建筑設計階段暖通空調系統運行碳排放預算分析

奚丈羽

摘 要：在倡導綠色建筑的當下，暖通空調系統因其排放溫室氣體的優勢，得到了建筑設計行業的高度關注。基于此，結合理論與實例，著重探討了如何在建筑設計階段預先估算暖通空調系統的碳排放量，由此評估節能減排效果，調整節能措施，從而設計出更加高質量的綠色建筑。

關鍵詞：建筑設計；暖通空調系統；碳排放；估算

中圖分類號：TU83? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：2096-6903（2023）05-0107-03

0 引言

我國于2020年正式提出了力爭在2030年達到碳達峰，2060年達到碳中和的雙碳目標[1]。此種背景下，作為能源消耗大戶的建筑領域應當積極響應號召，從設計階段就著手設計能夠有效降低能耗、控制溫室氣體的設計方案。暖通空調是建筑項目中主要的能耗使用及排放溫室氣體的系統，以辦公建筑為例，大約可占65%（見圖1），這和發達國家近年來得到了建筑設計領域的重視，成為建筑節能減排的一項設計重點。

1 暖通空調系統節能設計的必要性

近年來我國經濟發展迅速，但能源問題與環境問題也變得更加尖銳，這是影響我國可持續發展的一個重要因素。近年來我國的溫室氣體排放量逐年增加，具體如圖2所示。基于此，國家提出了雙碳目標，倡導各行業降低能源消耗，減少污染排放[2]。建筑行業作為高能耗行業，也積極響應國家號召，提出了綠色建筑的全新設計理念。綠色建筑就是針對建筑各耗能、排放溫室氣體的環節，加入節能減排的設計思路。

暖通空調系統主要是為建筑提供空氣調節、供暖、通風等作用，以達到建筑室內所需的溫度和濕度。而隨著我國經濟建設的快速發展，建筑工程建設的規模也越來越大，暖通空調系統也隨之增加。建筑暖通空調系統是建筑中一個高耗能部分，且建筑的溫室氣體也主要是由暖通空調系統所排放，因此這一系統就成了綠色建筑的一項設計重點[3]。如果不采取節能設計措施對暖通空調系統進行節能設計，那么勢必會造成巨大的能源消耗，極大增加碳排放量。

在暖通空調系統中進行節能設計非常必要。站在節能環保的角度，在建筑設計階段，應針對暖通空調的設計方案預算估算碳排放量，評估節能減排效果，根據計算結果調整暖通空調系統方案，直至達到最佳節能減排效果，從而降低能源消耗，減少溫室氣體排放，為國家節能減排的戰略規劃獻一份力。

2 設計階段暖通空調系統碳排放的預先估算

2.1 碳排放的主要構成

在建筑空調系統中，包括冷熱源、輸配系統以及末端設備等幾部分組成，這也是產生溫室氣體的主要來源。空調系統的碳排放屬于建筑碳排放量的內容，具有包括以下3方面構成（見表1）。

2.1.1 熱源

這部分碳排放主要來自制冷機組，如果是電制冷機組，則主要是電力系統和制冷機排放溫室氣體，如果是吸收式制冷機組，則是主要是燃氣、熱力等方面排放溫室氣體[4]。此外，換熱站的熱力系統也會產生溫室氣體，冷卻塔的電力及供水系統、鍋爐的電力及燃氣等也都會產生溫室氣體，帶來碳排放。

2.1.2 輸配系統

輸配系統中包括各類循環泵，冷水循環泵、熱水循環泵以及冷卻水循環泵的電力系統，運作過程中會產生碳排放。此外，定壓補水泵的電力系統、供水系統也都會產生碳排放[5]。

2.1.3 末段設備

末段設備的空氣處理設備、通風設備以及紅外線輻射裝置，都會在電力系統、燃氣燃油過程中產生碳排放。

2.2 暖通空調碳排放計算

設計階段對于建筑暖通空調的碳排放量計算，按照《建筑碳排放計算標準》GB/T51366-2019中的碳排放因子法，根據下列公式（1）（2）來計算：

（1）

（2）

式中：Ei為第i類能源的平均年消耗，單位為kW；EFi為第i類能源的碳排放因子；Ei，j為j類系統中第i類能源的消耗量，單位為kW/a；ERi，j為j類系統所使用的可再生能源能夠供應的第i類能源總量，單位為kW；i為系統運行消耗的能源種類，如電力、燃油、熱力以及燃氣等；j為系統設備的類型，包括前文提到的各種類設備；y為設計的使用壽命；Cp為碳匯固碳能力。碳匯就是碳排放總量經過土壤吸收、制備吸收、自然界植物光合作用后所形成的結果，也就是碳排放到自然環境中被吸收的溫室氣體量。

建筑周邊會種植綠色植物，達到吸收溫室氣體的作用，主要是草地、灌木等為主[6]，但這些植物的碳匯固碳力較低，僅是0.021t/（hm?·a）CO2。因此在具體計算時對Cp忽略不計。在一般建筑暖通空調系統中，所使用的能源基本都是不可再生能源，通過可再生能源供應的能量則基本沒有[7]，因此ERi，j為0。所以將Cp及ERi，j忽略不計，可將公式（1）（2）簡化為：

（3）

式中：CMH為建筑暖通空調系統在運行過程中的碳排放量；EFi為第i類能源的碳排放因子，單位為kW/a；Ei，j為j類系統中第i類能源的消耗量，單位為kW/a。i為系統運行消耗的能源種類，如電力、燃油、熱力以及燃氣等；y為設計的使用壽命。

根據公式（3）進行計算，暖通空調各分系統的能耗查詢《建筑碳排放計算標準》GB/T51366-2019中對應的碳排放因子，得出各系統的碳排放量，忽略設備使用過程中因為設備受損導致耗能增加而所引起的耗能波動。

2.3 暖通空調的計算

要想明確暖通空調在運行過程中的碳排放構成，當系統在滿負荷運行下，可以根據以下公式計算各建筑暖通空調系統的能耗。

2.3.1 制冷機組能耗能耗計算

（4）

式中：Pc，n是制冷機組額定輸入功率，單位為kW；τ E，c為制冷當量滿負荷的運行時間，單位為h。

2.3.2 鍋爐能耗計算

鍋爐能耗計算如式（5）（6）（7）所示：

（5）

（6）

（7）

式中：LR，N為制熱額定的燃氣能耗量，單位為Nm?/h；mR，N為制熱的額定燃油能耗量，單位為kg/h；PR，N為自熱的認定熱力能耗量，單位為kg/h；τE，R為制冷當量在滿負荷狀態的運行時間，單位為h。

2.3.3 冷卻塔能耗量計算

冷卻塔能耗量計算公式如式（8）所示：

（8）

式中：TCT為冷卻塔在設計工況下累積的運行時間，單位為h；PCT，n是冷卻塔的額定功率，單位為kW。

3 暖通空調系統碳排放預算的實例分析

3.1 案例暖通空調系統的設計方案

以位于河南省的某辦公建筑設計為例，該建筑屬于高層建筑，建筑總面積為802 000 m?，地下1層，地上20層，為鋼筋混凝土結構，總高度為60.4 m。建筑暖通空調系統共包括夏季空調系統、冬季供暖系統、通風系統。

3.1.1 夏季空調系統

本工程的夏季空調系統以集中式的螺桿機組作為集中冷源，并配有冷卻塔、冷凍水循環水泵、冷卻水循環水泵、空氣處理設備等。在每年的6月到9月啟動運行，每日運行時間在08：00～18：00。

3.1.2 冬季供暖系統

本工程設計的冬季供暖系統為市政24 h供熱，配有循環熱水泵，從每年12月1日啟動運行直至2月末結束。建筑內部循環熱水泵工作時間為08：00～18：00。

3.1.3 通風系統

本工程設計的通風系統包括通風系統、設備機房通風系統以及衛生間通風系統，以及每層2套的新風系統。運行時間各有不同。通風系統為全年運行，運行時間為每天的08：00～18：00。設備機房通風系統全年運行，每日07：00開啟，20：00關閉。新風系統及衛生間通風系統全年運行，每日08：00～18：00開啟。

3.1.4 設計方案總結

根據上述設計方案可以得出，建筑暖通空調系統的夏季運行時間共計1 220 h，冬季運行時間共計920 h，通風系統運行時間共計3 340 h，倉庫通風系統的運行時長共計5 088 h，設備機房通風系統的運行時長共計4745h，衛生間通風系統運行時長共計3 340 h，τ E，R 為976 h，τ E，C為736 h。

3.2 暖通空調系統能耗計算

按照公式（4）至（8），并查詢《建筑碳排放計算標準》GB/T51366-2019中對應的碳排放因子，分別計算各暖通空調系統的能耗，具體情況如下。

第一，在夏季空調系統中，集中式螺桿機組的年累計功率計算結果43 724.82 kW，燃氣量的年用量是476 289 m?，冷卻水及冷凍水循環泵的年功率分別是42 944 kW及72 224 kW，冷卻塔的年功率是72 224 kW，空調系統的空氣處理設備年功率是679 910.89 kW。

第二，在冬季供暖系統中，熱水循環泵年功率是27 232 kW，供暖系統的空氣處理設備年功率是93 254.15 kW。

第三，在通風系統中，通風系統的年總功率為47 433.43 kW，倉庫通風系統的年總功率為569 957.75 kW，衛生間通風系統及新風系統的年總功率為1 202.41 kW。

3.3 建筑暖通空調系統碳排放計算

結合上述結果，本建筑設計方案的暖通空調系統碳排放量計算結果如下。

在夏季空調系統中，集中式螺桿機組的年碳排放量是2 301.42 kg，冷凍水循環泵年碳排放量是57 851.39 kg，冷卻水循環泵的年碳排放量是34 398.12 kg。冷卻塔的年碳排放量是57 851.41 kg，夏季空調系統的空氣處理設備年碳排放量是544 608.57 kg。

在冬季供暖系統中熱水循環泵的年度碳排放是21 812.83 kg，供暖系統中的空氣處理設備年碳排放量是74 696.58 kg。

在通風系統中，通風設備的年碳排放量是37 994.18 kg，通風的年碳排放量是456 536.22 kg，衛生間通風系統與新風系統的年碳排放量是963.12 kg。

根據碳排放預算結果可以看出，在夏季空調、冬季供暖以及通風系統中，以通風系統和夏季空調系統的每年碳排放量最高。其中夏季空調系統的碳排放量最高，可達總碳排放量的40%，通風系統則占總探排放量的30%。因此根據計算結果，需要在建筑設計階段著重從空調系統和通風系統入手，從節能減排的角度優化設備選型、方案設計，尤其關注是空調制冷系統的制冷主機選型、通風系統的風機效能，達到節能減排的設計目標。

4 結束語

暖通空調系統是建筑碳排放的主要部分，在建筑設計階段要參照GB/T51366-2019《建筑碳排放計算標準》分別對夏季空調系統、冬季供暖系統以及建筑通風等碳排放量進行預先估算，根據計算結果找出設計方向和重點，從節能減排的角度制定更具針對性的設計方案，從而打造出更高品質的綠色建筑精品工程。

參考文獻

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[2] 趙奕瑄，陶寒冰，任邦華，等.高層建筑暖通空調系統設計探討[J].科技資訊，2022，20（12）：83-85.

[3] 齊亞茹，任美桃.暖通空調設計在綠色建筑中的運用[J].四川水泥，2021（9）：109-110.

[4] MetsaEerola Iivo，Pulkinen Jukka，Niemitalo Olli.On Hourly Forecasting Heating Energy Consumption of HVAC with Recurrent Neural Networks[J].Energies，2022，15（14）：1-20.

[5] 郝亮，李秋菊，耿永偉，等.北京市某辦公建筑裝修改造項目暖通空調設計[J].建筑熱能通風空調，2021，40（7）：97-99+88.

[6] 高曉明.暖通空調節能技術控制與施工探索[J].智能城市， 2021，7（8）：159-160.

[7] 蘇道林，王后帥.高層建筑暖通空調設計常見問題及措施探析[J].城市住宅，2020，27（11）：183-184.