景燕鵬

1 建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程節(jié)能減排的設(shè)計(jì)方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路應(yīng)遵循系統(tǒng)化、科學(xué)化和智能化的原則[1]。具體為：第1，系統(tǒng)化思路。充分考慮建筑結(jié)構(gòu)、朝向、使用功能、外部環(huán)境等多個(gè)因素之間的相互關(guān)系和相互制約，針對性地進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的整體協(xié)調(diào)運(yùn)行。第2，科學(xué)化。根據(jù)建筑熱力學(xué)、流體傳熱學(xué)等理論基礎(chǔ)，利用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)技術(shù)，對建筑采暖負(fù)荷、空調(diào)負(fù)荷、新風(fēng)回收潛能等進(jìn)行科學(xué)預(yù)測和評估，制訂系統(tǒng)控制策略，實(shí)現(xiàn)精確調(diào)節(jié)，避免資源浪費(fèi)。第3，智能化。運(yùn)用可再生能源技術(shù)、自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)算法等技術(shù)手段，持續(xù)優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行控制策略，實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜動(dòng)態(tài)建筑環(huán)境的主動(dòng)感知和快速響應(yīng)，保證系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下仍穩(wěn)定高效運(yùn)行，降低人工操作和維護(hù)成本。該設(shè)計(jì)思路立足建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程實(shí)際狀況，利用系統(tǒng)科學(xué)與智能技術(shù)的融合，旨在實(shí)現(xiàn)建筑舒適性與系統(tǒng)能效之間的平衡和協(xié)調(diào)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排與可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)[2]。

1.2 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排系統(tǒng)主要包括采暖模塊、通風(fēng)模塊和空調(diào)模塊，每個(gè)模塊都有不同的設(shè)計(jì)和工作原理（圖1）。

圖1 建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程節(jié)能減排系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(huán)境影響，故系統(tǒng)選用太陽能熱水器作為采暖供熱的基礎(chǔ)設(shè)備，通過利用高效的熱交換器，最大限度地實(shí)現(xiàn)熱能傳遞和熱能損失的減少，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)管道系統(tǒng)，以減少管道阻力與熱量損失[3]。根據(jù)建筑布局需求，在建筑物墻面布置風(fēng)機(jī)，以保證建筑物室內(nèi)良好的空氣流通。根據(jù)建筑的使用類型、人員數(shù)量和空氣質(zhì)量要求，可計(jì)算出合適的通風(fēng)量，以確保室內(nèi)空氣的新鮮和舒適[4]。通過熱交換器與新風(fēng)供應(yīng)，可實(shí)現(xiàn)室外新風(fēng)與室內(nèi)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(shè)計(jì)后，根據(jù)建筑的熱負(fù)荷和設(shè)備功率等，得出空調(diào)系統(tǒng)所需的制冷或制熱狀態(tài)，并依照建筑不同區(qū)域的熱負(fù)荷和使用需求，將建筑劃分為不同的空調(diào)分區(qū)，實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)的精準(zhǔn)控制。

2 工作原理

2.1 采暖供熱模塊

2.1.1 熱源和供熱設(shè)備布置

采暖供熱模塊的設(shè)計(jì)需確定合適的熱源和供熱設(shè)備。因可再生能源的環(huán)境友好性，該系統(tǒng)選擇太陽能集熱器作為主要的熱源設(shè)備。第1，確定安裝位置。根據(jù)建筑物的位置和周邊環(huán)境，選擇建筑物北側(cè)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(jù)不同緯度和季節(jié)變化設(shè)定最佳傾斜角。在我國北方地區(qū)，一般夏季設(shè)為15°，冬季設(shè)為50°。第3，集熱器數(shù)量確定。根據(jù)建筑采暖負(fù)荷預(yù)測值，計(jì)算出需供熱能量。然后根據(jù)單位集熱器產(chǎn)生熱量數(shù)據(jù)估算所需集熱器數(shù)量，一般取較保守值。第4，集熱循環(huán)水系統(tǒng)。集熱循環(huán)水系統(tǒng)將集熱器與熱交換器連接，采用自然循環(huán)或強(qiáng)制循環(huán)。考慮北方冬季氣溫過低，易出現(xiàn)水管凍裂故障，采用帶有防凍液的強(qiáng)制循環(huán)系統(tǒng)。第5，安全防護(hù)。設(shè)備運(yùn)行過程中，收集箱中的高溫水可能引發(fā)安全事故。因此，每個(gè)集熱器組件出口設(shè)置溫控閥，熱水箱設(shè)置安全閥，并預(yù)留排水和清洗口，確保運(yùn)行安全。通過對太陽能集熱系統(tǒng)的精心設(shè)計(jì)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(wěn)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(tǒng)設(shè)計(jì)

采暖供熱模塊通過熱交換器和管道系統(tǒng)將熱能傳遞給建筑物內(nèi)部，實(shí)現(xiàn)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(zhì)的設(shè)備，該系統(tǒng)采用板式熱交換器通過堆疊和固定在一起，形成一個(gè)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(jìn)入板式熱交換器，通過在熱交換器的進(jìn)口上方設(shè)置連接口，使聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）管道與熱交換器的進(jìn)口相連接。熱交換流體通過板式熱交換器中的板間隙流動(dòng)，沿著平行排列的金屬板進(jìn)行傳導(dǎo)和對流。同時(shí)，供暖介質(zhì)也從入口處進(jìn)入板式熱交換器。供暖介質(zhì)通過板間隙流動(dòng)，與熱交換流體進(jìn)行熱量交換，此時(shí)，熱量通過板之間的傳導(dǎo)和對流進(jìn)行交換，從熱交換流體傳遞到供暖介質(zhì)，經(jīng)過熱交換后，冷卻的熱交換流體和加熱的供暖介質(zhì)分別從出口處排出，排出口下方設(shè)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(dòng)，利用板的大面積接觸，可實(shí)現(xiàn)熱量高效傳遞。

2.2 通風(fēng)模塊

2.2.1 風(fēng)機(jī)及通風(fēng)量

風(fēng)機(jī)安裝在室內(nèi)，以便于將新鮮空氣引入室內(nèi)或?qū)⑹覂?nèi)空氣排出，保障空氣流動(dòng)的正確方向，實(shí)現(xiàn)良好的通風(fēng)效果，風(fēng)機(jī)與控制系統(tǒng)相連可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)。計(jì)算通風(fēng)量是確定建筑物所需通風(fēng)量的過程，以確保室內(nèi)空氣的新鮮度和舒適性。通風(fēng)采用美國采暖，制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)（American Society of Heating， Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）標(biāo)準(zhǔn)，針對要計(jì)算通風(fēng)量的特定空間，確定關(guān)鍵參數(shù)。在ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn)62.1-2019 中，空間通風(fēng)量計(jì)算公式見式（1）：

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

式（2）中：Q為通風(fēng)量，N為人員數(shù)量，ACH為空氣變化率，VR為人員密度（m3/人）。根據(jù)通風(fēng)需求，將通風(fēng)量轉(zhuǎn)換為換氣次數(shù)或換氣量。換氣次數(shù)表示單位時(shí)間內(nèi)完全更換空間內(nèi)的空氣次數(shù)，而換氣量表示單位時(shí)間內(nèi)需輸入或排出的空氣體積。

2.2.2 新風(fēng)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排系統(tǒng)中，新風(fēng)回收系統(tǒng)是通風(fēng)模塊的重要組成部分，其能夠最大限度地利用室內(nèi)排出廢棄空氣中的熱能和濕度，并將其轉(zhuǎn)移到新鮮進(jìn)風(fēng)中，以減少能量損失和熱量浪費(fèi)，新風(fēng)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)（圖3）。

圖3 新風(fēng)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖（來源：作者自繪）

新風(fēng)回收系統(tǒng)布置于建筑機(jī)房，以確保其易于維護(hù)操作。熱交換器垂直放置，使得新風(fēng)和廢棄空氣能夠通過熱交換器的板片，新風(fēng)進(jìn)口處安裝過濾器，以滿足空氣質(zhì)量要求?？紤]空間限制和安裝要求，選擇適當(dāng)?shù)娘L(fēng)道尺寸和形狀，并確保風(fēng)道連接順暢、密封良好，以減少能量損失和風(fēng)阻。

2.3 空調(diào)模塊

2.3.1 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

空調(diào)負(fù)荷是根據(jù)建筑物的熱特性和使用要求，計(jì)算出其所需的制冷或制熱能力，為正確選擇空調(diào)設(shè)備提供基礎(chǔ)依據(jù)。建筑物的傳熱熱負(fù)荷計(jì)算公式見式（3）：

式（3）中：Qw為墻體傳熱熱負(fù)荷，Qf為地板傳熱熱負(fù)荷，Qs為天花板傳熱熱負(fù)荷，Qg為玻璃傳熱熱負(fù)荷?？諝鈧鳠釤嶝?fù)荷計(jì)算公式見式（4）：

式（4）中：Qr為人員及燈具的熱負(fù)荷。冷負(fù)荷計(jì)算公式見式（5）：

式（5）中：Q為冷負(fù)荷。在進(jìn)行空調(diào)負(fù)荷計(jì)算時(shí)，應(yīng)綜合考慮建筑物的特性和使用要求，并利用相應(yīng)計(jì)算公式參數(shù)，以保證計(jì)算準(zhǔn)確性。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，選擇適宜的空調(diào)設(shè)備類型，對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和布局。

2.3.2 空調(diào)系統(tǒng)分區(qū)

通過合理的分區(qū)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的獨(dú)立溫控和節(jié)能運(yùn)行。根據(jù)建筑的功能、使用需求和熱負(fù)荷特點(diǎn)，將建筑空間劃分為不同的區(qū)域，確保每個(gè)區(qū)域具有相似的使用特性和熱負(fù)荷需求[6]。

評估建筑的熱負(fù)荷特點(diǎn)，包括日照情況、外部氣候條件、建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、人員活動(dòng)和設(shè)備使用等因素。這些因素對各個(gè)區(qū)域的熱負(fù)荷產(chǎn)生影響，因此在劃分區(qū)域時(shí)需提前考慮。使用熱負(fù)荷計(jì)算方法對各區(qū)域的熱負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果，評估各個(gè)區(qū)域的熱負(fù)荷差異。如果某些區(qū)域的熱負(fù)荷明顯高于其他區(qū)域，則需將其劃分為單獨(dú)的溫控區(qū)域，以便更精確地控制溫度和節(jié)約能源?？紤]人員密度和活動(dòng)水平的差異，將人員密集的區(qū)域劃分為獨(dú)立溫控區(qū)域和常溫區(qū)域。

2.3.3 溫濕度控制

使用進(jìn)程控制符（Process Identifier，PID）控制算法調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的制冷或制熱能力，維持目標(biāo)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(shù)，用于調(diào)節(jié)比例項(xiàng)的作用強(qiáng)度；e為當(dāng)前溫度與目標(biāo)溫度之間的差異；Ti為積分時(shí)間常數(shù)，用于調(diào)節(jié)積分項(xiàng)的作用強(qiáng)度；I為積分項(xiàng)，表示偏差的積分累計(jì)；Td為微分時(shí)間常數(shù)，用于調(diào)節(jié)微分項(xiàng)的作用強(qiáng)度；D為微分項(xiàng)，表示偏差的變化率。設(shè)置Kp、Ti和Td的初始值后，獲取當(dāng)前溫度和目標(biāo)溫度計(jì)算偏差，將偏差累積到積分項(xiàng)中，計(jì)算積分項(xiàng)，考慮微分時(shí)間常數(shù)Td計(jì)算偏差的變化率，結(jié)合公式計(jì)算出控制信號。根據(jù)計(jì)算得出的控制信號，可獲得調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的制冷或制熱能力。

3 系統(tǒng)測試

進(jìn)行系統(tǒng)測試前，將所有的設(shè)備和控制系統(tǒng)安裝并連接好，按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)試和調(diào)整。針對系統(tǒng)設(shè)計(jì)的能耗降低率經(jīng)測試后，獲得數(shù)據(jù)見表1。根據(jù)測試結(jié)果可知，系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中能耗降低10%，表明系統(tǒng)在測試期間取得了良好的節(jié)能效果，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的有效性和可行性。通過優(yōu)化采暖供熱模塊、通風(fēng)模塊和空調(diào)模塊，系統(tǒng)能夠更高效地利用能源，減少能源浪費(fèi)，降低對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響。

表1 基于建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

4 結(jié)語

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們逐漸意識(shí)到建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程中存在的高能耗問題及其所帶來的環(huán)境影響，設(shè)計(jì)節(jié)能減排系統(tǒng)已成為建筑領(lǐng)域的重要課題。本文針對建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一整套面向節(jié)能減排的系統(tǒng)方案。通過對采暖供熱模塊、通風(fēng)模塊和空調(diào)模塊的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，該系統(tǒng)充分考慮太陽能的應(yīng)用、熱交換的效率、新風(fēng)回收和溫濕度控制等多個(gè)方面，從而全面提高建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程系統(tǒng)的節(jié)能減排效果。測試結(jié)果驗(yàn)證了該系統(tǒng)的節(jié)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(fēng)空調(diào)運(yùn)行模式。

隨著技術(shù)的更新和用戶需求的變化，建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排系統(tǒng)仍有很大的改進(jìn)空間。未來可考慮將更多新興技術(shù)如人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等引入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的自主控制與學(xué)習(xí)優(yōu)化。另外，還可以繼續(xù)探索建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)與該系統(tǒng)的耦合關(guān)系，研究不同建筑類型下系統(tǒng)的最優(yōu)配置。本文為建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排提供了一種較為全面的系統(tǒng)化設(shè)計(jì)方案，也可為業(yè)內(nèi)同行提供有益借鑒與啟發(fā)。希望通過類似研究的推進(jìn)，建筑行業(yè)能逐步走向可持續(xù)發(fā)展，共創(chuàng)資源節(jié)約和環(huán)境友好的美好明天。