精細化設計簡述

所謂設計，即“設想和計劃”，設想是目的，計劃是過程安排，通常是指有目標和計劃的創作行為及活動。暖通空調設計則是暖通空調系統施工、調試前的預先計劃，必須進行周密計劃、精細化設計，才能達到預期效果。在暖通空調系統設計中，設計師需要把握整體設計思路，結合建筑空間布局和功能分區，科學應用自然風，最小化圍護結構的能量損失，合理地選用空調系統，采用高效變頻節能的設備，使用諸如太陽能等清潔能源，利用余熱回收、冰蓄冷等技術措施。在設計階段與施工、機電調試人員密切配合，充分利用BIM 軟件、負荷計算軟件、能耗分析軟件、機電調試數據等對暖通空調設計中的負荷計算、系統選擇、設備參數、節能措施、自動控制等階段進行優化，在設計階段就降低暖通空調系統的整體能耗。暖通空調性能化、精細化設計方法框架圖如圖3 所示。

圖3 暖通空調性能化、精細化設計方法框架圖

3 暖通空調系統的節能技術精細化設計應用

3.1 工程概況

項目是位于北京市密云區的商業辦公綜合體。總建筑面積約為20 萬m2，地上建筑面積約13 萬m2，地下建筑面積超過7.3 萬m2，包含有地上購物中心、1#和2#商業辦公樓、地下商業分區、地下室及人防區。

設計內容：暖通空調系統、熱水采暖系統、通風防排煙系統（本文不做闡述），輻射采暖以及燃氣設計不在本次設計范圍內。

3.2 設計參數

室外氣象參數：選取《民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范》附錄A 中北京地區氣象參數[2]。

室內設計參數如表1 所示。

表1 室內設計參數

3.3 負荷計算

本項目按空調系統設計空調冷負荷分為2 部分計算：購物中心（不含超市和影院，以下簡稱“商業”）和超市。

空調采暖熱負荷分為2 部分計算：商業、超市、影院，散熱器采暖熱負荷為可售商業（含商業和辦公首層可售）及辦公樓。分項計算值及指標如下。

采用鴻業負荷計算軟件9.0 進行逐時逐項冷熱負荷計算，冷熱負荷計算指標如表2 所示。

表2 冷熱負荷計算指標

3.4 系統設計

3.4.1 冷源選擇

購物中心（不含超市、影院）設置3 臺水冷離心式冷水機組（單臺冷量750 RT），提供6.5 ℃/12.5 ℃空調冷凍水，在地下一層設置制冷機房，在購物中心屋頂設置冷卻塔。制冷機房平面布置圖如圖4 所示。

圖4 制冷機房平面布置圖

超市設置2 臺水冷螺桿式冷水機組（單臺冷量200 RT），提供7 ℃/12 ℃空調冷凍水，在地下一層設置制冷機房，在購物中心屋頂設置冷卻塔。

影院由影院方自行設置風冷冷水機組，屋頂預留機位。

冷卻塔直接供冷系統：購物中心內區商鋪需要全年供冷，在室外溫度低于5 ℃時，采用冷卻水通過板式換熱器換熱直接提供內區冷凍水，該系統的冷卻水溫度為8 ℃/9.6 ℃，冷凍水供回水溫度為9 ℃/13 ℃。

可售商業和辦公區域均采用直流變速多聯式中央空調系統。

3.4.2 熱源選擇

由于當地市政熱力管網不能提供本項目冬季采暖熱源，因此在本項目地下一層設置燃氣鍋爐房，選用3臺承壓燃氣鍋爐（單臺容量為2.8 MW，預留1 臺備用）提供95 ℃/70 ℃一次熱水，通過位于制冷機房內的換熱器換熱分別提供60 ℃/45 ℃的熱水供給商業空調末端及85 ℃/60 ℃熱水供給辦公和可售商業散熱器系統。

3.4.3 水系統設計

購物中心冷凍水系統采用一次泵變流量系統，冷凍水溫度為6.5 ℃/12.5 ℃，超市冷凍水系統采用一次泵主機側定流量末端變流量系統，冷凍水溫度為7 ℃/12 ℃。購物中心采用分區兩管制水系統（4 層零售區為四管制），超市為兩管制水系統。冷熱水在分集水器處冬夏切換供水。

空調冷凍水系統為異程式，冷凍水系統最大工作壓力為0.86 MPa，超市冷凍水系統最大工作壓力為0.48 MPa。

購物中心和超市冷卻水系統側均采用變流量泵，夏季冷卻水供回水溫度為32 ℃/37 ℃，冷卻水系統最大工作壓力為0.65 MPa。

鍋爐一次熱水循環泵為變頻泵，一次熱水供回水設計溫度均為95 ℃/70 ℃。鍋爐一次熱水系統最大工作壓力為0.36 MPa。

空調熱水循環泵為變頻泵，空調熱水供回水設計溫度均為60 ℃/45 ℃。管制同冷凍水系統，冷熱水管在分集水器處冬夏切換供水。

空調熱水系統為異程式，系統最大工作壓力為0.8 MPa。

3.4.4 風系統設計

購物中心零售區域采用新風處理機組，采用粗效過濾、中效過濾、冷（熱）盤管段、風機處理段后，由新風管路送至室內。

超市、百貨、公共區等大空間場所采用全空氣處理機組，混合新風段和回風混合后經過粗效過濾、中效袋式過濾、冷（熱）盤管段、送風機段送入室內。全空氣系統設置獨立排風機，在過渡季節加大新風量時，開啟排風機可實現70%新風比運行。

冬季、過渡季內區全空氣系統可利用新風免費供冷，充分利用天然冷源。

3.5 自動控制

暖通空調系統的自動控制是整個建筑物樓宇自控管理系統BAS 的一部分，通過該系統實現暖通空調系統的自動運行、調節，以減少運行管理的工作量和成本，降低暖通空調系統的運行能耗。暖通空調系統的控制和檢測包括但不限于機組、水泵、風機、閥門、冷卻塔等系統設備的運行、故障及遠程/本地轉換，冷凍水和冷卻水系統的供回水溫度、壓力和流量檢測，各種電控閥門、儀表數據的記錄。通過優化組合確定設備運行工況，達到整體節能的效果。

商業空調冷凍水泵采用臺數和轉速調節，頻率根據系統壓差變化控制，系統測壓點設置在最不利環路干管靠近末端處。商業空調供水總管間設置電動旁通閥，在流量低于商業冷機最小允許流量時開啟，超市冷凍水泵為定頻水泵，在供回水總管間設置壓差旁通閥保證冷機定流量運行。

根據冷卻塔供水溫度控制冷卻塔風機的臺數；過渡季節在冷卻水供回水間通過設置的旁通調節閥，控制旁通水量，調節混合比控制水溫。調節冷卻水的溫度，使其符合冷水機組的最低溫度要求。

換熱系統根據換熱器二次水出水溫度來控制一次水流量。鍋爐熱水循環泵為定頻水泵采用臺數控制，在供回水總管間設置壓差旁通閥保證鍋爐定流量運行。空調熱水泵、散熱器采暖水泵采用臺數和轉速調節，根據系統最不利點壓差控制水泵轉速。

對于全空氣系統，風機可進行變風量控制；在過渡季節則根據室內外焓值的比較，實現增大新風比的控制，以充分利用室外空氣消除余熱。

風機盤管機根據室內溫度控制盤管水路電動控制閥開關，根據冷熱水工況手動進行季節轉換，同時能夠就地手動控制風機啟停和轉速。

3.6 設計分析

本項目在設計伊始，與建筑專業溝通配合，在平面布局和功能分區上合理利用自然風，強化氣流組織，降低了百貨區域的負荷需求和能耗比；對于制冷機房的布置也靠近負荷需求中心，以減少冷凍水輸送環節的管路損耗和水泵能耗。通過負荷計算軟件和能耗分析模擬軟件，結合BIM 建筑模型、全年逐時氣象數據、圍護結構等參數，創建空調系統方案進行對比，選擇低能耗、高舒適度的空調系統。同時在系統設計環節積極應用多項節能措施：根據北京當地的氣候特征和生活習慣，在不影響舒適度的情況下適當調整了系統的設計參數，降低了負荷需求，間接地減少了系統能耗；冬季、過渡季內區全空氣系統可利用新風免費供冷，充分利用天然冷源；采用變頻水泵，并根據實際需求確定工作頻率，以防止水泵始終處在全負荷狀態；在達到空氣處理基本要求的基礎上，盡量提高冷水初溫，這是因為當制冷機組的蒸發溫度提高1 ℃時，可減少2%～3%的電能消耗，通過提高溫差和減少循環水流量來降低系統能耗[3]；借助傳感技術及自動控制理論實時監測室內溫濕度，并根據監測數據對空調系統參數進行設置與調整，確保空調系統處于高效工區。最終在本項目中通過對設計環節的精細化把控，暖通空調系統的整體能耗相比最初的空調系統降低了大約12%，占建筑能耗比降低了大約8%。

4 結語

綜合所述，暖通空調系統作為建筑工程機電系統中重要組成部分，其能耗在建筑總能耗中占據很大比例，而在目前“碳達峰”和“碳中和”的低碳綠色城市發展背景下，在設計的不同環節引入暖通空調節能技術，通過對暖通空調節能技術的精細化設計，能在滿足舒適性要求的基礎上，降低暖通空調能耗。