綠色建筑暖通與給排水設計節能措施探討*

宗 梁

(山東華邦建設集團有限公司 山東 濰坊 262500)

暖通系統負責建筑物采暖以及空調通風,給水系統要將市政供水從地面送到高層場所內,這些建筑物附屬系統都屬于高能耗單元,在綠色建筑設計中需對暖通系統和給排水系統的節能水平開展深入研究,采用節能型設備、節能型技術。

1 綠色建筑暖通空調系統節能設計

供暖通風節能設計是綠色建筑的重要特征,國家也出臺了一系列規范用于指導建筑物暖通系統的設計,現行規定包括JGJ173-2009供熱計量技術規程、GB50189-2015公共建筑節能設計標準、GB50736-2012民用建筑供暖通風與空氣調節設計規范等,暖通節能設計需符合以上規范。

1.1 影響暖通系統能耗水平的關鍵設計因素

1.1.1 室內設計溫度取值

這一參數指的是建筑物在冬季取暖時的供暖設計溫度以及夏季室內供冷時的設計溫度。建筑物供暖和供冷的實現方式上存在差異,前者主要依靠集中供暖,以熱水為熱源。室內供冷設計大多是針對公共建筑而言。結合工程實踐的經驗,冬季室內供暖溫度每提高1℃,整體能耗將增加5%～10%,夏季室內溫度每多降低1℃,整體能耗將增加8%～10%。由此可見,在設計建筑物供暖或者供冷溫度時,需采用合理的計算溫度,否則將會從設計層面增加能耗水平[1]。例如,部分省份要求冬季采暖溫度不可超過20℃,公共建筑夏季室內集中供冷時溫度不可低于25℃。

1.1.2冷熱負荷計算

這一指標的設計取值直接影響到建筑物冷熱源裝機容量、管道直徑、水泵功率以及末端設備功率等,設計取值過小難以滿足使用需求,設計取值過大又會造成以上幾個方面的工程設備整體偏大,一來增加了設備后期運行的成本,二來設備的采購單價也會因此而增加,導致能源浪費和造價過高。有些設計人員計算冷熱負荷時過于死板,不能結合項目實際情況做出有效的調整,有可能導致計算符合過大的問題,此時也會在設計層面增加能耗[2]。

1.2 采暖系統節能設計

1.2.1 采暖系統節能設計的基本原則

(1)采暖系統要盡可能實現各空間內溫度的獨立調節,例如,當前的住宅建筑可實現以戶為單位獨立采暖,未來可朝著房間獨立采暖而努力。

(2)實現分戶、分室、分區熱量分攤的功能。對于空間距離較近的區域,可以實現熱量分攤,防止其過度供熱。

(3)減少熱量出口的數量。建筑物采暖設計不僅僅涵蓋供暖系統本身,建筑基礎也是非常關鍵的因素,在設計建筑物內外部結構時要減少門窗等熱量出口的數量。

(4)系統在結構形式上推薦采用雙管設計。

1.2.2 采暖系統形制

(1)此處以市政集中供熱方式為主要探究對象,集中供暖是由市政熱力公司供應熱水,經管路送入住宅建筑或者公共建筑,顯然從熱水源頭到供暖目標的管路長度越短,熱損失就越少,因此,建筑物室內供暖推薦采用垂直雙管,垂直管路用于熱水入戶,可減少路程上的熱量損失,有些用戶公用相同的立管,為了實現不同用戶的獨立供熱,提升供熱的靈活性,其熱水循環系統要分開,當用戶無需供熱時可切斷其熱水管路,這是實現節能的重要措施[3]。

(2)供暖系統選型。目前主流的供暖系統包括低溫熱水地面輻射供暖系統、放射式系統、下分式水平雙管系統、下供下回全帶跨越管的水平單管系統等,其適用場景存在細微差異。目前新建的住宅建筑大多采用空間占用更小的低溫熱水地面熱輻射供暖系統,也就是俗稱的地暖。地暖的節能設計在于管路的密度。如果管路密度過高,會造成能源浪費,并且使用體驗也相對較差(如溫度過高),在內建筑設計中應合理計算室內供暖的溫度取值,并科學設計的暖熱水管路的密度。表1統計了常見供暖系統及其適用范圍。

表1 常見供暖系統及其適用范圍

1.3 空調系統節能設計

1.3.1 空調冷凍水系統節能設計

該系統的主要作用是將主機蒸發器產生的低溫冷凍水送入室內空間,進而實現熱量交換,冷凍水通過管道循環,帶走室內的熱量,系統中除了管道之外,還包括冷凍泵,其作用是產生管道內水循環的動力。空氣要經過冷水管道才能實現熱量交換,系統中依靠室內風機將空氣吹到冷水管道處。冷凍水經過管道帶走室內熱量之后,溫度有所上升,最終流入到主機蒸發器,成為回水,以上便是冷凍水系統的工作原理。冷凍水系統的能耗主要來自提供動力的冷凍水泵以及實現室內空氣流動的室內風機,因為這些設備都要使用到電能。以冷凍水泵的節能設計為例,水泵可分為定頻和變頻兩種,變頻水泵在工作時可根據負荷變化自動調節工作頻率,達到降低水泵運行能耗的作用,當系統中存在多臺水泵時,可根據進水溫度調整水泵開啟的臺數,以設計閾值為標準,達到或接近時水泵全開,進水溫度較低時可關閉一臺水泵[4]。

1.3.2 空調冷卻水系統節能設計

冷凍水從室內循環出來之后溫度會上升到一定程度,原因是其帶走了室內的熱量,但冷凍水的循環作用,因而其溫度始終較低,其帶走的熱量經由主機制冷劑傳遞給冷卻水,冷卻泵將吸熱升溫后的冷卻水送入冷卻塔,使其自然降溫,之后再送回冷凝器。空調冷卻水系統的核心設備是冷卻水塔和冷卻泵,管道起到輸水作用。從節能角度看,冷卻塔中的水吸收了熱量,溫度較高,如果使其在塔內與空氣熱交換降溫,那么這些熱量就流失到自然界,未能被利用。因此,在節能設計中要對這一部分能量進行回收利用,推薦采用空調冷卻水全熱回收技術,辦法是設計一個具備熱回收功能的冷凝器,使其取代傳統的冷凝器。

2 綠色建筑給排水系統節能設計

2.1 以分區供水方式節能

建筑物主要依靠市政供水獲取水源,而市政供水的壓力通常在0.2～0.4 MPa,這種壓力只能滿足4～6層的供水壓力需求,居民住宅建筑的高度大多在7～32層,城市中還存在一定數量的超高層建筑,市政供水的壓力難以滿足高層及超高層建筑的全部供水壓力需求,因而6層以上通常要進行二次加壓。顯然這一過程中使用電力機械設備對水加壓,使其克服重力作用,以一定的壓力進入住戶家中,二次加壓會造成較高的能耗,為了進一步提升二次加壓的精確控制,降低其節能效果,應采用分區供水方式實現節能。其原理是凡市政供水可滿足供水壓力的樓層,一律采用市政供水,將市政供水的壓力充分利用起來。

對于市政供水壓力不足的樓層,以分區二次加壓的方式供水,至于要分成多要區段,則要結合建筑物的整體高度來確定,通常住宅建筑7～19層采用二次加壓,19層以上的采用三次加壓。分區加壓供水不僅考慮到了能耗的問題,還有利于節約水資源,因為技術上完全可以利用一次加壓達到供水壓力需求,但靠近加壓設備的低樓層會因此而出現超壓的現象,其水流速度過快,造成水源的嚴重浪費,合理設置分區樓層可在很大程度上避免這一問題[5]。

2.2 采用節能型給水加壓設備

二次加壓作為建筑中高層給水系統的關鍵設計環節,其能耗控制直接決定了給排水系統的節能設計,除了分區供水之外,還要提高給水加壓設備本身的節能效果。

從原理上看,二次加壓系統的主要設備包括生活水箱,通常設計在地下室內,然后以水泵加壓的方式將其送入住戶家中,水泵是主要的能耗設備,宜采用變頻式水泵。另外,隨著技術的進步,無負壓供水方式成為當前高層建筑二次供水的主要方式,此類設備的水源為市政管網,也就是直接將無負壓供水設備與市政管網連接在一起,管網本身具有一定的余壓,可將這種余壓與供水設備產生的壓力疊加使用,進而實現節能供水。無負壓供水方式的特點是根據二次供水的壓力缺口靈活的產生壓力,達到了“差多少、補多少”的效果,并且此類設備為全密封結構,不會污染水源[6]。

2.3 排水系統節能設計

建筑排水系統通常無需設計動力加壓設備,依靠重力作用即可實現有效的排水,因而其能耗水平并不高,但需要注意的是污廢水管道,此類排水管道中存在一定量的廢物、污物,有可能引發管道堵塞的問題,如果設計不合理,后期使用過程中需經常性地疏通管道,造成一定的能源和資金消耗。在設計廢污水管道時應就近排放,否則較遠的排放點會造成風險,有可能產生加壓需求,提升能耗要求。

3 結語

建筑暖通空調系統和給水排水系統的節能設計是綠色建筑設計的重要環節,暖通系統主要包括建筑物采暖和空調通風兩個部分,其節能設計的重點是室內溫度取值、冷熱負荷計算、節能型設備應用以及余熱回收等。給水系統節能設計的受到建筑物高度、市政供水壓力等因素的影響,通常采用二次加壓和無負壓供水技術實現節能控制,在排水系統設計中要全面利用重力排水技術,尤其要重視廢污排放點的就近設計。