“雙碳”背景下暖通空調節能技術精細化設計分析

許浩 王爭利 王鵬飛 王興龍

中聯西北工程設計研究院有限公司 陜西 西安 710000

引言

2020年，我國正式宣布了“碳中和”、“碳達峰”的“雙碳”目標。在此背景下，建筑行業應積極響應國家號召，堅持以綠色施工為核心原則，為我國節能、降耗的“雙碳”愿景提供助力。暖通空調系統在建筑工程中的能耗占比極高，常見的大型公共建筑中，其暖通空調系統的能耗占比可達建筑整體能耗占比的30%～50%。因此，完善暖通空調節能技術的設計，優化節能技術的合理應用，以精細化設計，降低建筑暖通空調系統能耗極有必要。

1 建筑暖通空調節能設計的原則

1.1 節能原則

顧名思義，建筑節能型暖通空調系統設計時，必須要遵循節能性原則，堅持綠色施工理念，在保障該建筑基礎功能性需求的基礎上，提升建筑的節能效果。設計師必須要充分考慮到建筑所在地氣候環境、氣溫、空氣濕度等客觀因素對該建筑暖通空調運行能耗造成的影響，并對該系統的設計做出針對性調整，實現“因地制宜”式的暖通空調節能系統設計。

1.2 需求原則

建筑暖通空調設計中節能技術的應用，必須要建立在滿足業主對該建筑節能功能的基本需求之上[1]。因此在設計時，設計師必須要遵循需求原則，考慮到該建筑的宜居度，最大限度滿足人們的現實需求，為人們提供更加舒適的生活或工作環境。

1.3 整體、局部原則

建筑工程的暖通空調系統設計時，每個模塊甚至每個房間的控制系統都應該是互相獨立的，因此在設計時，要正確處理整體與局部之間的關系，以此保障暖通空調系統的功能。

1.4 空氣質量控制原則

建筑的暖通空調系統不僅要具備保溫功能，還要精準控制系統的輸送風量，以此控制建筑內部的空氣質量，因此系統設計時，應注意優化空氣質量控制模塊的性能，在盡可能節約系統能耗的基礎上，保障建筑內的空氣質量。

2 暖通空調系統節能技術的精細化設計

以某地醫院建筑的暖通空調系統項目為例。

2.1 樓宇控制系統

該系統使用樓宇自控系統（即BA系統）的自動檢測、智能化控制功能，對該建筑內部所有的空調設備、通風設備、冷熱源設備、給排水系統、照明設備、供配電系統及其下搭載的所有重要電力設備進行全過程監管。BA系統可以降低系統運行能耗，并收集各個子系統在運行過程中的全部數據，在初步整理后，匯總收集在數據處理端口，也能夠在特殊環境下或某一系統數據異常時，及時察覺并做出預警，可以在保障運行效率的同時，最大限度地節約能源、人力等成本，并保障各設備、子系統的安全運行，還能有效延長設備的使用壽命，可以進一步降低因設備故障、損壞造成的資源浪費[2]。

2.2 氣體監控報警系統

2.2.1 冷源系統： 該醫院冷水機房監控系統的控制功能獨立于BA系統存在，此時BA系統只接受該冷水機房控制系統上傳的信號，不會干預或控制該系統的運行。冷源系統可以對冷卻泵、冷凍泵、冷卻塔、冷水機組與閥門等各個重要節點的運行狀況，實施自動化監控，確保各設備能夠按照要求及規范順序執行啟停命令，并監測系統下各設備的實時運行情況，遇到故障或數據異常時可自動報警。冷源系統上傳的信號包括目前制冷系統的實時運行狀態、故障報警信號、啟停程序配置、群控控制機組運行及運行過程中的能耗累計，另外也包括冷水系統、各處的回水/出水口溫度、水壓監測信號、冷凍泵與冷卻塔風機的實時運行狀態顯示。

2.2.2 新風機組：考慮到不同季節、晝夜溫差、日空氣質量需求等指標，擬定不同情況下的運行計劃及節能運行控制程序，實現自動化風機啟停控制，同時監測新風機組當下的運行情況，完善故障檢測，并制定定時維修計劃以及定時維修提示程序。節能運行控制程序還應具備自動調節電動水閥開度的功能，確保新風機組的送風量、送風溫度始終處于標準范圍內。

2.2.3 送/排風系統：根據預設時間及空氣質量指標，自動控制送/排風系統的啟停，監測送/排風系統的實時運行狀態，并具備故障報警功能，另外，可實時檢測目標區域的實時空氣質量，可顯示一氧化碳、二氧化碳等影響空氣質量的氣體濃度。控制系統還需要統計送/排風機組的實際工作時間，并設置定時維護程序[3]。消防兩用送/排風機的控制由BA時間程序管理，遭遇火警時，優先控制權為消防控制室，并與防火閥報警系統聯動。

2.3 空調及供暖系統

2.3.1 傳染病院病區。新風系統設計時，將傳染病院病區劃分為污染區、半污染區與清潔區3個大分區，隨后在病院每一層的3個分區內，分別設置獨立的新風機組與排風系統，并使用在單獨區域獨立設置的壓差控制器，控制該區域內的新風系統與排風系統，并根據該區域目前狀況，自動調節區域的實時排風量。清潔區、半污染區及污染區房間內壓力設計應以梯度呈現，壓力數值依次降低，分別為+10Pa、-10Pa、-20Pa。通過BA系統，實時監測室內的清潔程度、空氣含菌量及含病毒濃度，并適時調節該區域的送/排風計劃。在某病房含菌量或含病毒濃度超標時，應及時預警提醒工作人員[4]。

在取新風量值時，需要劃分為呼吸類與非呼吸類，呼吸類應新風6次換氣次數取值，非呼吸類則需按3次換氣次數取值，負壓隔離房則應按照12次換氣次數取值。在設計新風排風量時，根據醫院的需求，將最小排風量定為150m3/h，或始終保持負壓隔離病房所需風量的最大值。

送風口需設置在每個病房的上部，送風口的風速不得超過1m/s，排風口則設置在病房的下部，且排風口與地面的距離應超過0.1m。

負壓隔離病房內，使用全新風直流式空調系統。負壓隔離病房以外，所有區域的排風系統主管道和總送間加設了可單獨關閉的電動密閉閥，便于工作人員定期對某一病房單獨消毒。

為突出傳染病防暖通空調系統的節能效應，在傳染病樓區域設置了分體式顯熱回收系統，同時，在非空調使用季，新風系統僅具備送風功能，不處理空氣。

呼吸類傳染病區域與負壓隔離病房相對特殊，送風需通過三層過濾器方可進入室內，排風時通過高效過濾器系統處理后，于高空排放。

冬季供暖以散熱器為主，熱力入口在單體首層的空調機房內部。

由于醫院位置處于嚴寒地區，門廳及醫院街采用地暖系統，使用混水器將供暖水溫降低供給地暖系統。

2.3.2 綜合醫院院區。綜合醫院區的空調系統，全部使用風機盤管加新風的形式，做兩管制系統。夏季水供、回水溫度為7/12℃，冬季則為60/50℃。

暖通空調系統中的水系統管路選用同程、異程結合的設計模式，每一層的水平干管和每一環路的回水總管上，都設置了同樣的自力式壓差控制閥，用以調控各層暖通空調系統中水系統管路的實時水量，保障每層的空調水量平衡。

雙位式、常閉型的電動二通閥與具備節能效應的中央空調控制器，共同組成了傳染病院病區的風機盤管控制系統[5]。

暖通空調送風口處選擇了雙層鋁合金百葉的設計，而在回風口處，選擇了自帶濾網的可開式單層鋁合金百葉。

傳染病院病區的新風系統相同，綜合醫院院區的新風系統也設置了分體式顯熱回收系統，提高節能效果。綜合院區的新風系統按兩次換氣次數取值，送風機組以組合式空調機組為主，同樣的，該機組在非空調使用期僅送風，不處理空氣。

綜合院區的新風采集口與風機盤管回風口處，設置了非通電型的駐極式靜電過濾網，并將終阻力控制在30Pa以內。經調試后，將其微生物通過率控制在10%以內，顆粒物一次通過率控制在5%以內，PM2.5的一次性有效過濾率則必須超過70%。

本次暖通空調節能系統設計時，還特別將綜合院區的新風系統與二氧化碳濃度的檢測裝置整合，突出聯合作用。

2.3.3 后期辦公區。科研行政樓及后勤綜合樓使用了多聯式新風機，新風外機設于屋面，新風機組的送風量設定為30m3/（hx人）。同樣，非空調使用季僅送風，不處理空氣。新風機入口裝有過濾器、消殺裝置、凈化裝置，過濾器凈化標準為PM10≤0.15mg/m3。冬季以散熱器供暖，供/回水溫度為65/40℃。

2.3.4 發熱門診。發熱門診使用多聯式空調機組，新風系統則使用了空氣處理機組。夏季與冬季的冷凍水供、熱水供、回水溫度與其他區域相同。新風量取值、新風系統過濾標準參數均與綜合院區相同。發熱門診醫生區域應始終保持正壓，患者區域則需始終保持負壓。冬季散熱器供暖供/回水溫度為65/40℃。

2.4 供暖、空調室外工程

熱源中心設置在地上一層的獨立單體內，制冷站房及板式換熱機組則設置在地下一層的車庫內。熱源中心位于院區北側，一次熱媒溫度為75/55℃。

制冷站房內配有四套板式換熱集成機組，一次熱媒將借助管溝引至該機組，換熱集成機組可將一次熱媒轉換至不同溫度，使其服務各個區域。其中空調熱負荷供應為1800kW，二次測供的回水溫度為60/50℃，生活熱水供應為1800kW。二次測控的回水溫度為60℃，并與空調熱負荷，同時接入獨立的室外管網。日常情況下，空調新風的熱負荷供應為3723kW，二次側供回水溫度為60/50℃，接入制冷站房內部設置的分、集水器。散熱器熱負荷供應為3108kW，二次測供回水溫度為65/40℃，一并接入室外獨立管網。

制冷機組的冷媒溫度為7/12℃，接入制冷站房內分機后，在二者之間設置了電動壓差旁通閥組，以維持夜間部分負荷狀況下的系統運行。分、集水器的設置，根據該醫院的白天負荷區及全天負荷區劃分為四大環路，白天負荷區主要集中于門診區域，而全天負荷區域則集中于急診與住院區域，四大環路如下：第一，門診風機盤管的供水、回水管。第二，門診空調箱的供水、回水管。第三，住院風機機組盤管的供水、回水管。第四，住院空調箱的供水、回水管。

此外，考慮到醫院傳染病院病區的新風量較大，在冬季時，新風負荷占據該醫院暖通空調總熱負荷的60%甚至以上。因此，在設計暖通空調節能系統時，使用了大量的分體式能量回收系統，經過縝密的計算后得出，該設計方案可節約暖通空調能耗的20%左右。

2.5 通風系統

該設計的通風系統、排煙系統位于地下車庫。通風系統排風量控制在500m3/（h·車）。另外，地下車庫加設了一氧化碳檢測與風機控制板塊，在檢測到一氧化碳濃度超出25ppm后，會自動開啟排風系統，直至系統檢測值一氧化碳濃度降為10ppm以下后，通風系統將在持續運行5min之后自動關停。

3 結束語

暖通空調系統是建筑工程中機電系統的重要結構，與該建筑的功能特征及宜居性息息相關。但暖通空調系統一直是建筑工程的能耗“大頭”，在“雙碳”背景下，勢必要從暖通空調系統的節能優化抓起，以精細化設計突出暖通空調系統的節能特征，引入暖通空調節能技術，堅持綠色工程、低碳環保的理念，設計出更適合現代化綠色城市發展的暖通空調節能系統。