淺析建筑采暖通風空調工程的節能減排系統設計

景燕鵬

1 建筑采暖通風空調工程節能減排的設計方案

1.1 設計思路

建筑采暖通風空調工程的節能減排系統設計思路應遵循系統化、科學化和智能化的原則[1]。具體為：第1，系統化思路。充分考慮建筑結構、朝向、使用功能、外部環境等多個因素之間的相互關系和相互制約，針對性地進行系統設計和優化，實現建筑采暖通風空調工程的整體協調運行。第2，科學化。根據建筑熱力學、流體傳熱學等理論基礎，利用數學模型和計算機技術，對建筑采暖負荷、空調負荷、新風回收潛能等進行科學預測和評估，制訂系統控制策略，實現精確調節，避免資源浪費。第3，智能化。運用可再生能源技術、自適應和自學習算法等技術手段，持續優化系統運行控制策略，實現對復雜動態建筑環境的主動感知和快速響應，保證系統在復雜環境下仍穩定高效運行，降低人工操作和維護成本。該設計思路立足建筑采暖通風空調工程實際狀況，利用系統科學與智能技術的融合，旨在實現建筑舒適性與系統能效之間的平衡和協調運行，實現采暖通風空調工程的節能減排與可持續發展目標[2]。

1.2 設計結構

建筑采暖通風空調工程的節能減排系統主要包括采暖模塊、通風模塊和空調模塊，每個模塊都有不同的設計和工作原理（圖1）。

圖1 建筑采暖通風空調工程節能減排系統設計模塊圖（來源：作者自繪）

太陽能集熱器具有較低的碳排放和環境影響，故系統選用太陽能熱水器作為采暖供熱的基礎設備，通過利用高效的熱交換器，最大限度地實現熱能傳遞和熱能損失的減少，在此基礎上，設計管道系統，以減少管道阻力與熱量損失[3]。根據建筑布局需求，在建筑物墻面布置風機，以保證建筑物室內良好的空氣流通。根據建筑的使用類型、人員數量和空氣質量要求，可計算出合適的通風量，以確保室內空氣的新鮮和舒適[4]。通過熱交換器與新風供應，可實現室外新風與室內廢棄空氣的熱量交換，減少能量損失并提高能源利用效率。

完成上述設計后，根據建筑的熱負荷和設備功率等，得出空調系統所需的制冷或制熱狀態，并依照建筑不同區域的熱負荷和使用需求，將建筑劃分為不同的空調分區，實現溫度調節的精準控制。

2 工作原理

2.1 采暖供熱模塊

2.1.1 熱源和供熱設備布置

采暖供熱模塊的設計需確定合適的熱源和供熱設備。因可再生能源的環境友好性，該系統選擇太陽能集熱器作為主要的熱源設備。第1，確定安裝位置。根據建筑物的位置和周邊環境，選擇建筑物北側墻體中央位置開始布置太陽能集熱器，以減少遮陽障礙，保證集熱器能最大限度地利用太陽輻射。第2，確定傾斜角度。太陽能集熱器表面與水平面所夾角度稱為傾斜角，根據不同緯度和季節變化設定最佳傾斜角。在我國北方地區，一般夏季設為15°，冬季設為50°。第3，集熱器數量確定。根據建筑采暖負荷預測值，計算出需供熱能量。然后根據單位集熱器產生熱量數據估算所需集熱器數量，一般取較保守值。第4，集熱循環水系統。集熱循環水系統將集熱器與熱交換器連接，采用自然循環或強制循環。考慮北方冬季氣溫過低，易出現水管凍裂故障，采用帶有防凍液的強制循環系統。第5，安全防護。設備運行過程中，收集箱中的高溫水可能引發安全事故。因此，每個集熱器組件出口設置溫控閥，熱水箱設置安全閥，并預留排水和清洗口，確保運行安全。通過對太陽能集熱系統的精心設計和合理布置，可充分利用可再生能源，為采暖供熱模塊提供穩定清潔的熱源，降低能耗和污染排放[5]。

2.1.2 熱交換器和管道系統設計

采暖供熱模塊通過熱交換器和管道系統將熱能傳遞給建筑物內部，實現采暖和供熱功能。熱交換器是將太陽能集熱器獲得的熱能傳遞給供熱介質的設備，該系統采用板式熱交換器通過堆疊和固定在一起，形成一個緊湊的熱交換單元（圖2）。

圖2 板式熱交換器工作流程圖（來源：作者自繪）

太陽能集熱器收集到的熱水從入口處進入板式熱交換器，通過在熱交換器的進口上方設置連接口，使聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）管道與熱交換器的進口相連接。熱交換流體通過板式熱交換器中的板間隙流動，沿著平行排列的金屬板進行傳導和對流。同時，供暖介質也從入口處進入板式熱交換器。供暖介質通過板間隙流動，與熱交換流體進行熱量交換，此時，熱量通過板之間的傳導和對流進行交換，從熱交換流體傳遞到供暖介質，經過熱交換后，冷卻的熱交換流體和加熱的供暖介質分別從出口處排出，排出口下方設置連接口，與PVC 管道連接，在布置管道期間，需考慮流體的壓力、流量和溫度等因素，以確保管道和熱交換器的兼容性和安全性。通過板間隙中的流動，利用板的大面積接觸，可實現熱量高效傳遞。

2.2 通風模塊

2.2.1 風機及通風量

風機安裝在室內，以便于將新鮮空氣引入室內或將室內空氣排出，保障空氣流動的正確方向，實現良好的通風效果，風機與控制系統相連可實現自動控制調節。計算通風量是確定建筑物所需通風量的過程，以確保室內空氣的新鮮度和舒適性。通風采用美國采暖，制冷與空調工程師學會（American Society of Heating， Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）標準，針對要計算通風量的特定空間，確定關鍵參數。在ASHRAE 標準62.1-2019 中，空間通風量計算公式見式（1）：

式（1） 中：Q為 通 風 量（m3/s）；ACH 為空氣變化率；V為空間體積（m3）。人員密度通風量計算公式見式（2）：

式（2）中：Q為通風量，N為人員數量，ACH為空氣變化率，VR為人員密度（m3/人）。根據通風需求，將通風量轉換為換氣次數或換氣量。換氣次數表示單位時間內完全更換空間內的空氣次數，而換氣量表示單位時間內需輸入或排出的空氣體積。

2.2.2 新風回收系統設計

在建筑采暖通風空調工程的節能減排系統中，新風回收系統是通風模塊的重要組成部分，其能夠最大限度地利用室內排出廢棄空氣中的熱能和濕度，并將其轉移到新鮮進風中，以減少能量損失和熱量浪費，新風回收系統設計（圖3）。

圖3 新風回收系統設計圖（來源：作者自繪）

新風回收系統布置于建筑機房，以確保其易于維護操作。熱交換器垂直放置，使得新風和廢棄空氣能夠通過熱交換器的板片，新風進口處安裝過濾器，以滿足空氣質量要求。考慮空間限制和安裝要求，選擇適當的風道尺寸和形狀，并確保風道連接順暢、密封良好，以減少能量損失和風阻。

2.3 空調模塊

2.3.1 空調負荷計算

空調負荷是根據建筑物的熱特性和使用要求，計算出其所需的制冷或制熱能力，為正確選擇空調設備提供基礎依據。建筑物的傳熱熱負荷計算公式見式（3）：

式（3）中：Qw為墻體傳熱熱負荷，Qf為地板傳熱熱負荷，Qs為天花板傳熱熱負荷，Qg為玻璃傳熱熱負荷。空氣傳熱熱負荷計算公式見式（4）：

式（4）中：Qr為人員及燈具的熱負荷。冷負荷計算公式見式（5）：

式（5）中：Q為冷負荷。在進行空調負荷計算時，應綜合考慮建筑物的特性和使用要求，并利用相應計算公式參數，以保證計算準確性。根據計算結果，選擇適宜的空調設備類型，對空調系統進行設計和布局。

2.3.2 空調系統分區

通過合理的分區設計，可以實現不同區域的獨立溫控和節能運行。根據建筑的功能、使用需求和熱負荷特點，將建筑空間劃分為不同的區域，確保每個區域具有相似的使用特性和熱負荷需求[6]。

評估建筑的熱負荷特點，包括日照情況、外部氣候條件、建筑圍護結構、人員活動和設備使用等因素。這些因素對各個區域的熱負荷產生影響，因此在劃分區域時需提前考慮。使用熱負荷計算方法對各區域的熱負荷進行計算。根據熱負荷計算結果，評估各個區域的熱負荷差異。如果某些區域的熱負荷明顯高于其他區域，則需將其劃分為單獨的溫控區域，以便更精確地控制溫度和節約能源。考慮人員密度和活動水平的差異，將人員密集的區域劃分為獨立溫控區域和常溫區域。

2.3.3 溫濕度控制

使用進程控制符（Process Identifier，PID）控制算法調節空調系統的制冷或制熱能力，維持目標溫度。PID控制信號公式見式（6）：

式（6）中：θ為控制信號，Kp為比例增益系數，用于調節比例項的作用強度；e為當前溫度與目標溫度之間的差異；Ti為積分時間常數，用于調節積分項的作用強度；I為積分項，表示偏差的積分累計；Td為微分時間常數，用于調節微分項的作用強度；D為微分項，表示偏差的變化率。設置Kp、Ti和Td的初始值后，獲取當前溫度和目標溫度計算偏差，將偏差累積到積分項中，計算積分項，考慮微分時間常數Td計算偏差的變化率，結合公式計算出控制信號。根據計算得出的控制信號，可獲得調節空調系統的制冷或制熱能力。

3 系統測試

進行系統測試前，將所有的設備和控制系統安裝并連接好，按照設計要求進行調試和調整。針對系統設計的能耗降低率經測試后，獲得數據見表1。根據測試結果可知，系統在實際運行中能耗降低10%，表明系統在測試期間取得了良好的節能效果，驗證了設計方案的有效性和可行性。通過優化采暖供熱模塊、通風模塊和空調模塊，系統能夠更高效地利用能源，減少能源浪費，降低對環境產生的負面影響。

表1 基于建筑采暖通風空調工程的節能減排系統測試數據

4 結語

隨著社會的發展，人們逐漸意識到建筑采暖通風空調工程中存在的高能耗問題及其所帶來的環境影響，設計節能減排系統已成為建筑領域的重要課題。本文針對建筑采暖通風空調工程的特點，設計了一整套面向節能減排的系統方案。通過對采暖供熱模塊、通風模塊和空調模塊的設計與優化，該系統充分考慮太陽能的應用、熱交換的效率、新風回收和溫濕度控制等多個方面，從而全面提高建筑采暖通風空調工程系統的節能減排效果。測試結果驗證了該系統的節能效果顯著，可為建筑物的使用提供一種可靠高效的采暖通風空調運行模式。

隨著技術的更新和用戶需求的變化，建筑采暖通風空調工程的節能減排系統仍有很大的改進空間。未來可考慮將更多新興技術如人工智能、物聯網等引入系統，實現對系統的自主控制與學習優化。另外，還可以繼續探索建筑圍護結構與該系統的耦合關系，研究不同建筑類型下系統的最優配置。本文為建筑采暖通風空調工程的節能減排提供了一種較為全面的系統化設計方案，也可為業內同行提供有益借鑒與啟發。希望通過類似研究的推進，建筑行業能逐步走向可持續發展，共創資源節約和環境友好的美好明天。