0引言

目前,建筑行業(yè)作為能源消耗和碳排放的重要來源之一,正面臨著巨大的節(jié)能減排壓力。暖通空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗的主要構(gòu)成部分,其能耗占比通常高達(dá)建筑總能耗的30%以上,傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和運(yùn)行過程中普遍存在設(shè)備選型冗余、系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后、能源利用效率低等問題,導(dǎo)致了能源的巨大浪費(fèi),也增加了建筑的運(yùn)營成本和環(huán)境負(fù)擔(dān)。綠色建筑理念的興起為暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)提供了全新的思路,強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)與建筑環(huán)境的和諧共生,倡導(dǎo)利用清潔能源、智能技術(shù)和高效設(shè)備,以實(shí)現(xiàn)資源的最優(yōu)配置和能源的高效利用。

綠色建筑理念是以可持續(xù)發(fā)展為核心,強(qiáng)調(diào)在建筑全生命周期內(nèi)最大限度地節(jié)約資源(包括能源、土地、水和材料),保護(hù)環(huán)境和減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間。其內(nèi)涵不僅限于建筑物的單體設(shè)計(jì),還涵蓋選址規(guī)劃、材料選擇、施工管理、運(yùn)行維護(hù)及廢棄物處理等多個(gè)環(huán)節(jié)。綠色建筑通過整合被動(dòng)式設(shè)計(jì)、主動(dòng)式節(jié)能技術(shù)和高效能系統(tǒng),致力于降低建筑運(yùn)行能耗和碳排放。

1暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能需求分析

暖通空調(diào)系統(tǒng)的能源浪費(fèi)主要體現(xiàn)在設(shè)備選型不當(dāng)、 運(yùn)行負(fù)荷與需求不匹配、系統(tǒng)調(diào)節(jié)滯后和能量傳輸損失等方面。熱負(fù)荷計(jì)算需要根據(jù)建筑的不同使用場景,如辦公樓、商場、住宅等,結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件(如冬夏設(shè)計(jì)溫度)、建筑材料的保溫性能(U值)等因素進(jìn)行綜合分析。具體的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50189- 2015)中的參數(shù)和方法來執(zhí)行。

針對(duì)建筑熱負(fù)荷的計(jì)算結(jié)果,合理配置高效能設(shè)備, 包括調(diào)整變頻空調(diào)的制冷或制熱,當(dāng)冷負(fù)荷/熱負(fù)荷<50% 時(shí),空調(diào)運(yùn)行在低頻模式,以節(jié)省能耗;冷負(fù)荷/熱負(fù)荷> 80%時(shí),空調(diào)改為高效運(yùn)行。鍋爐推薦選擇冷凝式鍋爐,可以達(dá)到95%以上的效率,30kW~100kW的冷凝式鍋爐適用于面積在1000㎡~5000㎡的小型辦公建筑。熱回收裝置推薦選擇阿法拉伐(Alfa Laval)空氣-空氣熱回收裝置,熱回收效率應(yīng)達(dá)到70%以上,并且應(yīng)配置于如會(huì)議室、商場等風(fēng)量較大、空氣質(zhì)量需求較高的場所。

優(yōu)化運(yùn)行工況不僅體現(xiàn)在設(shè)備選型上,還包括系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)和控制。例如,采用動(dòng)態(tài)負(fù)荷調(diào)節(jié)技術(shù),確保系統(tǒng)能效比(EER)不低于5.0。還可進(jìn)行分區(qū)控制,例如辦公樓的公共區(qū)域、會(huì)議室、辦公區(qū)和休息區(qū)應(yīng)分別設(shè)定不同的溫度和濕度閾值。配置夜間運(yùn)行模式,建議空調(diào)系統(tǒng)以不超過30%的負(fù)荷運(yùn)行,并確保室內(nèi)溫度控制在舒適范圍內(nèi)(夏季:26℃,冬季:20℃)。送風(fēng)口與回風(fēng)口的布置應(yīng)符合空氣流速標(biāo)準(zhǔn),空調(diào)出風(fēng)口的風(fēng)速控制在0.25m/s~ 0.35m/s之間,確保空氣均勻分布。

2綠色暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

2.1換熱設(shè)備選型優(yōu)化

換熱設(shè)備作為暖通空調(diào)系統(tǒng)中核心的能量轉(zhuǎn)換單元, 其效率直接影響系統(tǒng)的整體性能與能耗水平。設(shè)備選型應(yīng)依據(jù)建筑熱負(fù)荷的精確計(jì)算結(jié)果,結(jié)合不同工況的換熱需求,優(yōu)先選擇如板式換熱器、翅片管換熱器和熱回收型換熱設(shè)備等高效能的換熱器類型,適用場景如表1所示。

在選型過程中,應(yīng)充分考慮換熱設(shè)備的性能參數(shù),包括傳熱系數(shù)、壓降、耐腐蝕性及維護(hù)便捷性等。推薦選用阿法拉伐(Alfa Laval)M10-BFG板式換熱器,其采用緊湊的板片設(shè)計(jì),能夠最大化傳熱面積,并且具有高傳熱系數(shù)(高達(dá)5000W/m2·K),能夠在較小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)高效的能量轉(zhuǎn)換,減少系統(tǒng)所需設(shè)備的占地空間。

2.2管道系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)

合理的管道布局可以有效降低流體輸送的能量損失, 提高系統(tǒng)整體效率。在管道設(shè)計(jì)中,最重要的是選擇合適的管道直徑和優(yōu)化流體輸送路徑。管道直徑的選擇主要根據(jù)流量和流速進(jìn)行計(jì)算。

常用的管道直徑計(jì)算公式如下:

其中,D是管道內(nèi)徑(m),Q是設(shè)計(jì)流量(m3/s),v是設(shè)計(jì)流速(m/s)。

流體在管道中的摩擦損失直接影響系統(tǒng)的能耗,摩擦阻力可通過簡化的達(dá)西-威斯巴赫公式進(jìn)行估算:

hf=f×(L÷D)×(v2÷2g)

其中,hf為摩擦損失高度(m),f為摩擦系數(shù)(由管道材質(zhì)和流體特性決定),L是管道長度(m),D是管道直徑 (m),v是流體流速(m/s),g是重力加速度(9.81m/s2)。

根據(jù)建筑面積的不同,利用以上兩個(gè)公式可以計(jì)算出合適的管道直徑,如表2所示。

管道布局設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮管道長度、摩擦損失、流體流速、能耗、施工難度以及維護(hù)便捷性等多項(xiàng)指標(biāo),以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)能效和穩(wěn)定性最大化?？刹捎眠_(dá)西-威斯巴赫方程估算摩擦損失,并結(jié)合系統(tǒng)運(yùn)行負(fù)荷對(duì)不同布局方案進(jìn)行能耗模擬分析。優(yōu)先選擇減少局部阻力的布局方案,確保流體在管道內(nèi)均勻流動(dòng),同時(shí)控制流速在1.5m/s~2.5m/s之間,避免過高的流速增加摩擦阻力

對(duì)于不同區(qū)域的冷、熱負(fù)荷需求,使用建筑動(dòng)態(tài)負(fù)荷模擬軟件,計(jì)算各區(qū)域在不同時(shí)段的熱負(fù)荷,有針對(duì)性地設(shè)計(jì)每個(gè)區(qū)域的管道直徑。負(fù)荷較大的區(qū)域,管道直徑應(yīng)增大,以減少壓降并確保足夠的流體輸送能力。 對(duì)于負(fù)荷較小或穩(wěn)定的區(qū)域,管徑可適當(dāng)縮小,減少不必要的材料浪費(fèi)和能耗。

最優(yōu)布局還需綜合考慮空間利用率、管道可達(dá)性和后期維護(hù)空間?？刹捎萌S管道布置軟件進(jìn)行全局模擬,避免與其他系統(tǒng)的交叉,確保管道的可操作性和可維護(hù)性。

2.3智能調(diào)節(jié)室內(nèi)環(huán)境

智能調(diào)節(jié)在暖通空調(diào)系統(tǒng)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在精確控制和分區(qū)管理兩大方面。智能調(diào)節(jié)通過設(shè)定環(huán)境參數(shù)的動(dòng)態(tài)閾值和精確控制措施,實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的高效管理。

精確的溫度控制措施如圖1所示。

分區(qū)控制策略將建筑物劃分為若干個(gè)獨(dú)立控制區(qū)域, 如辦公區(qū)、會(huì)議室、公共走廊和休息區(qū)等。各區(qū)域的溫度、 濕度和空氣質(zhì)量閾值可單獨(dú)設(shè)定,根據(jù)使用場景的不同需求進(jìn)行精細(xì)化管理。如會(huì)議室有預(yù)定時(shí)才啟動(dòng)空調(diào),溫度在22℃~24℃之間;辦公區(qū)根據(jù)工作時(shí)間段進(jìn)行溫度調(diào)節(jié), 工作時(shí)間內(nèi)溫度在21℃~25℃之間。在休息區(qū)設(shè)置相對(duì)寬松的環(huán)境參數(shù)閾值,溫度范圍設(shè)定在20℃~26℃之間,并僅在人員檢測傳感器感應(yīng)到有人活動(dòng)時(shí)啟用制冷或制熱功能。對(duì)于走廊區(qū)域,由于人員停留時(shí)間較短,可進(jìn)一步長時(shí)間開啟空調(diào)并放寬溫度設(shè)定范圍至18℃~28℃。

2.4應(yīng)用太陽能和地?zé)崮?/a>

太陽能可通過太陽能光伏系統(tǒng)和太陽能集熱器兩種形式為建筑提供電力和熱能。太陽能光伏系統(tǒng)的光伏板傾角應(yīng)接近當(dāng)?shù)氐木暥?以最大化全年能量捕獲。光伏板的尺寸根據(jù)屋頂?shù)目捎妹娣e和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總發(fā)電量需求來確定,一般采用高效單晶硅光伏板,標(biāo)準(zhǔn)尺寸為1.6m×1m, 每塊板的功率在300W~400W之間。為避免光伏板之間的陰影效應(yīng),光伏板的間距應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜照战嵌日{(diào)整,通常間距保持在0.5m~1m左右。

太陽能集熱器用于熱水和供暖系統(tǒng)時(shí)采用平板型或真空管型集熱器。平板集熱器適合大面積鋪設(shè),可直接安裝在建筑屋頂或陽臺(tái)上,標(biāo)準(zhǔn)尺寸一般為2m×1m,單塊集熱面積為2㎡。真空管集熱器適用于高溫需求場景,管徑通常為58mm,長度為1.8m。集熱器的布局需避開陰影和通風(fēng)阻礙,并與儲(chǔ)熱水箱和電加熱器配合使用。

地源熱泵系統(tǒng)主要包括水平埋管、垂直埋管和地下水源熱泵系統(tǒng)。垂直埋管系統(tǒng)常用于占地面積有限的建筑, 鉆孔深度通常在50m~150m之間,每口井的間距需保持在 5m~7m,它的換熱管道通常為高密度聚乙烯(HDPE)材質(zhì),管徑在32mm~40mm之間。水平埋管系統(tǒng)適合于占地面積較大的場地,埋管深度約為1.5m~2m,鋪設(shè)長度根據(jù)負(fù)荷需求確定,通常為每千瓦負(fù)荷需鋪設(shè)40m~60m的管道。在系統(tǒng)運(yùn)行中,熱泵通過換熱器將地能與建筑內(nèi)的冷暖負(fù)荷交換,效率可達(dá)400%以上。

2.5運(yùn)行能效評(píng)估策略

首先建立全面的能效監(jiān)測體系,利用高精度的能耗監(jiān)測儀器對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,關(guān)鍵指標(biāo)包括能效比(EER)、季節(jié)能效比(SEER)、總能耗、冷卻負(fù)荷及供熱負(fù)荷等。采用建筑能耗模擬軟件,對(duì)不同氣候條件下的系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行仿真分析,以評(píng)估其在不同負(fù)荷條件下的表現(xiàn)與適應(yīng)性。

結(jié)合建筑物使用的動(dòng)態(tài)負(fù)荷數(shù)據(jù)進(jìn)行長期跟蹤,實(shí)施基于模型的預(yù)測維護(hù)策略,挖掘分析運(yùn)行數(shù)據(jù),識(shí)別系統(tǒng)中的性能衰退和潛在故障。使用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)模擬,深入分析室內(nèi)空氣流動(dòng)和溫度分布,確保設(shè)計(jì)的空氣處理和輸送系統(tǒng)有效滿足室內(nèi)環(huán)境的舒適性和空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)行過程中,依據(jù)動(dòng)態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和控制策略,從而優(yōu)化能源使用效率。

最終建立系統(tǒng)的能效報(bào)告機(jī)制,定期評(píng)估運(yùn)行效果, 并制定相應(yīng)的改進(jìn)措施,以便在運(yùn)行階段實(shí)施持續(xù)優(yōu)化。

3測試驗(yàn)證

為評(píng)估綠色暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計(jì)在能效、運(yùn)行穩(wěn)定性和環(huán)境舒適性方面的性能,本實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證其節(jié)能效果和舒適度提升。

傳統(tǒng)的暖通空調(diào)系統(tǒng)采用常規(guī)的設(shè)備和控制方式,例如定速空調(diào)主機(jī)、管殼式換熱器、定風(fēng)量風(fēng)機(jī)、手動(dòng)控制系統(tǒng)、單一能源系統(tǒng)和普通管道布局。

實(shí)驗(yàn)選擇兩棟相似結(jié)構(gòu)的建筑,一棟使用綠色節(jié)能系統(tǒng)(實(shí)驗(yàn)組),另一棟使用傳統(tǒng)暖通空調(diào)系統(tǒng)(對(duì)照組)。然后安裝所有監(jiān)測設(shè)備,設(shè)定相同的室內(nèi)環(huán)境條件,記錄每天的能耗和環(huán)境參數(shù)。在兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組中收集為期一個(gè)月的連續(xù)數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示, 其中綠色節(jié)能系統(tǒng)的能效比(EER)比傳統(tǒng)系統(tǒng)高37.93%; 季節(jié)能效比(SEER)比傳統(tǒng)系統(tǒng)高35.36%;日均能耗比傳統(tǒng)系統(tǒng)低33.75%;溫度波動(dòng)幅度比傳統(tǒng)系統(tǒng)低66.96%;濕度波動(dòng)幅度比傳統(tǒng)系統(tǒng)低49.17%;CO2濃度比傳統(tǒng)系統(tǒng)低 37.41%;用戶滿意度評(píng)分比傳統(tǒng)系統(tǒng)高37.23%。數(shù)據(jù)表明, 綠色暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)在能效、穩(wěn)定性和用戶舒適性方面均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng),驗(yàn)證了其在綠色建筑應(yīng)用中的有效性和優(yōu)勢(shì)。

4結(jié)語

基于綠色建筑理念的暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì),通過高效換熱設(shè)備優(yōu)化、智能化管道布局、精準(zhǔn)的室內(nèi)環(huán)境智能調(diào)節(jié)以及太陽能與地?zé)崮?/a>的多能互補(bǔ)應(yīng)用,能顯著降低系統(tǒng)能耗,優(yōu)化建筑能源利用效率,提升室內(nèi)環(huán)境的舒適性和穩(wěn)定性,全面滿足綠色建筑的節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展需求。