新型節(jié)能技術(shù)在民用建筑暖通設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

方鵬波

（蘭州新現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)有限公司慶陽分公司，慶陽745000）

1 引言

在現(xiàn)代科技的發(fā)展與進(jìn)步下，綠色環(huán)保的設(shè)計(jì)理念已深入人心，而綠色建筑作為一種節(jié)能建筑理念，已得到了全國和全社會(huì)的廣泛關(guān)注。然而當(dāng)前我國城市民用建筑中，空氣調(diào)節(jié)是城市民用建筑的能源消耗最大，同時(shí)也是城市民用建筑舒適性的核心，所以在特定的天氣環(huán)境下，如何在城市民用建筑中實(shí)現(xiàn)綠色建筑的節(jié)能降耗，對(duì)城市民用建筑的建設(shè)具有重大的指導(dǎo)作用。當(dāng)前暖通設(shè)計(jì)同樣也是城市民用建筑設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，其可以讓人們擁有一個(gè)舒服的生活環(huán)境，但是也帶來大量的能耗，所以我們需要對(duì)暖通設(shè)備進(jìn)行科學(xué)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃，以達(dá)到節(jié)能的設(shè)計(jì)要求。

2 節(jié)能設(shè)計(jì)理念下民用建筑暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)原則

在暖通空調(diào)系統(tǒng)增加一些新的功能時(shí)，設(shè)計(jì)人員必須要去糾正對(duì)于暖通空調(diào)的誤解。在日常使用期間，暖通空調(diào)系統(tǒng)所發(fā)揮出的通風(fēng)和排煙等功能，能夠促使室內(nèi)的空氣質(zhì)量不會(huì)受到影響。基于暖通設(shè)計(jì)理念，需要遵守以下三點(diǎn)原則：

第一，低碳設(shè)計(jì)原則。該原則也是民用建筑暖通裝置節(jié)能設(shè)計(jì)的首要目標(biāo)。低碳排放的設(shè)計(jì)既要滿足空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，也要減少對(duì)于生態(tài)環(huán)境的影響。在該原則設(shè)計(jì)理念下，實(shí)際上是限制了民用建筑暖通設(shè)計(jì)的內(nèi)容，選擇適合的空調(diào)型號(hào)和理念[1]。同時(shí)低碳設(shè)計(jì)的原則還需要對(duì)空調(diào)建筑設(shè)計(jì)的材料選擇和施工工藝提出具體要求，也為民用建筑空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能和設(shè)計(jì)提供重要保障。

第二，協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)原則。其實(shí)民用建筑本身的通風(fēng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，但是要想全面實(shí)現(xiàn)建筑暖通設(shè)計(jì)的節(jié)能工程，除去需要掌握其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的施工之外，還需要對(duì)各個(gè)結(jié)構(gòu)之間的聯(lián)系加以協(xié)調(diào)。在暖通裝置節(jié)能設(shè)計(jì)完成之后，其內(nèi)部的系統(tǒng)能夠更好地發(fā)揮出其自身的作用，以此來適應(yīng)民用建筑所處的重要環(huán)境。

第三，可循環(huán)原則。循環(huán)利用的原則滿足節(jié)能減排的設(shè)計(jì)要求，基于循環(huán)設(shè)計(jì)原理建立民用建筑的回收系統(tǒng)，進(jìn)一步回收和利用空調(diào)裝置所產(chǎn)生的能量和廢棄物，進(jìn)而達(dá)到成本節(jié)約的重要目的[2]。

3 案例背景

某建筑為五星級(jí)酒店設(shè)計(jì)，其屬于民用建筑中的商業(yè)建筑形式，由于其本身在民用建筑中的暖通設(shè)計(jì)極具代表性，因此本文選擇該酒店的暖通設(shè)計(jì)為依據(jù)，為其他民用類建筑設(shè)計(jì)暖通空調(diào)系統(tǒng)提供參考。

該建筑迎賓樓主樓分為地上5 層、地下1 層。其中地下負(fù)一層包含如更衣間、清潔間、消防控制室等用途建筑；負(fù)二層包含空調(diào)機(jī)房、水泵房、風(fēng)機(jī)房和暖通機(jī)房等各類功能區(qū)域，建筑總高度為23.95m，地上面積設(shè)計(jì)為58600m2，地下面積設(shè)計(jì)為21600m2。

由于酒店的建筑面積已經(jīng)超出20000m2，其定位為甲類公共建筑，因此其結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中的相關(guān)規(guī)定，并結(jié)合當(dāng)?shù)孛裼媒ㄖ臉?gòu)造方式，將其定位為“基準(zhǔn)建筑”。考慮到暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)十分關(guān)注于建筑負(fù)荷極值的情況，因此本文對(duì)該酒店的典型年冷和熱負(fù)荷數(shù)值的極值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如表1所示：

表1 酒店建筑的負(fù)荷信息統(tǒng)計(jì)

由表1 可了解到，基于基準(zhǔn)民用建筑的標(biāo)準(zhǔn)下，該酒店建筑的冷負(fù)荷和熱負(fù)荷分別在每年的7 月份和1 月份，最大的負(fù)荷數(shù)值分別為4641kW 和3292kW；最大的負(fù)荷指標(biāo)為116W/m2和85W/m2。由于該結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計(jì)均是以滿足建筑節(jié)能規(guī)范的最低需求為條件確定的，所以在后續(xù)建筑暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)其冷熱負(fù)荷極值都具有一定的削減空間。

4 新型節(jié)能技術(shù)在民用建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

4.1 建筑空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

一般情況，在建筑暖通空調(diào)設(shè)計(jì)過程中如市政電力、天然氣和太陽能均可以為其提供能源供應(yīng)，為了滿足建筑空調(diào)的冷負(fù)荷要求可以給予其多種的系統(tǒng)選擇，如常見的電制冷機(jī)組或者是空氣源熱泵等[3]。在不同設(shè)備的投資和運(yùn)行期間均存在一定的差異性，所以需要結(jié)合的投資情況、負(fù)荷特征和運(yùn)行情況等對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案加以綜合辦考慮。

本案例中可被候選的能量轉(zhuǎn)換設(shè)備如圖1 所示。

圖1 建筑空調(diào)的系統(tǒng)流程

結(jié)合圖1 研究所示，電力驅(qū)動(dòng)的空氣源熱泵其能夠提供空調(diào)的冷/熱負(fù)荷，也可根據(jù)驅(qū)動(dòng)冷水機(jī)組的方式來滿足空調(diào)的冷負(fù)荷；而燃?xì)怛?qū)動(dòng)的燃?xì)忮仩t去制備熱水器可以滿足空調(diào)自身的熱負(fù)荷；太陽能可以驅(qū)動(dòng)太陽能集熱器進(jìn)行制熱操作，熱水可以根據(jù)換熱器來滿足熱負(fù)荷的情況，也可通過溴化鋰機(jī)組來制備冷水，進(jìn)而滿足部分機(jī)組中所需要的冷負(fù)荷，當(dāng)太陽能不足時(shí)可以根據(jù)燃?xì)庋a(bǔ)燃來實(shí)現(xiàn)制熱持續(xù)操作[4]。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的案例與參數(shù)分析

本文結(jié)合對(duì)本酒店的空調(diào)系統(tǒng)優(yōu)化思路分析，設(shè)置兩個(gè)案例進(jìn)行方案對(duì)比，結(jié)合維護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和未優(yōu)化的負(fù)荷邊界來進(jìn)行空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化設(shè)計(jì)的負(fù)荷邊界如圖2 所示，系統(tǒng)在優(yōu)化期間所涉及的參數(shù)如表2 和表3 所示：

圖2 建筑逐時(shí)冷負(fù)荷和采暖的負(fù)荷邊界數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

表2 設(shè)備性能與經(jīng)濟(jì)參數(shù)

表3 燃料熱值與碳排放的信息

4.3 建筑空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果

在對(duì)比兩個(gè)方案后的優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，得到方案一和方案二，二者優(yōu)化的結(jié)果如表4 所示：

可以從表4 中的內(nèi)容看出，與方案一的空調(diào)系統(tǒng)相比較而言，方案二的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)備容量基本上都會(huì)有所下降，其中的鍋爐容量和水蓄能、空氣源熱泵容量下降幅度分別為13%、12%和14%。在整體上分析，方案二的建筑空調(diào)系統(tǒng)排放量相較于方案一減少13%，并且其年等值的投資和運(yùn)行費(fèi)用也分別有著8%和13%的下降幅度。整體結(jié)果表明，在優(yōu)化后的建筑冷熱負(fù)荷需求度降低的同時(shí)，整個(gè)空調(diào)自身系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和節(jié)能性也會(huì)得到整體改善[5]。

4.4 考慮碳排放與經(jīng)濟(jì)性的雙目標(biāo)優(yōu)化

在根據(jù)對(duì)經(jīng)濟(jì)性和碳排放之間的權(quán)重系數(shù)優(yōu)化，可以得到的多目標(biāo)方法中不同的目標(biāo)權(quán)重下最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，其中的建筑能源系統(tǒng)帕累托優(yōu)化前沿如圖3 所示：

圖3 建筑能源系統(tǒng)的帕累托優(yōu)化前沿圖示

從上述能源系統(tǒng)的帕累托優(yōu)化前沿中可以看出，能源系統(tǒng)本身的年最小排放量為185t，此時(shí)系統(tǒng)的等年值費(fèi)用為每年472 萬元。根據(jù)對(duì)于碳排放約束的松弛后，整個(gè)系統(tǒng)的等年值費(fèi)用在不斷降低，但是根據(jù)這種方式其所帶來的邊際效應(yīng)會(huì)逐漸減少，也就是增加的單位碳排放所貢獻(xiàn)的等年值費(fèi)用降低的額度也在不斷降低[5]。在最大程度上放松碳排放權(quán)后，該系統(tǒng)每年的碳排放權(quán)為502t，等年值成本為135 萬元。2 號(hào)封存的帕累托鋒面與1 號(hào)封存的趨勢(shì)一致，如果封存在164t/年，則其等年值成本將高達(dá)413 萬元/年。通過對(duì)碳排放權(quán)的放松，使該能源系統(tǒng)在碳排放權(quán)520 噸/年的條件下，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)化，此時(shí)該能源系統(tǒng)的等年值成本只需要100萬元。

根據(jù)方案一、二中的能源系統(tǒng)在不同優(yōu)化指標(biāo)權(quán)重下的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可以得出，由于對(duì)能源系統(tǒng)的碳排放限制的放松，制冷能力在持續(xù)提高，這在很大程度上是由于制冷效率高、投資成本較低。對(duì)新能源來說，在碳排放約束苛刻的情況下，新能源系統(tǒng)的裝機(jī)容量越大，對(duì)新能源存儲(chǔ)裝置的需求也越大，所以蓄水池的容量相當(dāng)大。然而隨著碳排放限制的解除，可再生能源系統(tǒng)的容量將大幅降低，尤其是太陽能集熱式的容量波動(dòng)更為顯著。因?yàn)榻ㄖ嶝?fù)荷由鍋爐、太陽能集熱器和空氣源熱泵三方共同承擔(dān)，而在碳排放松弛的過程中，太陽能集熱器容量大幅下降，因此空氣源熱泵所承擔(dān)的熱負(fù)荷比重將會(huì)相對(duì)增大。

5 結(jié)語

綜上所述，本文結(jié)合某酒店建筑中的暖通設(shè)計(jì)和圍護(hù)負(fù)荷值的分析設(shè)計(jì)，從不同的目標(biāo)權(quán)重下的能源系統(tǒng)優(yōu)化配置方案中可以看出，當(dāng)碳排放量的要求較為嚴(yán)格時(shí)，可再生的能源系統(tǒng)配置容量較高，且會(huì)存在較大容量的儲(chǔ)能設(shè)備來實(shí)施可再生能源的消納。在新技術(shù)的使用下，可實(shí)現(xiàn)暖通設(shè)計(jì)的節(jié)能效果，實(shí)現(xiàn)城市資源的綜合利用。