低能耗高層住宅建筑暖通空調設計分析

0 引言

高層住宅作為城市居民的主要居住形式，其暖通空調系統能耗在建筑總能耗中占比較大。因此，優化高層住宅建筑暖通空調設計，降低能耗，對于實現建筑節能減排目標、提高居民生活質量具有重要意義。

1低能耗高層住宅建筑的發展背景與重要性

1.1發展背景

1. 1. 1 能源現狀

傳統能源日益稀缺，且在使用過程中對環境造成嚴重污染。據統計，建筑能耗約占全社會總能耗的30%～40% ，其中暖通空調系統能耗又占建筑能耗的50%～60% 。在高層住宅中，由于人員密集、空間相對封閉，暖通空調系統的能耗問題更為突出[。

1.1.2政策推動

各國政府紛紛出臺相關政策，鼓勵發展低能耗建筑。我國發布了一系列建筑節能設計標準和規范，如《綠色建筑評價標準》（GB/T50378－2019）及《公共建筑節能設計標準》（GB50189－2015）等，對建筑的節能性能提出了明確要求，推動了低能耗高層住宅建筑的發展。

1.2 重要性

1. 2. 1 節能降耗

通過優化暖通空調設計，采用高效的冷熱源設備、合理的空調系統形式以及有效的節能控制策略，可顯著降低高層住宅的能耗，減少對傳統能源的依賴，實現能源的高效利用。

1.2.2 環境保護

低能耗的暖通空調系統能夠減少溫室氣體排放，降低對大氣環境的污染。例如，減少煤炭等化石能源的使用，可降低二氧化碳、二氧化硫等污染物的排放，有助于緩解全球氣候變化。

1.2.3提高居住舒適度

合理的暖通空調設計不僅能滿足居民對室內溫度、濕度、空氣質量等方面的需求，還能通過優化通風和空調運行模式，提供更加舒適、健康的居住環境。

2高層住宅暖通空調系統的能耗特點

2.1 負荷特性

2.1. 1 圍護結構負荷

高層住宅建筑高度較高，圍護結構面積大，受外界氣候影響顯著。冬季通過外墻、外窗等圍護結構的熱量散失較多，夏季太陽輻射透過外窗和外墻傳入室內的熱量也較大，導致圍護結構負荷在總負荷中占比較大。根據相關研究，在我國北方地區，冬季圍護結構熱負荷可占總熱負荷的 60%～70% ；在南方地區，夏季圍護結構冷負荷可占總冷負荷的 30%～40% 。

2.1.2人員與設備負荷

高層住宅居住人員相對密集，人員散熱散濕以及家電設備散熱等產生的負荷不容忽視。尤其是在夏季，家電設備如電視、冰箱、電腦等的使用頻率增加，其散熱成為室內冷負荷的重要組成部分。

2.2 系統能耗分布

2.2.1冷熱源能耗

冷熱源設備是暖通空調系統能耗的主要部分。傳統的燃煤、燃油鍋爐以及風冷熱泵等冷熱源設備，能源利用效率相對較低。例如，普通燃煤鍋爐的熱效率一般在 60%～70% ，風冷熱泵在低溫環境下制熱性能系數（COP）會大幅下降，導致能耗增加。

2.2.2輸配系統能耗

輸配系統主要為水泵、風機等設備。在高層住宅中，由于樓層較高，水系統和空氣系統的輸送距離長，阻力大，需要較大功率的水泵和風機來保證系統的正常運行，從而導致輸配系統能耗較高。研究表明，輸配系統能耗可占暖通空調系統總能耗的 20%～30% 。

3低能耗高層住宅建筑暖通空調設計策略

3.1冷熱源選擇

3.1.1地源熱泵系統

利用淺層地熱能，通過地下埋管換熱器與土壤進行熱量交換。地源熱泵系統的制熱性能系數（COP）可達 3.5～4.5 ，制冷性能系數（COP）可達 4.0～ 5.8，相比傳統冷熱源設備節能效果顯著。冬季可從土壤中提取熱量用于供暖，夏季向土壤中排放熱量實現制冷。對于有一定綠地面積的高層住宅小區，地源熱泵系統具有較好的適用性。例如，某高層住宅小區，總建筑面積為10萬 m² ，采用地源熱泵系統后，與傳統風冷熱泵系統相比，每年可節省電量約100萬kW?h^[2]

3.1.2空氣源熱泵系統

以空氣為熱源，具有安裝方便、適用范圍廣等優點。近年來，隨著技術的不斷進步，空氣源熱泵在低溫環境下的性能得到顯著提升。采用補氣增焓技術、變頻技術等，可使空氣源熱泵在 -20% 的環境溫度下仍能保持較高的制熱效率。在南方地區，空氣源熱泵系統可作為冷熱源的首選方案，既能滿足夏季制冷需求，又能在冬季提供較為經濟的供暖方式。

3.1.3太陽能輔助供熱系統

將太陽能集熱器與傳統供熱系統相結合，利用太陽能這種清潔能源提供部分熱量。太陽能集熱器可安裝在屋頂或陽臺等位置，收集太陽輻射能加熱熱水，用于冬季供暖或生活熱水供應。在日照充足的地區，太陽能輔助供熱系統可有效降低對傳統能源的依賴。例如，在我國西北地區，某高層住宅采用太陽能輔助供熱系統，太陽能保證率可達 40%～50% ，每年可減少天然氣消耗約 20% 。

3.2 空調系統形式

3.2.1 多聯機系統

多聯機系統具有節能、靈活、占用空間小等優點，可根據室內負荷變化自動調節壓縮機頻率，實現按需供冷供熱，部分負荷下的能效比高。在高層住宅中，各房間可獨立控制，滿足不同住戶的個性化需求。例如，某高層住宅采用多聯機空調系統，相比傳統分體式空調系統，節能約 15%～20% 。

3.2.2風機盤管加新風系統

風機盤管負責處理室內顯熱負荷，新風系統提供新鮮空氣并承擔部分潛熱負荷。該系統能夠較好地滿足室內空氣品質和舒適性要求，同時通過合理設計新風量和風機盤管的運行模式，可實現節能運行。例如，在過渡季節，可加大新風量，利用室外新風的自然冷量降低室內溫度，減少制冷設備的運行時間[3]

3.2.3輻射空調系統

包括地板輻射供暖和天花板輻射供冷等形式。輻射空調系統通過低溫熱水或冷水在輻射板內循環，以輻射換熱的方式調節室內溫度。其優點是室內溫度分布均勻、舒適度高、節能效果好。地板輻射供暖的室內垂直溫度梯度小，人在室內活動時感覺更加舒適。同時，輻射空調系統的供水溫度相對較低，可與地源熱泵等低溫熱源較好地匹配，提高能源利用效率[4]

3.3 通風設計

3.3.1 自然通風

合理設計建筑的外窗開啟方式、位置和大小，可利用風壓和熱壓原理實現自然通風。在過渡季節和部分冬季、夏季時段，自然通風可有效降低室內溫度，減少空調系統的運行時間。例如，通過設置可開啟的外窗，形成穿堂風，能加強室內外空氣流通。在設計時，應根據當地氣候條件和建筑朝向，優化外窗的開啟角度和面積，以提高自然通風效果。研究表明，良好的自然通風設計可使室內空氣齡大幅降低，提高室內空氣質量[5]

3.3.2機械通風與熱回收

對于無法通過自然通風滿足通風需求的區域，可設置機械通風系統。同時，采用熱回收裝置，如轉輪式熱回收器、板翅式熱回收器等，回收排風中的熱量或冷量，用于預熱或預冷新風。熱回收效率一般可達60%～80% ，能有效降低新風能耗。在高層住宅的衛生間、廚房等區域，設置帶有熱回收功能的通風設備，既能保證室內空氣品質，又能實現節能。

3.4控制系統

3.4.1智能溫控系統

在每個房間設置溫度傳感器和電動調節閥，能根據室內溫度自動調節空調末端設備的運行狀態。智能溫控系統可實現室內溫度的精確控制，避免過度制冷或制熱，降低能耗。例如，當室內溫度達到設定溫度時，電動調節閥自動調節開度，減少空調末端設備的冷熱量供應。同時，用戶還可通過手機APP等方式遠程控制室內溫度，提高了使用的便捷性。

3.4.2系統集中監控與優化運行

建立暖通空調系統的集中監控平臺，能實時監測設備的運行參數、能耗數據等信息。通過數據分析和優化算法，實現系統的優化運行。例如，根據室外氣候條件、室內負荷變化等因素，可自動調整冷熱源設備的運行臺數、水泵和風機的頻率等，使系統始終運行在高效節能狀態。

4低能耗高層住宅建筑暖通空調設計案例分析

4.1 項目概況

某高層住宅項目為高品質項目，總建筑面積約為12萬 m² ，最高26層，每層4戶。該地區夏季室外設計干球溫度為 35^°C ，冬季室外設計干球溫度為 -4.2% 。建筑圍護結構采用節能設計，外墻保溫層厚度為60mm ，傳熱系數為0.4W／（ m²?K） ，外窗采用斷橋鋁合金中空玻璃窗，玻璃遮陽系數為0.5，傳熱系數為2.0W/ ?m²?K） 。

4.2 暖通空調設計方案

4.2.1冷熱源系統

采用地源熱泵系統作為冷熱源。在小區地下室埋設雙U型管換熱器，管徑為 De25 ，有效換熱鉆井深度為 110m ，共埋設300組，間距不小于 4m 。地源熱泵機組選用2臺螺桿式熱泵機組（制冷量為 590kW ，

COP為5.78；制熱量為 560kW ，制熱COP為3.61）、1臺變頻螺桿式水冷機組（制冷量為 760kW ，COP為4.6），且每臺螺桿機組配備對應的冷凍泵和冷卻泵。

4.2.2 空調系統

采用風機盤管加新風系統。室內機選用直流無刷臥式安裝風機盤管，主流型號為FP-04，其性能參數為：風量 510m³/h ，冷量 4.12kW ，熱量6.54kW，功率 45W ，且風機盤管的風機設置低、中、高速，調節風盤的制冷量。新風系統選用全熱式新風系統，熱回收效率為 70% 。

4.2.3 通風設計

每戶的臥室、客廳等主要房間設置可開啟外窗，外窗開啟面積滿足自然通風要求。室內空調運行時段，開啟新風機，保證室內空氣品質的同時回收熱量。

4.2.4控制系統

安裝智能溫控系統，用戶可通過室內溫控器或手機APP調節室內溫度。同時，建立集中監控平臺，對暖通空調系統的設備運行狀態、能耗數據等進行實時監測和分析，實現系統的優化運行。

4.3 設計效果分析

4.3.1 能耗對比

以夏季為例，該住宅項目選用的地源熱泵空調系統耗電量與傳統VRV多聯機空調系統進行比較，主要設備耗電量可按下式計算：

螺桿機組耗電量 Σ=Σ 制冷量/COP水泵耗電量 Σ=Σ 有效功率/效率

VRV耗電量 σ=σ 制冷量/能效比

通過能耗模擬計算，當制冷主機分別為部分負荷及滿負荷運行時，其系統耗電量與多聯機系統的對比見圖1。

圖1兩種空調系統的耗電量對比

計算結果顯示，采用本設計方案后，與傳統VRV空調系統相比，地源熱泵空調系統的耗電量有明顯減少，在不同冷負荷下，約節能 10%～20% ，且單一機組或組合機組接近滿負荷運行時的節能性更明顯。

4.3.2舒適性分析

通過現場測試和用戶反饋，室內溫度分布均勻，噪音較低，夏季室內溫度可穩定保持在 24^°C～26^°C ，冬季可保持在 ，且在冬季極端天氣無需化霜而能為用戶提供穩定的供暖效果。室內空氣品質良好，空氣齡滿足相關標準要求，住戶對居住舒適度的滿意度較高。

5低能耗高層住宅建筑暖通空調設計的發展趨勢

5.1可再生能源與新技術應用

隨著技術的不斷發展，更多的可再生能源將應用于高層住宅暖通空調系統。同時，一些新技術如磁懸浮制冷技術、相變儲能技術等也將逐漸推廣應用，進一步提高系統的節能效果和運行性能。

5.2智能化與信息化

智能化和信息化技術將在暖通空調設計中發揮越來越重要的作用。通過物聯網、大數據、云計算等技術，可實現暖通空調系統的智能化控制、遠程監控和故障診斷等功能。同時，利用信息化技術對系統的能耗數據進行分析和挖掘，能為系統的優化運行提供決策支持。

6 結論

綜上所述，低能耗高層住宅建筑暖通空調設計是實現建筑節能減排、提高居住舒適度的關鍵環節。通過合理選擇冷熱源、優化空調系統形式、加強通風設計以及采用智能化控制系統等策略，可有效降低高層住宅暖通空調系統的能耗，提高能源利用效率。

參考文獻：

[1］段理峰．低能耗超高層住宅建筑暖通空調設計［J]．城市開發，2025（1）：168-170.

[2］李玲，齊兵，李松．基于DeST軟件模擬的超低能耗建筑暖通空調系統適用性分析［J]．暖通空調，2022，52（S1）：307-311.

[3］吳劍林，李懷，于震，等．某近零能耗辦公樓暖通空調系統優化運行分析［J]．建筑科學，2020，36（6）：35-41.

[4］楊偉．輻射空調系統可利用的幾種節能技術分析［J]．發電技術，2015，36（2）：85-89.

[5］周超斌．自然通風對高層住宅空氣品質影響的研究［D].天津：天津大學，2016.