建筑環(huán)境和設備工程節(jié)能設計初探

文／程馳 湖南省國際工程咨詢中心有限公司 湖南長沙 410000

引言:

從上個世紀開始，人類大規(guī)模焚燒化石燃料以獲取能源，導致二氧化碳等溫室氣體大量排放，造成了全球氣候變暖的日益嚴重，近年氣象災難頻仍，應對氣候變化成為世界各國急需面對的首要環(huán)境問題，2020年9月我國向世界鄭重承諾“2030年實現(xiàn)碳排放達峰，2060年實現(xiàn)碳中和”。而另一方面，隨著人們對生活環(huán)境要求不斷提高，建筑物的設計也更加注重功能和舒適性的需求，建筑環(huán)境設備更多地被應用在建筑物中，同時建筑物的能耗也就相應的更高，如何解決日益高企的建筑能耗與節(jié)能減排的壓力之間的矛盾，成為了設計師們的重要課題。

1、建筑環(huán)境和設備工程節(jié)能技術應用的現(xiàn)狀

1.1 項目建設過程中建筑環(huán)境設備節(jié)能投入不平衡

根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布《2021年全球建筑和建造業(yè)現(xiàn)狀報告》，2020年建筑和建造業(yè)占全球最終能源消費量的36%，占與能源相關二氧化碳排放量的37%。而建筑物的建造過程能耗占比較小，約占其中五分之一左右，其余均為建筑物運行能耗，這其中又以建筑環(huán)境設備耗能為主，所以降低建筑環(huán)境設備能耗對節(jié)能減排的總體部署意義重大。然而實際上,在大多數(shù)建設項目中，關于建筑環(huán)境設備工程節(jié)能的投入是失衡的，其體現(xiàn)在：

（1）在建筑節(jié)能設計過程中，一般設計師會把報建圖審的政策性要求當作重點，而往往缺乏對項目的深度調(diào)查研究，無法對項目的實地環(huán)境、功能需求、當?shù)氐纳鐣⒔?jīng)濟狀況進行綜合全面的了解，通常相對于建筑專業(yè)圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能設計的大篇幅詳盡設計，建筑環(huán)境和設備各專業(yè)的節(jié)能設計則顯得比較簡略、粗淺，同時也難以保證設計方案適用于當?shù)氐膶嶋H環(huán)境，并能產(chǎn)生理想的效果。例如在中南地區(qū)冬季潮濕寒冷、缺乏日照而夏季日照充足卻炎熱的情況下，為了滿足綠建指標采用太陽能熱水系統(tǒng)則經(jīng)濟性和實用性就要大打折扣了。

（2）在施工過程中，無論建設方還是施工實施方均有控制成本壓縮投資的原始沖動，而建筑環(huán)境設備系統(tǒng)其功能和能效與投資是成反比的，通常在資金壓力下，各方往往會達成共識，犧牲系統(tǒng)設備的節(jié)能性能，而在低價中標的大市場環(huán)境下，這種現(xiàn)象尤為突出，這使得建筑物難以達到理想的節(jié)能效果。

1.2 建筑物在使用運行過程中因管理欠缺使節(jié)能措施難以實現(xiàn)應有效果

近年城市化的進程飛速發(fā)展，城市規(guī)模日趨龐大，新建的高樓有如雨后春筍，比比皆是，然而整個社會卻面臨日益嚴重的勞動力緊缺問題，尤其缺乏成熟的技術工人，而運維人員技能水平通常決定了設備系統(tǒng)的運行效能，在運維人員不足，技能欠缺的條件下，建筑環(huán)境設備往往難以實現(xiàn)其理想節(jié)能功效。

1.3 人們對居住環(huán)境的舒適性和便利性要求越來越高，帶動了建筑能耗的增高

經(jīng)過幾十年經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對于建筑物的功能需求早已從最初的遮風擋雨，進化到現(xiàn)在的要更加智能便利的設施，要有更舒適健康的室內(nèi)環(huán)境，這需要建筑環(huán)境設備的更大投入作為支撐，同時意味著建筑物將消耗更多的能源，為建筑節(jié)能降耗到來更大的壓力。

2、關于建筑環(huán)境和設備工程節(jié)能設計的探討

2.1 建筑暖通與空調(diào)節(jié)能設計探索

（1）冷熱源配置和設備選型

對于采暖和通風空調(diào)工程而言，冷熱源的選擇是整個系統(tǒng)能耗的決定性因素，在冷熱源選擇及設備選型時，除了以國家規(guī)范和標準為主要依據(jù)，還需要對項目進行深入了解，一方面了解業(yè)主的詳細使用需求，另一方面要了解當?shù)氐淖匀画h(huán)境和氣候特點，還要了解項目所在地的社會經(jīng)濟環(huán)境，以下就是冷熱源選擇及設備選型在節(jié)能方面值得推薦的幾種探索：

淺層地熱能利用：一般指利用200米以內(nèi)淺層地下水、地表水或土壤巖層吞吐熱量，為空調(diào)系統(tǒng)提供熱能或散熱，在淺層熱能資源豐富的地區(qū)以及有大量工業(yè)熱（冷）廢水可以利用的地區(qū)，采用地源熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)可以節(jié)省約30%左右的能源消耗，而淺層地能系統(tǒng)壽命較長，能達30年[1]，雖然初期建設投入較大，但從包含使用的全壽命過程來看，相較于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)有更高的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。

蓄冷技術的應用：蓄冷空調(diào)系統(tǒng)通過利用夜晚用電低谷制備冷水或冰蓄冷,白天不需制冷,直接釋放蓄冷量供冷，單純從空調(diào)系統(tǒng)的角度考慮，蓄冷空調(diào)技術熱力損失較大，增大了耗電量被認為省錢不節(jié)能，但從電力大系統(tǒng)考慮，用低谷電制冷蓄冷技術提高了低谷電時段發(fā)電機組的負荷率，使發(fā)電機組的效率得到提升，降低了低谷電時段發(fā)電單位煤耗，同時能降低高峰發(fā)電需求，實現(xiàn)大系統(tǒng)節(jié)能，參考深圳前海供冷3號站，根據(jù)等效計算，采用蓄冷空調(diào)技術考慮用電削峰填谷的節(jié)能效益，系統(tǒng)能效能夠提高16%，達到4.91[2]。對于夏季用電量峰谷差距較大地區(qū)，蓄冷技術的應用能有效平衡電網(wǎng)供需，在為業(yè)主節(jié)省電費的同時，還能創(chuàng)造社會層面的節(jié)能效益。

空氣源熱泵的應用：空氣能是一種儲量非常豐富的低品位能，空氣源熱泵通過從空氣儲熱獲取低位熱能，經(jīng)系統(tǒng)集熱轉(zhuǎn)化為高溫熱能，用來取暖或制備熱水，夏季也可以通過向空氣中散熱轉(zhuǎn)化為制冷工況，因其安裝方便，對環(huán)境污染較小，可以替代鍋爐和冷卻塔，較傳統(tǒng)的空調(diào)形式更節(jié)能，在南方地區(qū)得到廣泛應用。

復合能源利用：各種不同冷熱源均有不同的優(yōu)缺點，在選擇時可以揚長避短地選擇不同的冷熱源形式進行互補，達到最佳節(jié)能效果，比如空氣源熱泵在寒冷潮濕的氣候條件下制熱工況惡劣，則可以考慮與太陽能熱水或與淺層地熱能系統(tǒng)相組合達到取長補短的效果；在有工業(yè)廢熱可以利用的情況下，可以利用工業(yè)廢熱作為主要或輔助熱源；建筑內(nèi)部的熱量和冷量也可以創(chuàng)造條件為空調(diào)系統(tǒng)所用，或用來補充供熱或散熱冷卻，這都是對能源的最大化利用。

（2）系統(tǒng)平面布置和室內(nèi)氣流組織的節(jié)能優(yōu)化

合理的平面布置有助于提升空調(diào)及通風系統(tǒng)的運行效率，在具體實踐中可以合理優(yōu)化空調(diào)主機房的位置，使空調(diào)主機到各末端設備的距離盡可能短，通過縮短載能介質(zhì)傳輸距離，有效減少介質(zhì)傳輸過程的能量損耗，尤其對于現(xiàn)在應用比較廣泛的VRV多聯(lián)機中央空調(diào)系統(tǒng)，當其冷媒銅管長度較大時，能量的衰減將變得非常嚴重，且需要注入更多的冷媒，另傳輸載能介質(zhì)的風管或水管在平面布置中盡可能地平直也是能減少沿途能量損失的重要措施。

室內(nèi)氣流組織形式的節(jié)能特性主要體現(xiàn)在不同氣流組織形式對空調(diào)效率的影響，在設計過程中，通過對空調(diào)系統(tǒng)的具體服務對象（人或者設備等）進行分析，選擇合適的送回風形式，使服務對象工作、活動區(qū)域能獲得穩(wěn)定、均勻的風速場、溫度場、相對濕度場，而空間其他區(qū)域可適當降低空調(diào)負荷，從而達到節(jié)能降耗的目的。

另一個值得關注的方向就是建筑被動節(jié)能技術的應用[3]，最突出的例子就是被稱為建筑物免費空調(diào)的“太陽煙囪”，這項技術在很多生態(tài)建筑中得到應用，根據(jù)熱空氣自然上浮的“煙囪效應”，利用建筑物的室內(nèi)中庭或幕墻內(nèi)側(cè)夾層開放空間形成一個“煙囪”，在吸熱單元吸收日照后，開放空間內(nèi)空氣受熱增溫，熱空氣從“煙囪”頂部排出，“煙囪”底部形成低壓區(qū)，吸引室外新鮮的涼風自然流入室內(nèi)形成循環(huán)。

圖1由KPF事務所設計的西班牙馬德里恩德薩公司總部中心,其室內(nèi)中庭應用了“太陽煙囪”效應，上部空氣吸收太陽輻射熱，從頂部通風口逸散，通過地下通道冷卻的空氣從中庭下部補充進室內(nèi)，實現(xiàn)室內(nèi)空氣自然調(diào)節(jié)。

（3）建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）智能群控技術的應用

以水系統(tǒng)中央空調(diào)為例，常用的HVAC集中控制系統(tǒng)采用自適應控制方法，通過采集室外溫濕度參數(shù)、末端負荷參數(shù)、空調(diào)冷熱源水系統(tǒng)溫度、壓力、流量、負荷、冷熱量等多種變化參數(shù)，動態(tài)控制冷水機組、鍋爐的啟停臺數(shù)和加減載，使機組的制冷、制熱能力與系統(tǒng)負荷相匹配，同時利用變頻調(diào)速技術調(diào)整熱水泵、冷凍水泵及冷卻水泵電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)管路水流量調(diào)節(jié)，還可以調(diào)整冷卻塔啟停臺數(shù)及通過變頻調(diào)速實現(xiàn)冷卻塔風機的加減載。

近年人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展為建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）集中控制技術的升級迭代創(chuàng)造了條件，目前已有模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡控制方向的探索，智能化模糊控制技術通過對系統(tǒng)采集的運行相關參數(shù)模糊化處理，建立模糊規(guī)則并進行推理和篩選，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可指導管理人員對設備進行分級管理，可根據(jù)系統(tǒng)負荷和環(huán)境等的變化自動尋優(yōu)，主要用能設備可實現(xiàn)長期處于低速狀態(tài)下平穩(wěn)運行，設備基本上能做到按需所供，時刻確保空調(diào)系統(tǒng)處于高效工作狀態(tài)[4]。而利用長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡技術（LSTM）可以構(gòu)建出較為準確的HVAC系統(tǒng)能耗預測模型[5]，LSTM模型隨著預測時間的推移具有良好的預測穩(wěn)定性，在考慮數(shù)據(jù)的時序性和非線性的前提下，可以從歷史數(shù)據(jù)中得到很多有用的信息，有效地提高預測能力，在提高HVAC系統(tǒng)整體運行能效方面的潛力不容忽視。

2.2 建筑電氣節(jié)能技術探討

（1）配電系統(tǒng)的常見節(jié)能措施

建筑物配電系統(tǒng)在運行過程中，電氣設備產(chǎn)生的無功能耗及電能傳輸過程中線纜發(fā)熱損耗是配電系統(tǒng)主要的能量損失，在電氣設計過程中通常采用以下措施較少電能損失：

在選擇變壓器時，通過對建筑物的用電設備負荷情況的充分了解，合理選擇變壓器的臺數(shù)和功率，每臺變壓器所分配的負荷應與變壓器的容量相匹配，確保變壓器能在較高的功率因數(shù)下運行，選擇節(jié)能高效的變壓器設備，對整個變配電系統(tǒng)進行無功補償，減少配電系統(tǒng)的無功損耗，同時也可以相應減小變壓器的設計容量。

在布置配電房的位置、配電小間的位置時，需考慮配電房到各配電小間，配電小間到各用電設備的供電半徑，使供電線路路徑最短，選擇電阻相對較小的線纜產(chǎn)品，合理選擇線徑，在電纜路徑布置時盡量平直，均可通過減小線纜電阻實現(xiàn)電能傳輸損耗的減小[6]。

（2）照明節(jié)能設計

現(xiàn)代建筑在其功能和舒適性方面越來越完備，對室內(nèi)光環(huán)境的要求也更多樣化，不同的功能區(qū)、不同的人群對室內(nèi)光照條件有著不同的要求，照明的節(jié)能設計需要在確保照明質(zhì)量的前體下，對照明系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高照明系統(tǒng)的效率。

選擇合適的光源對提高照明效率有著重大意義，根據(jù)現(xiàn)行照明設計規(guī)范，在照明設計過程中應考慮照明的功率密度（LPD值）的強制性要求，所以一般不宜采用白熾燈和粗管熒光燈等低效燈具，通常普通照明可以選用緊湊型熒光燈、細管熒光燈（T5）等較經(jīng)濟的高效燈具，如條件允許可以選用LED光源的燈具，LED燈具有更高的節(jié)能性能及使用壽命，對于一些高大空間，則可采用高光效、顯色性佳的金屬鹵素燈或高壓鈉燈，而無極燈因其高光效、長壽命、高顯色性是目前最有發(fā)展前景的綠色節(jié)能照明光源。

照明的控制也關系到建筑物照明系統(tǒng)的整體能效，通常對于建筑物內(nèi)的公共空間，可以采用生物感應延時開關、聲控延時開關等節(jié)能開關，也可以采用定時控制，條件允許的情況下可以采用智能照明控制系統(tǒng)，結(jié)合使用者使用習慣、建筑物具體運營、室內(nèi)自然采光等情況設置控制程序，使照明系統(tǒng)自動、高效地運行，提高能源的使用效率，同時還可以減少管理人工成本。

2.3 基于整體設計理念的設備工程節(jié)能設計探索

整體設計就是要求在建筑設計過程中要持有整體思維,既要考慮建筑物及其所處環(huán)境的整體性，也要考慮建筑物的整個生命周期，綜合考慮建筑的構(gòu)造形式、建造技術、藝術表達、人文環(huán)境、生態(tài)友好等要素，實現(xiàn)經(jīng)濟效益和社會效益最大化[7]。

基于整體設計理念，建筑環(huán)境與設備各系統(tǒng)的節(jié)能降耗策略可以通過與建筑專業(yè)設計統(tǒng)籌，在保證建筑整體效果的前提下，還能實現(xiàn)良好的節(jié)能降耗效益。比如增加建筑物圍護結(jié)構(gòu)的絕熱性能可以減小室內(nèi)空調(diào)冷（熱）負荷，可以減少空調(diào)設備功率；增大開窗面積和透光屋頂?shù)脑O置可以增加室內(nèi)自然采光，可以減少照明設備的投入；通過一體化設計，將光伏系統(tǒng)與屋頂或幕墻結(jié)合，將垂直軸風機發(fā)電系統(tǒng)融入建筑物造型，既不影響建筑外觀效果，又可利用可再生能源。這些都是整體設計理念與環(huán)境友好建筑理念的完美結(jié)合，也為未來綠色建筑設計指明了方向。

結(jié)語:

減少碳排放是我們每一個人的責任和擔當，減少建筑能耗對于我國早日實現(xiàn)“碳達峰，碳中和”有著舉足輕重的作用，而減少建筑物能耗的關鍵在于減少建筑環(huán)境設備系統(tǒng)的能源消耗。通過提升建筑環(huán)境設備系統(tǒng)運行效率，運用被動節(jié)能技術減少設備投入，促進可再生能源的應用，從長遠來看不但能帶來很好的環(huán)境效益，同時也能帶來可觀的經(jīng)濟效益。