張雙雙 高樹鑫

第一作者簡介：張雙雙（1996-），女，碩士，助教。研究方向?yàn)榕照{(diào)節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.032

摘? 要：暖通空調(diào)是建筑工程中重要組成部分，直接影響建筑的熱舒適性。隨著居民對建筑舒適度要求的提高，暖通工程的能耗也在逐漸升高，實(shí)現(xiàn)暖通空調(diào)節(jié)能是實(shí)現(xiàn)建筑降碳的重要舉措。該文以實(shí)際項(xiàng)目為例，基于人體熱舒適性指標(biāo)對暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，分別對暖通空調(diào)的冷熱源系統(tǒng)、泵組和新風(fēng)設(shè)備進(jìn)行研究，并對設(shè)備進(jìn)行能耗監(jiān)測，最終得出設(shè)備的節(jié)能效果和暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)的提升重點(diǎn)，為暖通設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：暖通空調(diào)；節(jié)能技術(shù)；建筑工程；冷熱源；參數(shù)設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB657.2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）13-0132-04

Abstract： HVAC is an important part of building engineering， which directly affects the thermal comfort of buildings. With the improvement of residents' requirements for building comfort， the energy consumption of HVAC projects is also gradually increasing. Realizing HVAC energy saving is an important measure to achieve building carbon reduction. Taking the actual project as an example， this paper designs the HVAC system based on the human thermal comfort index， studies the cold and heat source system， pump group and fresh air equipment of HVAC respectively， and monitors the energy consumption of the equipment. Finally， the energy-saving effect of the equipment and the focus of the HVAC energy-saving system are obtained， which provides a reference for HVAC design.

Keywords： HVAC; energy-saving technology; building engineering; cold and heat source; parameter design

我國將實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”作為重要戰(zhàn)略部署。實(shí)現(xiàn)國家“雙碳”規(guī)劃是廣泛且深刻的經(jīng)濟(jì)社會變革，各行各業(yè)將節(jié)能降碳作為研究工作的重點(diǎn)。建筑降碳也是實(shí)現(xiàn)碳中和的重要途徑。江億院士指出，在全行業(yè)踐行“雙碳”目標(biāo)的背景下，建筑降碳的重點(diǎn)在于設(shè)備降碳，通過設(shè)備能耗的不斷降低，持續(xù)推動建筑節(jié)能性能的不斷提升和改善，是保障實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和的重要途徑之一。研究表明，全國大型公共建筑能耗中，暖通空調(diào)能耗高達(dá)65%，中央空調(diào)系統(tǒng)耗能占暖通系統(tǒng)總能耗的50%。暖通空調(diào)是建筑工程中耗能最高的部分[1]，因此，實(shí)現(xiàn)建筑的暖通空調(diào)設(shè)備的運(yùn)行能耗的進(jìn)一步降低成為控制建筑工程能耗的重要環(huán)節(jié)，也是建筑能耗領(lǐng)域研究的重點(diǎn)。持續(xù)推進(jìn)暖通空調(diào)的節(jié)能技術(shù)在建筑工程中的應(yīng)用具有重要意義，基于長期的建筑節(jié)能分析和總結(jié)可以發(fā)現(xiàn)，暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能工作研究重點(diǎn)在于中央空調(diào)降耗，本文將以暖通空調(diào)的節(jié)能設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，綜合考慮人體熱舒適性指標(biāo)，通過對設(shè)備能耗的檢測，分析熱源系統(tǒng)、水泵機(jī)組和新風(fēng)設(shè)備的能耗情況，為建筑工程中的節(jié)能工作提供更多的支撐。

1? 工程概況

隨著建筑行業(yè)的發(fā)展，用戶對建筑環(huán)境要求不僅限于滿足基本的冷暖要求，熱舒適性等體感指標(biāo)越來越受到大眾關(guān)注，尤其是辦公建筑，其本身具有人員密度大，人員運(yùn)動規(guī)律不規(guī)則，以及人員主動調(diào)整熱舒適性位置的可能性較低。大型辦公建筑暖通空調(diào)能耗是系統(tǒng)能耗的主要部分，在解決能耗問題時(shí)充分考慮建筑的熱舒適性。通常，熱舒適性主要體現(xiàn)在室內(nèi)溫度和濕度兩方面，實(shí)際的熱舒適性指標(biāo)要綜合多個(gè)因素進(jìn)行考慮。就目前的HVAC空調(diào)系統(tǒng)而言，如何將控制策略向滿足人體熱舒適性的角度研究已經(jīng)成為暖通工程提升的重點(diǎn)內(nèi)容。

本文研究案例是位于河南省鄭州市的一座商業(yè)和辦公區(qū)域結(jié)合的綜合體建筑，總用地面積5 100 m2，建筑共3層，其中一層用作展廳和設(shè)備機(jī)房，二層主要用于辦公，三層主要設(shè)置會議室、儲藏間和員工休閑場所。建筑3層的層高分別為5.2，4.7，3.9 m。對暖通空調(diào)專業(yè)要求在滿足建筑使用功能的同時(shí)提升暖通專業(yè)的節(jié)能效果。其次，基于建筑熱舒適性的角度進(jìn)行評價(jià)，最終得出最佳的熱舒適性設(shè)計(jì)方案。

2? 基于建筑熱舒適性的節(jié)能系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

為了保障人體舒適度達(dá)到要求，建筑節(jié)能參數(shù)的設(shè)計(jì)通常需要結(jié)合建筑的使用特性進(jìn)行分析確定，在測定過程中最常用的人體舒適度研究策略是在相對穩(wěn)定的環(huán)境狀態(tài)下分析人體的熱交換情況。穩(wěn)態(tài)測試環(huán)境對環(huán)境的溫濕度、氣流組織等影響人體熱舒適性的指標(biāo)要求嚴(yán)格。在人體的舒適度分析中，關(guān)于熱舒適性研究數(shù)據(jù)主要依據(jù)現(xiàn)場調(diào)研。采用預(yù)測平均評價(jià)PMV的方法對上述設(shè)計(jì)的暖通節(jié)能系統(tǒng)進(jìn)行人體熱舒適性研究和分析，能夠保障建筑節(jié)能設(shè)計(jì)參數(shù)的合理性。其中，熱舒適性情況如圖1所示。

圖1? PMV指數(shù)

溫度主要影響的是人體的熱平衡，通過改變?nèi)说捏w感溫度帶來人體的熱感覺。人體的皮膚敏感程度較高，對溫度的感知非常敏銳，利用身體的散熱機(jī)制進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)?？照{(diào)系統(tǒng)設(shè)置時(shí)，越接近環(huán)境溫度耗能越低，結(jié)合環(huán)境熱舒適性，冬季和夏季設(shè)計(jì)溫度應(yīng)分別在20 ℃和27 ℃時(shí)，既滿足節(jié)能要求也帶給用戶較好的體驗(yàn)，這也是暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)的常見溫度范圍。

人體與周圍環(huán)境之間的換熱包括輻射和對流，其中最常見的是輻射換熱，平均輻射溫度主要取決于建筑的維護(hù)結(jié)構(gòu)。研究表明，平均輻射度每增加或減少1 ℃時(shí)，空氣溫度就會變化0.75 ℃，當(dāng)室內(nèi)溫度與輻射溫度的最大溫差超過7 ℃時(shí)，會大大降低環(huán)境的熱舒適度。因此，暖通計(jì)算中建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)、外形、內(nèi)部的功能分區(qū)、氣象參數(shù)、房間的作息及室內(nèi)發(fā)熱量等基本參數(shù)的設(shè)置與建筑節(jié)能設(shè)計(jì)保持一致?？照{(diào)系統(tǒng)性能系數(shù)和能效比、集中空調(diào)系統(tǒng)新風(fēng)量按照GB 50189—2015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定限值設(shè)置。

空氣相對濕度通過對人體皮膚表面的濕度與人體的舒適性產(chǎn)生影響，皮膚表面的濕度情況決定了和周邊環(huán)境的散熱程度，例如當(dāng)環(huán)境濕度在40%～70%環(huán)境下，皮膚具有相對較好的散熱能力。尤其是在空氣流動的情況下，散熱能力會極大地加強(qiáng)，這主要是因?yàn)榭諝饬鲃蛹铀偎终舭l(fā)，從而影響了人體的對流散熱量。當(dāng)空氣濕度過大，即使存在空氣流動，皮膚表面的蒸發(fā)量也十分有限，過高的濕度會給人黏膩等不適感。反之，若空氣濕度低于40%，會產(chǎn)生干燥的體感。暖通設(shè)計(jì)中供熱工況濕度要求大于30%，夏季制冷工況要求小于70%，為保證系統(tǒng)節(jié)能效果室內(nèi)濕度設(shè)計(jì)在40%～65%范圍內(nèi)，系統(tǒng)具備夏季和冬季調(diào)控功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自動低能耗除濕，同時(shí)限制風(fēng)速低于0.8 m/s，保證舒適性和節(jié)能效果兼顧。

新陳代謝是人體將能量用于生命活動的主要途徑，該過程所產(chǎn)生所釋放的熱量是人體熱量的重要來源。人體的代謝率是單位時(shí)間內(nèi)人體產(chǎn)熱的度量，定義為1 met=58.15 W/m2。決定代謝率的指標(biāo)包括人體活動強(qiáng)度。辦公建筑屬于輕度活動范圍，代謝率為1.6 met。在暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)辦公場所人員勞動強(qiáng)度設(shè)置最適宜的熱環(huán)境，就本項(xiàng)目而言屬于輕度活動場所，從系統(tǒng)節(jié)能角度考慮，夏季最適宜溫度為27 ℃，濕度為60%，冬季最適宜溫度為20 ℃，濕度為40%。

3? 暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)

3.1? 設(shè)計(jì)流程

本項(xiàng)目暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)重點(diǎn)包括冷熱源、輸配系統(tǒng)和末端3大部分，主要設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

冷熱源是暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能的關(guān)鍵設(shè)備，分為制熱和制冷2部分內(nèi)容。傳統(tǒng)的熱源通常采用市政供熱，熱量來自于90/60 ℃的熱水為采暖設(shè)備供熱[2]；冷源多是利用離心式制冷機(jī)組為區(qū)域提供冷量。市政供熱計(jì)費(fèi)方式和用能形式與區(qū)域規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)密切相關(guān)，計(jì)費(fèi)主要分為按采暖面積計(jì)費(fèi)和按用熱量計(jì)費(fèi)，具體的收費(fèi)形式由當(dāng)?shù)毓嵴緵Q定。用能形式主要由采暖末端形式?jīng)Q定，常見的有散熱器采暖和低溫地板輻射采暖。相對于市政供熱，采用熱泵供熱節(jié)能效果更為明顯，常用的熱泵形式主要包括空氣源熱泵、地源熱泵和水源熱泵等，其使用范圍主要受設(shè)備特性以及項(xiàng)目所處的地理位置決定，例如：空氣源熱泵設(shè)備在-5～-15 ℃的條件下存在結(jié)霜的問題，影響空氣源熱泵的使用效果。因此，在選用熱泵設(shè)備時(shí)，要充分考慮項(xiàng)目建設(shè)地區(qū)的環(huán)境條件，例如：使用地源熱泵時(shí)應(yīng)先對當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件進(jìn)行勘測，確保地?zé)峋身樌崆揖邆溟L期穩(wěn)定取熱條件。

圖2? 暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)流程

暖通空調(diào)輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于泵組的選型。在滿足設(shè)計(jì)計(jì)算的基礎(chǔ)上泵組應(yīng)優(yōu)先選擇變頻水泵。傳統(tǒng)水泵電機(jī)直接開啟存在一定程度上的電資源浪費(fèi)。變頻水泵設(shè)置變頻器，根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，避免電機(jī)過載或長時(shí)間空轉(zhuǎn)，不僅節(jié)約資源還延長水泵的壽命。

暖通空調(diào)末端設(shè)備節(jié)能設(shè)計(jì)可以從新風(fēng)機(jī)組以及風(fēng)機(jī)盤管方面進(jìn)行考慮，就新風(fēng)機(jī)組而言可利用新風(fēng)熱回收技術(shù)，最大程度地減少室內(nèi)熱量的損失，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。風(fēng)機(jī)盤管的節(jié)能設(shè)計(jì)可以通過溫度控制，自動調(diào)節(jié)室內(nèi)供冷或供熱量。研究表明，夏季室內(nèi)溫度從26 ℃提升至28 ℃時(shí)，冷負(fù)荷減少21%～23%；冬季室內(nèi)溫度從22 ℃降低至20 ℃時(shí)，熱負(fù)荷減少26%～31%[3]，可見通過室內(nèi)溫度調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)盤管運(yùn)行節(jié)能。

3.2? 冷熱源設(shè)計(jì)

冷熱源是暖通空調(diào)系統(tǒng)的動力核心，就本項(xiàng)目而言項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)遠(yuǎn)離市政熱水管網(wǎng)，不具備采用市政熱條件，因此制冷和采暖均利用空氣源熱泵供給。經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)冷負(fù)荷為502 kW，熱負(fù)荷為200 kW，因此選用5組LSQWF145/R2超低溫蓄能型空氣源熱泵機(jī)組，制熱量為145 kW、制冷量為95 kW，能效比（COP）為3.5。設(shè)置燃?xì)忮仩t作為輔助熱源，應(yīng)對冬季寒冷工況下空氣源熱泵供熱能力不足的問題。整個(gè)系統(tǒng)采用蓄冷蓄熱技術(shù)，間接提供冷熱水，設(shè)置蓄冷罐1個(gè)，蓄水量為120 m3，利用夜間8 h谷電蓄能，每天的總蓄冷量為700 kWh，供白天全天釋能使用，累積每年節(jié)省電費(fèi)約3.4萬元。

辦公建筑生活熱水傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式主要依賴于電加熱，經(jīng)計(jì)算本項(xiàng)目日均生活熱水用量在800 kg/d，完全使用電能會造成大量的電能消耗，因此設(shè)計(jì)使用太陽能熱水系統(tǒng)提供生活熱水。此外，為彌補(bǔ)冬季空氣源熱泵制熱效果變差的問題，創(chuàng)新使用太陽能熱水和空氣源熱泵耦合的系統(tǒng)形式。夏季太陽能熱水系統(tǒng)主要提供生活熱水，冬季在提供生活熱水之余為中央空調(diào)系統(tǒng)提供熱源。根據(jù)屋頂設(shè)計(jì)情況，預(yù)計(jì)鋪設(shè)80 m2面積太陽能集熱器，可累計(jì)生產(chǎn)熱水1 600 kg/d，經(jīng)核算太陽能熱水系統(tǒng)年耗電量2 000 kWh，累積節(jié)約電量33 460 kWh/a。

3.3? 輸配系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)備的制冷量和制熱量按照最大冷、熱負(fù)荷選取，泵組的選擇要滿足最不利條件要求[4]，但實(shí)際運(yùn)行工況不是一成不變的，這就要求空調(diào)系統(tǒng)能夠隨負(fù)荷的變化改變水流量以達(dá)到精準(zhǔn)控制和降低能耗的目的，空氣源熱泵的泵組選用變頻泵，可以完全解決上述問題。本文對空調(diào)的定流量系統(tǒng)和變流量系統(tǒng)進(jìn)行對比研究，并對建筑能耗進(jìn)行分析得出表1所示結(jié)果?？梢钥闯?，使用變流量泵組，空氣源熱泵機(jī)組節(jié)約電能1 530 kWh，節(jié)能率可達(dá)到1.04%，泵組共節(jié)約電能5 957 kWh，節(jié)能率最大可達(dá)到35.73%，整體系統(tǒng)共節(jié)約電能9 588 kWh，能耗降低5.45%。本項(xiàng)目采用一次泵變流量系統(tǒng)，選用可變流量運(yùn)行的空氣源熱泵機(jī)組，結(jié)合一次泵變頻運(yùn)行，相較一次泵定流量系統(tǒng)可降低設(shè)備運(yùn)營能耗8%～10%。

表1? 變流量空調(diào)系統(tǒng)建筑能耗情況

3.4? 空調(diào)系統(tǒng)末端設(shè)計(jì)

空調(diào)系統(tǒng)末端包括新風(fēng)和風(fēng)機(jī)盤管，就新風(fēng)系統(tǒng)而言，使用熱回收新風(fēng)機(jī)組可降低設(shè)備能耗。新風(fēng)熱回收設(shè)備可分為全熱式和顯熱式2種類型，相較這2種熱回收裝置，全熱式熱回收設(shè)備的回收效率受室內(nèi)外溫差以及濕度差共同影響，而顯熱式熱回收裝置主要受室內(nèi)外溫差影響，因此在新風(fēng)設(shè)備選擇時(shí)應(yīng)充分考慮項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)的氣候條件。本項(xiàng)目創(chuàng)新應(yīng)用中央空調(diào)和全熱回收新風(fēng)機(jī)組共同承擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)荷，新風(fēng)機(jī)組利用排風(fēng)中的熱量對新風(fēng)進(jìn)行處理，減少處理新風(fēng)達(dá)到控制溫度所需能耗，將處理過的新風(fēng)輸送至使用房間，降低空調(diào)系統(tǒng)處理冷熱負(fù)荷壓力?？照{(diào)系統(tǒng)末端采取分區(qū)域控制，根據(jù)不同區(qū)域?qū)囟?、濕度和新風(fēng)量的不同，進(jìn)行分區(qū)設(shè)計(jì)，根據(jù)實(shí)際冷負(fù)荷比例設(shè)定送風(fēng)量，優(yōu)化氣流通道，降低設(shè)備能耗。辦公室、會議室等房間夏季采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，冬季采用地暖供暖，管道末端設(shè)置溫差流量控制器。一層展區(qū)夏季采用風(fēng)機(jī)盤管加新風(fēng)系統(tǒng)，冬季采用風(fēng)機(jī)盤管供暖。

新風(fēng)機(jī)組選擇轉(zhuǎn)輪式全熱換熱器新風(fēng)熱回收機(jī)組。研究表明，該設(shè)備較傳統(tǒng)新風(fēng)與回風(fēng)混合模式年運(yùn)營能耗節(jié)省約18%～20%，相較顯熱換熱模式年運(yùn)營能耗可降低約5%～8%[5]。本文分別對新風(fēng)系統(tǒng)在新風(fēng)量為30，40，50，60 m3/h的工況下進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，得到如圖3所示結(jié)果?？梢钥闯?，全年新風(fēng)系統(tǒng)耗電量在1—3月、11、12月份遠(yuǎn)高于4—10月。新風(fēng)耗電量最高的月份為1月，最低為8月。新風(fēng)系統(tǒng)逐月耗電量差異最大是新風(fēng)量為60 m3/h工況，最大差52 kWh。新風(fēng)量越高系統(tǒng)耗電量越高，對比新風(fēng)量30 m3/h和60 m3/h二者在1月相差最大為31 kWh，8月相差最小。4種新風(fēng)量的設(shè)計(jì)工況在8月能耗范圍在0.1～0.5 kWh之間。綜上所述，新風(fēng)量在滿足人員活動要求的情況下要盡量降低新風(fēng)輸送，新風(fēng)量設(shè)置應(yīng)根據(jù)不同月份適時(shí)調(diào)配新風(fēng)量，降低新風(fēng)系統(tǒng)能耗。

圖3? 不同新風(fēng)量工況下新風(fēng)系統(tǒng)耗電量

新風(fēng)系統(tǒng)耗電主要用于處理新風(fēng)負(fù)荷以及用于風(fēng)機(jī)耗電2部分，處理新風(fēng)負(fù)荷部分包括對排風(fēng)進(jìn)行余熱回收，并將新風(fēng)進(jìn)行處理承擔(dān)建筑冷、熱負(fù)荷。通過將新風(fēng)量設(shè)置為30 m3/h的新風(fēng)系統(tǒng)能耗情況進(jìn)行拆解，分別對新風(fēng)處理裝置和風(fēng)機(jī)進(jìn)行能耗監(jiān)測得到如圖4所示結(jié)果?？梢钥闯觯?—3月以及11、12月份新風(fēng)負(fù)荷耗電量占總耗電量的70%～80%之間，6月和8月新風(fēng)負(fù)荷占總能耗的10%以下。這主要是由于冬季室內(nèi)外溫差較大，冬季回收的預(yù)熱量比較小，不能完全滿足空氣處理需求，將低溫空氣加熱至設(shè)計(jì)要求溫度需要消耗大量的電能。

圖4? 新風(fēng)負(fù)荷耗電量占新風(fēng)總耗電量比例

4? 結(jié)束語

本文從可再生能源利用，暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)以及設(shè)備節(jié)能潛力分析幾方面入手進(jìn)行研究，得出以下結(jié)論：①暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮用戶的感受，結(jié)合室內(nèi)溫度、濕度、空氣風(fēng)速、平均輻照溫度、衣服熱阻和人體代謝等指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)PMV指數(shù)設(shè)定室內(nèi)溫濕度環(huán)境，辦公建筑設(shè)計(jì)時(shí)，服裝熱阻冬季和夏季分別設(shè)置在1.0 clo和0.5 clo，代謝率設(shè)置在1.6 met，環(huán)境濕度應(yīng)在40%～70%之間，且空氣流速宜低于0.8 m/s。②暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)可從冷熱源、輸配系統(tǒng)和空調(diào)末端等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)，選用蓄能型空氣源熱泵可以達(dá)到良好的節(jié)能效果。其中，輸配管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)選用變流量泵組，空氣源熱泵機(jī)組節(jié)能率可達(dá)到1.04%，泵組節(jié)能率最大可達(dá)到35.73%，整體系統(tǒng)能耗降低5.45%。③新風(fēng)系統(tǒng)節(jié)能效果與設(shè)定新風(fēng)量、季節(jié)有關(guān)。新風(fēng)量越大能耗越高，新風(fēng)量30 m3/h比60 m3/h的工況能耗最大可低49.2%。新風(fēng)系統(tǒng)全年4—10月運(yùn)行能耗較低，最低能耗相較于最高能耗可降低82.5%。新風(fēng)能耗中，承擔(dān)新風(fēng)負(fù)荷消耗的電能冬季明顯高于夏季，因此在新風(fēng)設(shè)計(jì)中要著重考慮冬季運(yùn)行節(jié)能問題。

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