馮天琪，王璇，楊慧禹，楊鵬翔

北京市設備安裝工程集團有限公司，北京，100124

0 引言

暖通空調系統(tǒng)的能耗在建筑能耗中的占比通?？蛇_到30%～50%，因而成為節(jié)能設計和控制的重點。當前，針對建筑采暖、通風以及空調系統(tǒng)的節(jié)能技術研究已經(jīng)取得了較為豐碩的成果，并系統(tǒng)性地歸納節(jié)能技術現(xiàn)狀有助于制定科學的應用策略，提高建筑綠色節(jié)能發(fā)展水平。

1 暖通空調系統(tǒng)計算溫度取值

建筑暖通空調系統(tǒng)包括采暖、通風和空氣調節(jié)三個部分，其中采暖系統(tǒng)和空氣調節(jié)系統(tǒng)能夠調節(jié)室內溫度。顯然，系統(tǒng)能耗水平與溫度取值存在直接關系?！睹裼媒ㄖ┡L與空氣調節(jié)設計規(guī)范》（GB 50736-2012）中對冬季室內供暖設計溫度和長期逗留區(qū)域空氣調節(jié)室內設計參數(shù)作出了規(guī)定，室內供暖溫度的設計要求如表1所示。合理控制溫度取值有利于精確控制冷熱負荷。

表1 民用建筑冬季室內設計溫度

2 供暖系統(tǒng)節(jié)能技術要點及應用

2.1 精確計算熱負荷

熱負荷影響著供暖系統(tǒng)的熱源裝機容量、管道直徑、水泵配置以及末端供熱設備，如果熱負荷設計超過實際需求，有可能導致供暖系統(tǒng)配置偏大，進而造成熱量浪費[1]。因此，精確計算熱負荷是供暖系統(tǒng)節(jié)能設計的重要環(huán)節(jié)。熱負荷決定于兩方面因素，其一是供暖系統(tǒng)從熱源獲取的總熱量。其二是系統(tǒng)和建筑物散失的熱量，包括建筑圍護結構的耗熱量、通風耗熱量、門窗耗熱量等。以建筑圍護結構為例，其耗熱量Q的計算方法如式（2-1）。

式中α表示圍護結構的溫差修正系數(shù)，圍護結構的面積和傳熱系數(shù)分別記為F、K。tn和twn分別為冬季供暖時的室內、室外溫度。

2.2 選擇有利于節(jié)能的熱源

建筑供暖系統(tǒng)大多以熱水為媒介，加熱空氣或者建筑物結構。例如，集中供暖采用散熱器作為終端時，熱媒溫度應設計為85/60℃或者75/50℃。熱源用于提高熱媒介的溫度，在供暖系統(tǒng)設計中應優(yōu)先采用有利于節(jié)能的熱源。常用熱源為火力發(fā)電產生的余熱、工業(yè)制造產生的廢熱。水（地）源熱泵技術不依賴于化石燃料的燃燒放熱，有利于節(jié)能減排?！秶芫株P于2022年公共機構能源節(jié)約和生態(tài)環(huán)境保護工作安排的通知》要求實現(xiàn)新增熱泵供熱（制冷）面積達200萬平方米。當前，此類技術涌現(xiàn)出一批成熟的應用案例，比如，國內某高等院校成功設計投用中深層地熱地埋管管群供熱系統(tǒng)，管道埋深達到地下2～3km處，供暖負荷為75.69MW，服務建筑面積為159萬平方米，相比于燃煤鍋爐供熱，該系統(tǒng)在一個供暖季內可節(jié)約煤炭2.54萬噸。

2.3 供暖系統(tǒng)及管路節(jié)能設計

2.3.1 供暖系統(tǒng)節(jié)能設計基本原則

第一，采暖系統(tǒng)應具備分戶獨立供暖和調控的能力，形式上宜設計為雙管系統(tǒng)。在城市集中供暖中，由市政熱力單位統(tǒng)一提供熱源，部分用戶在供熱季內暫時無供暖需求，分戶調控能夠關閉相應管路，從而避免熱量和能源浪費。

第二，盡可能減少熱力入口數(shù)量。熱力入口用于調節(jié)和控制熱力介質的壓力和流量，減少熱力入口數(shù)量有利于保持水力平衡，進而維持室內溫度的穩(wěn)定性。

2.3.2 供暖管路布置方式

合理的管路布置方式能夠降低供暖系統(tǒng)能耗。建筑室內供暖管路應設計為分戶獨立循環(huán)系統(tǒng)，共用立管，并根據(jù)建筑高度合理選擇垂直單管跨越式系統(tǒng)或者垂直雙管系統(tǒng)[2]。常用管路制式包括下供下回水平雙管系統(tǒng)、上供上回水平雙管系統(tǒng)、低溫熱水地面輻射供暖系統(tǒng)。

2.4 末端供熱設備節(jié)能控制

末端供熱設備具有多種類型，常用的包括散熱器、低溫熱水輻射供暖管路。合理設計末端供水設備有助于維持較高的室溫，從而降低熱源負荷。以熱水輻射供暖管路為例，通常可在建筑物地面、墻面以及頂棚設置毛細管網(wǎng)，以熱介質實現(xiàn)室內升溫。建筑物頂棚和墻面的毛細管網(wǎng)供水溫度宜控制在25～35℃之間，地面毛細管網(wǎng)的供水溫度應設置在30～40℃之間?？刂颇┒嗽O備供水溫度是保證節(jié)能效果的重要措施。

3 通風系統(tǒng)節(jié)能技術要點及應用

3.1 充分利用自然通風

建筑通風系統(tǒng)的主要作用為降低室內溫度、去除室內余濕以及更新室內空氣。自然通風不消耗電力能源，因而節(jié)能效果突出。在建筑設計階段應結合季節(jié)風向、區(qū)域微環(huán)境特點合理設計建筑物朝向及結構。根據(jù)夏季風向特點，將建筑物的迎風面與風向的夾角控制在60～90度之間，至少應達到45度[3]。城市建筑群在平面布置方式上應采取斜列式和錯列式，從而充分利用穿堂風。另外，設計捕風裝置有利于形成壓力梯度，進而強化自然通風的效果。通風量用于評估自然通風的效果，在設計自然通風系統(tǒng)時應計算通風量，實現(xiàn)量化控制。熱壓動力下的自然通風量G按照式（3-1）進行計算。

式中Q、C、tp、twf分別為室內全部余熱、空氣比熱、排風溫度以及夏季室外溫度。

3.2 機械通風節(jié)能設計要點

3.2.1 精確計算系統(tǒng)總風量

系統(tǒng)風量影響著排風機械設備的功率，進而作用于能耗控制。在機械通風節(jié)能設計中應精確計算公共廚房、浴室、衛(wèi)生間、設備機房、車庫、起居室等部位的通風量及換氣次數(shù)。通風換氣量依據(jù)熱平衡原理進行計算。換氣次數(shù)影響著室內新風的質量和總風量，換氣次數(shù)越多，機械設備運行時長和總能耗也越高，在滿足使用需求的情況下應盡量控制換氣次數(shù)。GB 50736-2012對民用建筑室內人員所需最小新風量作出了規(guī)定，如表2所示，在設計機械通風系統(tǒng)時可按照相關指標確定通風量需求。

表2 民用建筑主要房間每人所需最小新風量

3.2.2 通風機械設備選型

（1）合理控制通風機械的功率。通風機的功率與系統(tǒng)總風量密切相關，送風機和排風機的功率應滿足總風量要求。另外，由于建筑物的門窗等部位容易形成漏風，計算風機功率時必須考慮漏風量造成的功率損失。通常根據(jù)送、排風機的作用部位設置一定的附加風量，一般是在理論計算的基礎上增加5%～10%，如果通風系統(tǒng)具有除塵和排煙功能，附加風量應適當提高。因此，通風機的功率按照理論風量與附加風量之和進行計算。

（2）采用變頻調速風機。定頻風機的轉速和功率固定不變，但通風需求有可能發(fā)生變化，因此，定頻風機難以根據(jù)需求變化調整轉速和功率，不利于節(jié)能。變頻調速風機借助變頻器靈活調控功率，其運行頻率可控制在30～45Hz，而定頻風機運行于50Hz下。因此，變頻調速風機通常比定頻風機節(jié)能50%～70%。

3.2.3 強化空氣熱回收效果

新風系統(tǒng)屬于通風系統(tǒng)的一部分，其在公共建筑和住宅建筑中應用廣泛。但新風系統(tǒng)在冬季換氣時會帶走室內熱量，造成一定的能量損失。在工程實踐中可針對新風系統(tǒng)設置空氣熱回收裝置，或者采用帶有熱回收功能的新風換氣機。當系統(tǒng)向室外排風時，室內熱空氣會流經(jīng)專門的蓄熱體，蓄集一部分熱量。當室外新鮮空氣進入室內時，再由蓄熱體加熱冷空氣，從而實現(xiàn)能量的回收利用，提高通風系統(tǒng)的節(jié)能效果。在無管道熱回收新風系統(tǒng)中，蓄熱體為圓柱形蜂窩狀陶瓷體，其放熱效率超過99%[4]。

4 空氣調節(jié)系統(tǒng)節(jié)能技術要點及應用

4.1 計算空調負荷

空調冷熱負荷計算的結果直接影響主機功率以及末端設備，應盡可能精確地計算空調負荷，從而合理確定主機功率，避免能源浪費。以空調夏季冷負荷計算為例，影響該指標的因素包括經(jīng)由建筑圍護結構傳入的熱量、人體的散熱量、室內電氣設備的散熱量、食物的散熱量等。早期采用人工方式計算空調區(qū)的夏季得熱量，現(xiàn)階段主要使用建筑冷負荷計算軟件實現(xiàn)精確計算。人工計算方法在當前依然適用，例如，人體散發(fā)的熱量會造成室內升溫，空調冷負荷計算中應涵蓋人體散熱，其計算公式為（4-1）。

式中將人體散熱造成的逐時冷負荷記為CL，冷負荷系數(shù)記為Ccl,人體散發(fā)的熱量記為Q，C為修正系數(shù)。

4.2 空氣調節(jié)冷熱源節(jié)能設計

4.2.1 優(yōu)先使用廢熱、余熱以及可再生能源

空氣調節(jié)系統(tǒng)通過消耗熱能、機械能或其他形式的能源實現(xiàn)制冷和制熱。因此，選擇恰當?shù)睦錈嵩茨軌蝻@著降低系統(tǒng)能耗水平。在節(jié)能設計中應優(yōu)先利用企業(yè)生產所形成的廢熱和余熱，溴化鋰吸收式冷水機組能夠有效利用廢熱和余熱，可作為空氣調節(jié)系統(tǒng)的冷源機組。太陽能、淺層地熱能、中深層地熱能可作為空氣調節(jié)系統(tǒng)的冷熱源，其在節(jié)能環(huán)保方面效果突出?？稍偕茉吹姆€(wěn)定性相對較差，有可能影響空氣調節(jié)系統(tǒng)的正常運行，因而需設計輔助性的冷熱源。

4.2.2 采用熱泵技術

空調是傳統(tǒng)的建筑制冷、制熱設備，消耗了大量的電力能源。熱泵在功能上與空調類似，但節(jié)能效果優(yōu)于傳統(tǒng)空調。熱泵分為空氣源熱泵和地源熱泵，其工作原理存在一定的差異。以地源熱泵為例，不僅可作為冬季的采暖設備，在夏季亦可用于制冷。地源熱泵的壓縮機組對冷媒做功，促使其發(fā)生汽-液轉化，冷媒經(jīng)由熱交換器吸收室內空氣中的熱量，再通過水路循環(huán)吸收冷媒中的熱量，最后將熱量傳導至地下水或者土壤中，其工作原理如圖1所示。顯然，在炎熱的夏季，地下水和土壤的溫度明顯低于室外空氣的溫度，因而地源熱泵制冷時消耗的能量也遠低于空調。空氣源熱泵的節(jié)能效果也強于傳統(tǒng)空調。

圖1 地源熱泵示意圖

4.2.3 運用水蓄冷空調技術

電力系統(tǒng)在白天處于用電高峰期，在夜間處于用電低谷期?？照{制冷主要在晝間發(fā)揮作用，夏季大規(guī)模的空調運行與企業(yè)生產疊加，對電力負荷造成了很大的負擔，同時增加了峰谷差距。水蓄冷空調在夜間用電低谷期開機工作，將冷量存儲在低溫冷凍水（溫度不低于4℃）中，然后在白天將這些低溫冷凍水作為空調的冷媒，進行室內制冷。該技術的運用有利于電網(wǎng)的“削峰填谷”。在夜間蓄冷時，由于氣溫低于白天，冷卻難度降低，冷卻效果提高，空調機組的效率可提升6%～8%[5]。與常規(guī)空調相比，水蓄冷空調的節(jié)電率通常不低于10%。另外，由于電力能源供應追求穩(wěn)定性，供電時需滿足白天的高峰用電需求，由此導致夜間低谷期浪費了部分電力能源?！跋鞣逄罟取碧岣吡穗娋W(wǎng)系統(tǒng)的能源利用率，可見，水蓄冷空調技術也能間接促進用電終端的節(jié)能效果。

4.3 運用空調余熱回收技術

傳統(tǒng)的分體式空調和中央空調仍然是主流的空氣調節(jié)系統(tǒng)，其外機在運行過程中會向外界散發(fā)大量的冷凝熱。空調余熱回收技術主要針對散熱較為集中的中央空調，在機組上安裝高效的熱回收設備和熱泵接駁裝置，該系統(tǒng)使溫度較高的冷媒與自來水進行熱交換，從而回收原本直接排放至空氣的空調余熱，熱泵設備利用這部分廢熱加熱自來水，提供洗浴和洗滌用熱水[6]。該技術的運用使傳統(tǒng)空調的能耗降低了10%～15%，其產生的熱水溫度在55℃～100℃之間。

5 結語

暖通空調系統(tǒng)的能耗水平與冷熱負荷計算、冷熱源類型、設備節(jié)能效果等密切相關。精確計算冷熱負荷以及系統(tǒng)總風量有利于控制設備功率，避免功率設計偏大。冷熱源方面應該優(yōu)先利用廢熱、余熱，逐步擴大可再生能源的占比。地源熱泵、空調水蓄冷、變頻調節(jié)、余熱回收等技術能夠進一步提高建系統(tǒng)節(jié)能效果。在設計建筑暖通空調系統(tǒng)時應綜合運用各類技術，全面降低系統(tǒng)能耗，實現(xiàn)節(jié)能運行。