巨怡雯
西藏民族大學信息工程學院
暖通空調是建筑采暖、通風和調節(jié)空氣質量的關鍵系統(tǒng),關系到建筑的宜居性和舒適性,且暖通空調系統(tǒng)能耗較高,約為建筑能耗的50%,直接影響綠色建筑建設成果。就此,設計單位應提高對暖通空調重視,嚴格按照綠色建筑建設要求,合理設計暖通空調,實現(xiàn)綠色、環(huán)保、自然等建筑發(fā)展目標。
基于暖通空調在綠色建筑中的重要性,設計人員在實施暖通空調設計工作時,應滿足綠色建筑建設要求,具體如下。
(1)綠色環(huán)保。自然、舒適、環(huán)保是綠色建筑的核心,暖通空調設計應滿足綠色環(huán)保要求,從材料選擇、系統(tǒng)運行、技術應用三方面入手,節(jié)約資源,減少污染。如減少氯氟烴的應用,配置靜壓箱、引進新能源等,在確保暖通空調具備各項功能的基礎上,減少制冷劑等材料的污染,削弱暖通空調運行產生的噪聲,提高暖通空調運行生態(tài)效益[1]。
(2)節(jié)能降耗。暖通空調在采暖、降溫、通風等過程中,存在較大能耗,加劇我國能源枯竭現(xiàn)象。為應對該問題,設計人員應在暖通空調設計時,應用可再生能源,如太陽能、地熱能等,節(jié)約能源。同時,設計人員可引進變頻技術,根據(jù)建筑環(huán)境與氣候條件,智能調節(jié)暖通空調的運行參數(shù),避免暖通空調始終保持全負荷運行狀態(tài),降低運行效率,減少能耗。
(3)循環(huán)利用。設計人員可將暖通空調系統(tǒng)劃分為不同功能區(qū),實施獨立設計,在某個功能區(qū)的構件出現(xiàn)故障或老化后,不會對其他功能區(qū)運行產生影響。在老化構件報廢后,對其進行回收再利用,提高暖通空調材料的利用率,節(jié)約能源,降低成本[2]。
為推動綠色建筑發(fā)展,設計人員應結合建筑特點,在滿足上述要求的基礎上,選擇適合綠色建筑的暖通空調設計方法,本文總結如下代表性設計方法,供設計人員參考。
從建筑本身入手,設計人員可實施主動式設計,根據(jù)綠色建筑所在地區(qū)的氣候條件,大力開發(fā)自然資源,構建自然主動式暖通空調系統(tǒng),利用過渡季節(jié)的風能,為暖通空調提供運行能源,在夏季,提高綠色建筑的散熱能力;在冬季,提高綠色建筑的保暖能力,進而降低暖通空調運行負荷,增強建筑通風效果,實現(xiàn)節(jié)約能源、減少損耗、自然舒適的目標。
在暖通空調設計中,水冰蓄冷是指以水為載體,在暖通空調的換熱管和機組兩個結構間傳遞冷量與熱量,實現(xiàn)熱量交換,發(fā)揮其采暖、制冷作用。和常規(guī)暖通系統(tǒng)相比,以水為基礎傳遞能量,提高電網運行效率,減少電能損耗,為暖通系統(tǒng)創(chuàng)造良好運行條件,實現(xiàn)長期穩(wěn)定運行。細化來說,水冰蓄冷技術由蓄能裝置實現(xiàn),在用電低谷期,暖通空調表現(xiàn)為雙工況運行模式,利用電能制冷,將冷水存儲于蓄能裝置中,實現(xiàn)冷量的存儲;在用電高峰期,將存儲的冷量釋放,降低暖通空調的負荷,減少能耗。為保障水冰蓄冷技術作用發(fā)揮,設計人員應做好水力平衡管理,根據(jù)暖通空調運行要求,配置靜態(tài)水力平衡閥或動態(tài)水力平衡閥,降低暖通空調系統(tǒng)的壓力變化或水量變化,提高暖通空調運行穩(wěn)定性。
在暖通空調設計中,太陽能的應用屬于被動式設計,設計人員需對綠色建筑進行人工被動式設計,根據(jù)當?shù)毓庹諚l件與建筑結構,在合適位置安裝太陽能接收板,采集太陽能,將其轉化為熱力能源,供綠色建筑采暖。細化來說,在基于太陽能的暖通空調系統(tǒng)中,應配置溫度控制器、熱導循環(huán)系統(tǒng)、換熱設備等硬件,在太陽能轉換為熱能后,通過熱導循環(huán)系統(tǒng)將熱能傳輸至換熱設備,再通過溫度控制器調節(jié)室內溫度,營造舒適建筑環(huán)境。在陰雨天氣,建筑的暖通空調系統(tǒng)自動切換至常規(guī)供熱設備,實現(xiàn)建筑穩(wěn)定、長期供暖。另外,對于大型綠色建筑,設計人員可優(yōu)化建筑結構,利用太陽能優(yōu)勢,將常規(guī)窗戶玻璃更換為內置惰性氣體的雙層玻璃,吸收室內熱量,減少暖通空調的使用,節(jié)約能源,滿足節(jié)能降耗要求。
和太陽能相比,地源熱泵在暖通空調系統(tǒng)中的功能更為多樣,兼?zhèn)渲评?、采暖作用,設計人員可在暖通空調系統(tǒng)中配置地源熱泵,通過與換熱器的協(xié)調配合,調節(jié)建筑內部溫度。通常來說,地源熱泵安裝于地下30m~100m的位置,不會影響地表建筑運行或地下水流動。在夏季,地源熱泵負責存儲換熱器傳輸?shù)臒崃?,降低建筑內部溫度;在冬季,地源熱泵負責將熱量通過換熱器傳輸至建筑,提高建筑內部溫度,以此減少暖通空調的運行負荷,節(jié)約能源。在基于地源熱泵的暖通空調系統(tǒng)設計時,設計人員需充分發(fā)揮其優(yōu)勢,全面整合地板采暖系統(tǒng)、中央空調系統(tǒng)與生活熱水系統(tǒng),提高地熱能的利用率,滿足節(jié)能減排、循環(huán)利用要求。
在明確常規(guī)綠色建筑暖通空調設計方法后,設計人員需結合建筑特點與暖通空調需求,合理規(guī)劃暖通空調的各個部分,切實落實設計要求,凸顯設計優(yōu)勢,降低能耗,節(jié)約資源。本文以某綠色建筑工程為例,總結其綠色建筑暖通空調設計實踐經驗,以供參考。該綠色建筑為高層辦公建筑,共10層,設計人員實施基于建筑本身、水冰蓄冷的暖通空調設計,具體內容如下。
在暖通空調系統(tǒng)的冷熱源設計中,設計人員根據(jù)建筑特點與采暖制冷需求,準確計算暖通空調系統(tǒng)負荷,在保障建筑內部環(huán)境舒適的基礎上,優(yōu)化配置冷熱機組,使暖通空調系統(tǒng)在高效、低負荷工況下運行。就此,設計人員根據(jù)《冷水機組能效要求等標準規(guī)范》(GB 19577—2015),按照如下設計配置冷熱源。
(1)暖通空調系統(tǒng)包括冷水機組、水冷一體化、多聯(lián)式機組三部分,其中,冷水機組選用離心式冷水機組為螺桿式冷水機組,負責該建筑的低層區(qū)域制冷;水冷一體化機組負責建筑機房的冷源;多聯(lián)式機組為VRV 多聯(lián)機系統(tǒng),負責建筑高層區(qū)域制冷。
(2)在能源輸配中,中央空調部分設計一次泵系統(tǒng),分別在建筑的低層和高層區(qū)配置不同分集水器,負責不同環(huán)路;24h 空調部分配置兩管制一次泵系統(tǒng);高層辦公區(qū)直接通過多聯(lián)式機組輸配。
(3)在暖通空調系統(tǒng)末端,大廳配置全空氣系統(tǒng),低層辦公區(qū)配置風機盤管+新風系統(tǒng);高層辦公區(qū)配置多聯(lián)機+新風系統(tǒng)。
在基于水冰蓄冷的暖通空調設計中,水為暖通空調系統(tǒng)的載冷劑,水輸送環(huán)節(jié)的能耗控制,是降低暖通空調能耗的關鍵。在該高層建筑中,水系統(tǒng)設計內容如下。
(1)在一級泵空調水系統(tǒng)中,將所有水泵選為變頻水泵,根據(jù)暖通空調運行需求,調節(jié)水泵運行參數(shù),減少水泵能耗;在二級及以上泵系統(tǒng)中,將負荷側的水泵全部更換為變頻水泵。
(2)將水系統(tǒng)設計為閉式循環(huán)系統(tǒng),優(yōu)化配置閥門與冷卻塔,盡最大限度減少閥門的使用,降低閥門阻力,減少水泵系統(tǒng)的揚程。結合暖通空調設計要求,選擇高效冷卻塔,并配置軟膠或減振設備,降低冷卻塔運行噪聲,避免噪聲污染或熱污染的出現(xiàn),降低耗電比控制在0.09kW(m3∕h)。
(3)在空調系統(tǒng)中,配置過濾、阻垢、防腐措施,提高空調水質量。同時,應用高位開式膨脹水箱進行暖通空調定壓操作,提高水泵運行效率。
在暖通空調風系統(tǒng)設計時,設計人員需按照節(jié)能標準規(guī)范規(guī)定的風量要求,在滿足建筑室內空氣標準的基礎上,減少暖通空調能耗。對于該高層建筑,設計人員按照如下思路設計暖通空調風系統(tǒng):優(yōu)化設計送風、排風方式運行;使暖通空調在過渡季節(jié)實施全新風運行;使全空氣空調系統(tǒng)的新風比可調;在集中空調系統(tǒng)中實施熱交換;回收利用余熱。結合該思路,風系統(tǒng)的設計要點如下:
(1)優(yōu)化選擇硬件設備。暖通空調風系統(tǒng)的所有風機均選用變頻風機,組合機組的運行總效率高于60%,并在新風段安裝空氣過濾設備,使其過濾效果達到MERV13級別。
(2)在建筑一層大廳中設計全空氣系統(tǒng),在風柜房內,整合新風與回風,使二者遵循一定比例混合后在傳輸至室內,比例調節(jié)由新風閥開度決定。在過渡季節(jié),新風比為50%,實現(xiàn)新風比可調目標。
(3)通過排風和新風間的熱交換,回收暖通空調風系統(tǒng)內的廢棄熱量。在高層建筑的每層暖通空調風系統(tǒng)中,安裝排風熱回收機組,負責新風的預冷∕預熱工作,實現(xiàn)廢棄熱量的回收再利用,降低新風能耗。同時,設計人員在熱回收機組內配置變頻器與靜電除塵器,前者可根據(jù)室內二氧化碳含量,調節(jié)新風送風量,減少暖通空調能耗;后者可清理新風攜帶的灰塵,避免污染物進入建筑內,實現(xiàn)綠色環(huán)保目標。
在綠色建筑暖通空調運行中,控制系統(tǒng)是調節(jié)各項參數(shù)的關鍵,直接影響暖通空調的節(jié)能效果,設計人員應提高重視,優(yōu)化設計。在該高層建筑中,設計人員實施的控制系統(tǒng)設計工作如下。
(1)明確控制系統(tǒng)功能。結合暖通空調系統(tǒng)運行特點與綠色建筑要求,設計人員分析控制系統(tǒng)應具備的功能,為軟硬件設計提供指導。要求控制系統(tǒng)全面采集暖通空調系統(tǒng)參數(shù),涵蓋冷熱源、水系統(tǒng)與風系統(tǒng)等各個部分,并根據(jù)各個部分硬件設備的運行要求與運行工況,遵循設定邏輯智能調節(jié)設備參數(shù),使暖通空調系統(tǒng)保持高效運行,降低能耗。
(2)合理配置控制設備。設計人員在排風熱回收機組中安裝溫濕度傳感器,在排風量超過5000m3∕h時,采集暖通空調系統(tǒng)溫濕度,實現(xiàn)廢棄熱量的全面回收。同時,在會議室等人流密集區(qū),設置二氧化碳傳感器,根據(jù)室內二氧化碳濃度,智能調節(jié)新風量,提高室內空氣質量;在地下車庫等相對封閉區(qū)域,設置一氧化碳傳感器,根據(jù)實時監(jiān)測結果,不定期開啟地下車庫排風機,優(yōu)化地下車庫環(huán)境。
(3)調整計量檢測標準。為評估暖通空調系統(tǒng)能耗,持續(xù)改進暖通空調,設計人員將高層建筑不同系統(tǒng)的電量進行分項計量,高層建筑的冷熱源部分、照明系統(tǒng)、輸配電系統(tǒng)等部分,單獨計量電能,實時掌握暖通空調系統(tǒng)能耗。在高層建筑暖通空調系統(tǒng)能耗增加后,可立即評估暖通空調各個部分的電力使用狀況,了解能耗增加的硬件,調整其運行參數(shù)或更換高效設備,進而降低暖通空調能耗。
在該高層建筑暖通空調設計完成后,施工單位嚴格按照設計要求進行暖通施工,配置高效硬件設備。系統(tǒng)投入使用后,冷熱水系統(tǒng)的輸送能效比為0.0195,暖通空調的能耗為83.28kW·h∕㎡,低于當?shù)亟ㄖ?jié)能標準要求的能耗,滿足綠色建筑建設要求??梢?,上述暖通空調設計方案可行且合理,可在綠色建筑工程建設中推廣應用。
綜上所述,在綠色建筑暖通空調設計中,設計人員應遵循綠色環(huán)保、節(jié)能降耗、循環(huán)利用原則,圍繞建筑本身、水冰蓄冷、太陽能或地源熱泵實施暖通空調設計,合理規(guī)劃暖通空調的冷熱源、水系統(tǒng)、風系統(tǒng)及控制系統(tǒng),發(fā)揮暖通空調功能基礎上,減少暖通空調能耗與污染,滿足綠色建筑建設要求。