建筑工程中暖通空調節能技術的應用分析

劉倩

（中國建筑設計研究院有限公司陜西分公司）

1 引言

節能對于建筑設計行業，特別是暖通空調行業來說，是一個需要長期堅持且為之奮斗的目標。根據《中國建筑能耗研究報告2021》2019 年中國建筑全過程二氧化碳排放總量為49.97 億t，占全國碳排放總量的50.6%[1]，《中國建筑節能年度發展研究報告2021》指出我國空調系統運行能耗導致的二氧化碳排放量約為9.9億t[2]，空調系統所消耗的能源占我國社會總能耗的21.7%，根據不同建筑類型及運行使用情況的不同此比例占建筑運維階段碳排放總量的50%～80%[3]。由此可見暖通空調在建筑工程中的節能減碳潛力巨大，合理的設計是實現節能目標的起點，節能減碳大勢所趨，也是我們迫切需要解決的問題。

在建筑工程中首先是在被動節能方面合理規劃、優化設計，使建筑自身能耗降低，同時在主動節能方面合理選擇冷熱源、優化系統、提高設備能效、合理使用余熱廢熱，用可再生能源代替化石能源，在改善室內溫濕度和空氣品質前提下，推動建筑行業綠色轉型，達到節能減碳的目的。

2 被動式節能

建筑工程能耗占比巨大，在2030 年碳達峰和2060 年碳中和的社會背景下，建筑節能成為重中之重，建筑設計的合理性直接影響建筑在全壽命周期的能耗和對環境的影響。做好被動節能是建筑節能的前提和基礎，通過被動節能措施可以使建筑降低自身的用能需求，為后期暖通空調運行能源的節約打下堅實基礎。

2.1 規劃及建筑空間節能設計

規劃設計作為建筑設計的最上游環節，是建筑工程開始的基石，是建筑節能設計的起點。分析建筑所在地氣候條件，結合當地建筑特色、歷史文化和地理優勢優化規劃布局，采用最佳朝向，避免東西向日曬，為建筑設計做好節能減碳先鋒。

在建筑空間設計中要充分考慮建筑地理位置、太陽輻射和自然通風采光等因素，優化建筑空間布局，將建筑技術與能源利用有效結合。在冬季避開主導風向，充分利用太陽的能量使建筑室內獲得足夠多的熱量，滿足熱舒適度的前提下減少化石能源的利用。在夏季注意遮陽，應盡量減少建筑得熱，最大限度利用自然風環境對室內降溫，減少夏季空調用能，提高空調設備效率。在過渡季節充分利用自然通風，注重運用穿堂風，以達到節能的目的。

2.2 降低建筑圍護結構能耗

在暖通空調的設計中，通過建筑圍護結構所產生的冷熱負荷是設備選型、管道設計的基礎，圍護結構負荷的大小直接決定冷熱源和室內末端設備的選擇，因此減小外圍護結構的傳熱系數，增強保溫隔熱能力，就可以減少通過建筑圍護結構所形成的負荷，進而降低暖通空調的能源消耗?！督ㄖ澞芘c可再生能源利用通用規范》中提出，新建居住建筑和公共建筑平均設計能耗應在2016 年執行的節能設計標準的基礎上分別降低30%和20%[4],也就是說公共建筑平均節能率應為72%。因此建筑和圍護結構的熱工設計及性能參數均要依次提高要求。

2.3 降低建筑圍護結構負荷的措施

2.3.1 選用低導熱系數的高性能保溫材料

新型保溫材料都具有較低的導熱系數，硅氣凝膠保溫隔熱材料是一種納米級多孔固態材料，其導熱系數極低，在25℃下僅為0.018W/（m·K），它的多維網格骨架和極細小的孔隙可以很好地阻隔對流、傳導和輻射所形成的熱量傳遞，同時氣凝膠保溫材料還具有極強的憎水性，可以有效防止水分滲透。以寒冷地區甲類公共建筑為例，當外墻傳熱系數K≤0.45W/（m2·K）時對比一下幾種保溫材料的保溫隔熱性能，采用不同的保溫材料要求有不同的保溫厚度，表1 中的δ1為保溫材料采用傳統硬質巖棉板時的厚度。表2 為采用新型保溫材料時的最小保溫厚度。由此可見，當采用SiO2氣凝膠時的保溫厚度是硬質巖棉板的0.39 倍，而采用真空隔熱板的保溫厚度僅是硬質巖棉板的0.17倍。相反的若采用相同的保溫厚度，則對圍護結構的傳熱系數也將影響巨大，從而大大降低通過外圍護結構的負荷，進而直接和間接地降低能源消耗。

表1 采用硬質巖棉板時的保溫厚度δ1（mm）

表2 采用新型保溫材料時的保溫厚度δ（mm）

2.3.2 新型墻體相變材料

隨著季節和室外溫度變化，在暖通空調工程中，為維持室內空間舒適度所產生的負荷量也是完全不同的，比如夏季需要減少進入室內的太陽輻射以降低房間冷負荷，而冬季則希望增強太陽輻射以降低房間熱負荷。若建筑外圍護結構采用相變材料能夠順應這種變化，那么就可以節約很大一部分能源。新型相變墻體材料利用材料的相變性能，在小溫度范圍內改變其物理狀態來儲存和回收潛熱，如固-液相變的石蠟和固-固相變的多元醇均是應用在墻體中的理想相變材料。

2.3.3 智能窗戶

電致變色玻璃也被稱為智能窗戶，它能夠根據房間需求改變外窗玻璃顏色，在需要阻止太陽輻射進入房間時，玻璃變暗反射掉大部分太陽光，當房間需要陽光時玻璃變得透明使陽光穿透玻璃進入室內。由此可以大大降低建筑的圍護結構能耗，從而降低房間對空調的需求，降低能源消耗量。

3 主動式節能

3.1 暖通空調中的冷熱源選擇及分析

隨著社會的不斷發展，人們對于熱舒適性的要求也有所不同，比如一些還未普及到集中供暖的地區、無集中熱源的農村地區、想要提高冬季熱舒適度的夏熱冬冷地區和夏熱冬暖地區、想要提升夏季制冷工況的各種場所等等，為此各種形式的冷熱源形式也紛至沓來。如何在眾多的冷熱源中選擇適合自己的系統形式也是暖通空調節能設計的基礎。

在眾多的冷熱源形式中，首先應以低碳環保節能為前提，應用天然冷熱源也越來越被推崇，各種新型節能產品也層出不窮，風冷熱泵機組、超低溫空氣源熱泵（冷水）機組、地源熱泵機組、水源熱泵機組、太陽能供熱系統等等。在“雙碳”目標的大背景下，熱泵技術作為一種中低溫用熱系統在節能減碳方面發揮著重要的作用。泵熱機組的最大優點就是可以一機多用，即一套系統既可以供暖也可以制冷，被廣泛應用于各個領域。電動熱泵的碳排放直接取決于電力碳排放因子，是一種間接的碳排放。目前，在我國發電量中30%為核電、水電、風電和光電[5]，電力的碳排放因子為570g/（kW·h）[6],但是隨著電力系統的改革，水、風、光等零碳電力的不斷增加，電力碳排放因子也會越來越低，預計到2060年電力碳排放因子可降至150g/（kW·h），這將比天然氣、煤炭等其他化石能源的碳排放因子低得多。由此可見，熱泵的減碳潛力巨大。再來分析一下熱泵的COP 值，根據我國各地的氣候和產品變工況運行的性能分析，在整個冬季供暖季節的運行過程中，其季節平均COP 一般達到2.6～3.0，與采用燃燒化石能源直接供熱相比，其一次能源消耗量處于平等水平。當冬季設計工況下的COP達到3.0以上時，整個冬季供熱的一次能源消耗量會低于化石能源直接燃燒供熱[7]。熱泵作為一種電動式的能源設備，COP 值目前來說相對較低，隨著熱泵技術的不斷發展和技術突破，熱泵機組的COP 值會不斷地提高，因此熱泵的節能潛力同樣巨大。在很多地方，如農村地區和無集中供暖的地區，熱泵可以發揮其最大優點解決空調和供暖問題，取代傳統分體空調和多聯機系統，減少使用HFCS，從而減緩溫室效應。

3.2 冷熱源及末端設備選型

選擇了冷熱源形式后就要對設備進行選型，根據冷熱負荷的大小直接進行設備選型，同時設備總容量不得大于總負荷的1.1 倍。單臺機組制冷量的大小應合理搭配，當單機容量調節下線的制冷量大于建筑的最小負荷時，可選一臺適合最小負荷的機組[8]。同時可采用變頻技術來應對負荷末端不同的需求。新風在暖通空調工程中的能源消耗量十分可觀，為了維持室內空氣品質，同時不給室內末端設備增加負擔，新風往往消耗著大量的能源來加熱或冷卻進入室內的空氣。要降低新風負荷可以從減小新風量和能量回收來著手，人員密集場所設置CO2空氣監測，按需控制新風量，減小新風負荷。通過能量回收裝置有效回收室內排風能量，改變進入室內的新風狀態，進而減小新風負荷。適當地提高蒸發溫度和降低冷凝溫度可以提高設備COP，提高系統的效率。

3.3 系統管網的節能設計

在以往的管網設計中設計師們往往以估算的形式來設計管網管徑且在流量改變之后也不做變徑來改變管徑的大小，這往往造成管道偏大，各管網環路水力不平衡，也由此帶來一系列的問題，水力失調、冷熱不均等等，為解決這些問題，設計師們往往選擇在管網支路上增加各種平衡閥以期達到解決平衡的問題，這無形中增加了管網的局部阻力，提高了水泵的揚程，同時濫用閥門也會增加成本，造成了浪費。所以合理的管網設計可以降低后期運維費用，達到節能減碳的目的。

3.3.1 供暖管網系統的節能設計

在供暖系統管網的設計中合理地設計管徑尤為重要，管徑的大小需要經過詳細的計算和權衡，優秀的設計師應在設計階段用管網布置及管徑來解決系統的平衡問題，盡量少用甚至不用平衡閥。眾所周知，管網的阻力包括沿程阻力和局部阻力，沿程阻力的大小主要取決于管段的單位長度的摩擦壓力損失，即比摩阻，比摩阻越小沿程阻力損失就越小，同時比摩阻越小管徑就會越大，流體流速也會越低，為保證流體具有一定的流速（不得小于0.25m/s）且管徑不至過大造成成本浪費，比摩阻需要控制在一定的范圍內。為使得在水力計算中整個管網容易取得平衡，應減小干管比摩阻，增大支管比摩阻，使用等溫降法、變溫降法或等壓降法進行合理的水力平衡計算。在豎向管道的計算中還有一點容易被設計者忽略，那就是自然循環作用壓力，在大多數的供暖系統設計中熱水垂直雙管系統最為普遍，此時需要考慮熱水在散熱器和管道中冷卻而產生的自然作用壓力[9]，為防止或減少熱水在散熱器和管道中冷卻產生的重力水頭而引起的系統豎向失調，維持各管路水力平衡，需要計算重力水頭，單位長度自然循環作用壓力的計算公式為ΔP=2g(ρh-ρg)/3（Pa/m）,g為重力加速度，取值9.81m/s2；ρh為回水密度（kg/m3）；ρh為供水密度（kg/m3）。為了合理地設計比摩阻，可以使單位長度自然循環作用壓力與此段管道的比摩阻相互抵消，以達到豎向管道各層分支管的天然平衡。由單位長度重力循環作用壓力的公式可知，比摩阻最終取值與流體密度有關，而密度的大小又與水溫有關，可以以下面幾組水溫進行計算來說明。如表3 所示，以75℃～50℃為例，ΔP=2×9.81×(988.0-974.8)=86.24Pa/m，供回水管道各承擔1/2，那么在此水溫下垂直立管的比摩阻取值為R=86.24÷2≈43Pa/m 較為合適，在各層分支管的水力平衡計算中就可忽略此段垂直管段的阻力。表1給出了幾種供回水溫度下的推薦比摩阻值。在水力平衡計算中使用合適的比摩阻可以使管網設計更合理，減少使用平衡閥甚至不用平衡閥，為前期投資和后期運行節約費用，降低能耗。

表3 幾種供回水溫度下的比摩阻推薦值

3.3.2 空調水系統管網系統的節能設計

在上文中對供暖管網系統的節能設計做了簡要說明，降低比摩阻可以減小管道阻力進而降低運行能耗，在空調水系統管網的設計中亦如此。在空調水管設計中比摩阻一般控制在100Pa/m～300Pa/m，同樣可以用增大管徑的方法來降低比摩阻以減小管道沿程阻力損失，節能設計推薦比摩阻80Pa/m～150Pa/m，高效機房設計推薦比摩阻＜50Pa/m[10]，同時因流速減小而降低了動壓使得局部阻力損失有所下降。在管網設計中減少使用高阻力閥門，合理進行水力平衡計算減少使用平衡閥，減少使用彎頭等，可以有效減小局部阻力，使系統總阻力降低，水泵選型揚程減小，以達到減小后期運行費用和節約能源的目的。

3.4 暖通空調設計中的節能措施

在上文中已經提到了幾種暖通空調設計中的節能措施，比如合理選擇冷熱源，降低新風負荷，合理設計管徑，減少資源浪費。同時暖通空調后期的系統運維管理也十分重要，節能運維管理能夠使能源側和負荷側更好地匹配，減少能源浪費，同時監測出全壽命周期能源情況，進行節能分析。國務院印發的《2030 年前碳達峰行動方案的通知》[11]中的“碳達峰十大行動”也提出了節能降碳增效行動，要全面提升節能管理能力，推進重點用能設備節能增效，加強新型基礎設施節能降碳。積極推行合同能源管理，推廣節能咨詢、診斷、設計、融資、改造、托管等“一站式”綜合服務模式。

4 結語

暖通空調在建筑工程中占據了能源消耗的關鍵位置，未來暖通空調設計的節能減碳任重而道遠，無論是建筑設計的被動節能還是暖通空調設計中的主動節能，在設計的初始方案中設計師們都要以節能減碳為理念，為我國“雙碳”目標貢獻自己的力量。