摘 要：我國(guó)能源消費(fèi)占世界能源消費(fèi)量的比重在過(guò)去二十年間從8.0%上升到10.4%，但人均能源資源占有量?jī)H相當(dāng)于世界平均水平的50%（石油只有10%）。建筑相關(guān)能耗占據(jù)社會(huì)總能耗的很大部分，而其中暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗占整個(gè)建筑能耗的60%以上，為此控制或減少建筑暖通運(yùn)行能耗是我國(guó)實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)可持續(xù)發(fā)展、緩解能源壓力的必然措施之一，這也正是本文的研究出發(fā)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：可持續(xù)發(fā)展;建筑;暖通空調(diào)系統(tǒng);節(jié)能減排
暖通空調(diào)與建筑物的結(jié)合能為人們提供更加舒適的辦公和居住環(huán)境，但在資源日益匱乏的今天，暖通空調(diào)所帶來(lái)的高能耗是無(wú)法回避和忽視的，因此怎樣根據(jù)環(huán)境合理的選擇暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗方式，在提供舒適室內(nèi)環(huán)境的前提下降低對(duì)室外環(huán)境的負(fù)面影響，是每一位設(shè)計(jì)人員都需要關(guān)注的問(wèn)題。
1 排風(fēng)熱回收的應(yīng)用
通常建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)的排風(fēng)未經(jīng)任何處理而被直接排放到室外，排風(fēng)熱量未得到良好利用而造成能源浪費(fèi)及周?chē)h(huán)境的熱污染，如果能夠?qū)⑦@部分熱量給新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，那么將在室內(nèi)負(fù)荷不變的基礎(chǔ)上降低風(fēng)機(jī)處理負(fù)荷并提高室內(nèi)的空氣品質(zhì)。我國(guó)對(duì)排風(fēng)熱回收的研究還處于起步階段，市面上完善的熱回收裝置還較少，而現(xiàn)階段常用的主要有如下兩種：一種是全熱回收，在排風(fēng)和新風(fēng)間利用全熱熱交換器來(lái)進(jìn)行熱量和濕量的傳遞，常見(jiàn)的全熱回收裝置有板翅式、熱泵式及轉(zhuǎn)輪式;另一種是顯熱回收，在排風(fēng)和新風(fēng)間利用顯熱交換器來(lái)進(jìn)行溫差換熱，常見(jiàn)的顯熱交換器有熱管式、板式及中間媒介式。[1]
某公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)不進(jìn)行熱回收和設(shè)置熱回收系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表1所示，不管是設(shè)置顯熱回收還是全熱回收都能達(dá)到節(jié)能減排的效果，設(shè)置顯熱回收的暖通空調(diào)系統(tǒng)要比設(shè)置全熱回收系統(tǒng)的節(jié)能效果好，雖然顯熱回收的運(yùn)行費(fèi)高于全熱回收，但顯熱回收的初期投資小且經(jīng)濟(jì)性更加，因此最終選用了顯熱回收。但值得注意的是，并不是所有的暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)置顯熱回收的經(jīng)濟(jì)性都要優(yōu)于全熱回收，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行綜合比對(duì)。
2 分時(shí)分區(qū)供暖及室內(nèi)溫度的合理設(shè)定
2.1 分時(shí)分區(qū)供暖
根據(jù)建筑用熱特點(diǎn)，可以合理設(shè)置供暖系統(tǒng)的供熱時(shí)間，在確保室內(nèi)供暖需求的前提下，通過(guò)按需供暖來(lái)降低能耗，該措施尤其適用于公共建筑。將分時(shí)分區(qū)控制器安裝在暖通空調(diào)系統(tǒng)中，采集室內(nèi)溫度及供回水溫度，控制系統(tǒng)對(duì)采集上傳的溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，根據(jù)建筑特點(diǎn)按時(shí)間編程來(lái)合理設(shè)定供暖運(yùn)行模型，并有效控制電動(dòng)調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，控制系統(tǒng)流量降低供暖溫度以達(dá)到節(jié)能目的。
在分時(shí)分區(qū)供暖過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)相關(guān)規(guī)定來(lái)合理設(shè)置室內(nèi)溫度，以公共建筑為例，室內(nèi)溫度在上班及休息時(shí)間應(yīng)在18℃以上，在下班及節(jié)假日應(yīng)在5℃以上（避免設(shè)備凍結(jié)而造成損失），表2為一個(gè)典型的公共建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)分時(shí)分區(qū)運(yùn)行計(jì)劃表。
2.2 室內(nèi)空調(diào)溫度的合理設(shè)定
在建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)或使用過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員及室內(nèi)人員通常為了追求舒適性而選擇較高的室內(nèi)空調(diào)溫度參數(shù)，造成了不必要的能耗浪費(fèi)。室內(nèi)空調(diào)溫度的設(shè)定需要滿(mǎn)足人們要求的舒適室內(nèi)環(huán)境，但也會(huì)對(duì)建筑的冷熱負(fù)荷產(chǎn)生直接影響，室內(nèi)外溫差值越大，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳遞的能量越大，室內(nèi)負(fù)荷及新風(fēng)負(fù)荷也越大，因而會(huì)造成建筑能耗的浪費(fèi)。因此，在滿(mǎn)足室內(nèi)熱舒適度的前提下設(shè)置最為節(jié)能的室內(nèi)溫度值，對(duì)于降低能耗是極為必要的。[2]
在室內(nèi)熱擾參數(shù)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)及濕度值相同的情況下，某公共建筑采用DeST對(duì)夏季和冬季在設(shè)定不同室內(nèi)空調(diào)溫度下的建筑能耗進(jìn)行了模擬，結(jié)果顯示：當(dāng)冬季室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度下降時(shí)，全年累計(jì)負(fù)荷和采暖季最大熱負(fù)荷將下降（冬季室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度從21℃降到17℃時(shí)，全年累計(jì)負(fù)荷下降13.7%）;當(dāng)夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度升高時(shí)，全年累計(jì)負(fù)荷和空調(diào)季最大冷負(fù)荷將下降（夏季室內(nèi)空調(diào)設(shè)定溫度從24℃升到28℃時(shí)，全年累計(jì)負(fù)荷下降25.2%）。因此，基于建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能減排的角度而言，對(duì)以往偏高的室內(nèi)外溫度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂，將冬季空調(diào)設(shè)定溫度適當(dāng)下降、夏季空調(diào)設(shè)定溫度適當(dāng)上升，既可以滿(mǎn)足室內(nèi)人員活動(dòng)與健康的需求，又可以切實(shí)降低空調(diào)能耗。
3 暖通空調(diào)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)與實(shí)時(shí)監(jiān)控
3.1 暖通空調(diào)系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)
在建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，在對(duì)室內(nèi)負(fù)荷進(jìn)行估算時(shí)，設(shè)計(jì)人員往往為了滿(mǎn)足室內(nèi)的溫度要求，僅僅采用各區(qū)域的冷負(fù)荷峰值之和或簡(jiǎn)單的使用負(fù)荷指標(biāo)法來(lái)計(jì)算，此種算法將得到偏大的負(fù)荷結(jié)果，造成空調(diào)系統(tǒng)機(jī)組和設(shè)備的選型過(guò)大（如風(fēng)機(jī)、循環(huán)水泵等），偏低的實(shí)際運(yùn)行效率必將造成大量能源的浪費(fèi)。設(shè)計(jì)人員在建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要將室內(nèi)環(huán)境舒適度考慮在內(nèi)，還要對(duì)建筑位于采暖季和供冷季的負(fù)荷特征進(jìn)行充分考慮，對(duì)冷熱源方案進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，合理配置空調(diào)機(jī)組和設(shè)備以適應(yīng)部分負(fù)荷條件下的運(yùn)行要求，切實(shí)避免能源的大量損失。[3]
以某辦公建筑為例，設(shè)計(jì)之初工作人員設(shè)計(jì)了兩種空調(diào)系統(tǒng)：螺桿式冷水機(jī)組+燃?xì)忮仩t、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)+獨(dú)立新風(fēng)機(jī)組。對(duì)兩種系統(tǒng)的能耗進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示：方案一全年累計(jì)耗電量中，冷熱水機(jī)組、水系統(tǒng)設(shè)備及末端設(shè)備能耗占比分別為50.5%、30.9%、18.6%，而該建筑全年空調(diào)系統(tǒng)在部分負(fù)荷工況下運(yùn)行時(shí)間較多，因此系統(tǒng)耗能與機(jī)組部分負(fù)荷下工作性能緊密相關(guān)，在部分負(fù)荷時(shí)，水泵的能耗居高不下而導(dǎo)致該方案能耗較高;方案二室外機(jī)的輸出功率能夠隨著室外負(fù)荷的變化而自行調(diào)節(jié)，因此在部分負(fù)荷下能耗比值較高，對(duì)比方案一的節(jié)能率達(dá)到18.7%。
3.2 暖通空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控
第一，冷熱水系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。一方面，為確�？照{(diào)器或風(fēng)機(jī)盤(pán)管中的冷凍機(jī)蒸發(fā)器處于正常運(yùn)行工況，對(duì)冷凍水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在提供足夠供水量給冷凍水泵的基礎(chǔ)上，確保安全節(jié)能目標(biāo)的實(shí)現(xiàn);另一方面，為確保熱水系統(tǒng)的正常循環(huán)，對(duì)熱水系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，監(jiān)測(cè)水利工況提供熱交換過(guò)程需要的熱水參數(shù)。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以確保在合理運(yùn)行狀態(tài)下提供暖通空調(diào)系統(tǒng)所需的冷熱水，并降低水泵電耗以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。 第二，空調(diào)機(jī)組的實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過(guò)安裝在空調(diào)機(jī)組附近的控制裝置，對(duì)室內(nèi)空氣參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)（復(fù)雜系統(tǒng)可以多安裝幾個(gè)測(cè)控點(diǎn)），通過(guò)專(zhuān)門(mén)的智能化控制平臺(tái)來(lái)調(diào)控空調(diào)機(jī)組設(shè)備及閥門(mén)的運(yùn)行狀態(tài)。
第三，供暖系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以對(duì)供暖系統(tǒng)各設(shè)備及軟件進(jìn)行智能化控制，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)各設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，準(zhǔn)確記錄其相關(guān)系統(tǒng)及設(shè)備的參數(shù)，根據(jù)記錄數(shù)據(jù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)供熱系統(tǒng)及輔助設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中存在的故障問(wèn)題，便于管理人員的及時(shí)維修。
3.3 空調(diào)水系統(tǒng)的水泵變頻控制改造
中央空調(diào)系統(tǒng)大多是根據(jù)設(shè)計(jì)工況來(lái)選擇冷卻塔、冷水機(jī)組、冷卻水泵和冷凍水泵的型號(hào)，大部分中央空調(diào)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷率僅為40%～80%，最大負(fù)荷出現(xiàn)時(shí)間通常小于總運(yùn)行時(shí)間的10%。通過(guò)對(duì)中央空調(diào)水系統(tǒng)的大量調(diào)研分析，現(xiàn)在普遍認(rèn)為水系統(tǒng)能耗在中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗中占據(jù)很大比例，雖然不同空調(diào)水系統(tǒng)形式所占能耗比例有所差異，但水泵運(yùn)行能耗仍超過(guò)中央空調(diào)系統(tǒng)總能耗的20%～40%。水泵出現(xiàn)大流量小溫差主要是因?yàn)樗眠x型偏大及在部分負(fù)荷下水泵沒(méi)有自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，因此空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能改造就應(yīng)在對(duì)空調(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行特點(diǎn)及能耗分布情況進(jìn)行充分了解的基礎(chǔ)上，通過(guò)必要的水系統(tǒng)測(cè)試來(lái)實(shí)施變頻改造，利用變頻器改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)對(duì)水泵流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。
空調(diào)水系統(tǒng)水泵變頻常見(jiàn)的方式有如下兩種：（1）壓差控制�？刂破鞯妮斎胄盘�(hào)為水系統(tǒng)壓差值，控制裝置接收來(lái)自壓差傳感器的數(shù)值，對(duì)傳送值和設(shè)定值進(jìn)行比較后，通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)水泵流量的調(diào)節(jié);（2）溫差控制。將供回水干管上的溫差作為控制參數(shù)，控制其等于設(shè)計(jì)供回水溫差。通過(guò)安裝在供回水管上的溫度傳感器，系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫差，將計(jì)算的兩個(gè)管路溫差數(shù)據(jù)傳輸給控制裝置，通過(guò)其與設(shè)定值的比較，以負(fù)荷為依據(jù)來(lái)對(duì)水泵流量進(jìn)行改變。由于沒(méi)有對(duì)水系統(tǒng)增加額外阻力，因而溫差控制被認(rèn)為是最節(jié)能的，在實(shí)際工程中得到廣泛應(yīng)用，但此種方式在應(yīng)用中可能出現(xiàn)頂層溫度較高的問(wèn)題（冷凍水泵在工頻運(yùn)行時(shí)，頂層樓因輻射較大而造成負(fù)荷增多，導(dǎo)致頂層溫度過(guò)高，甚至超過(guò)設(shè)計(jì)的上限值），究其原因可能是溫差控制下，監(jiān)測(cè)到的溫差為整個(gè)管網(wǎng)的供回水溫差，而頂層處于最不利的環(huán)路，以此作為水量調(diào)節(jié)的依據(jù)容易出現(xiàn)末端制冷效果較差的溫度，直接導(dǎo)致末端無(wú)法滿(mǎn)足供冷需求。[4]
4 空調(diào)冷熱源系統(tǒng)的合理選擇
現(xiàn)階段常用的空調(diào)冷熱源系統(tǒng)主要有如下幾種：地埋管地源熱泵+冷卻塔系統(tǒng)（冷熱源為淺層巖土體），具有運(yùn)行高效、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，但對(duì)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件及氣象信息具有較強(qiáng)的依賴(lài)性，并且在夏季負(fù)荷遠(yuǎn)大于冬季負(fù)荷的應(yīng)用場(chǎng)合，熱泵機(jī)組長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行將造成循環(huán)性能系數(shù)的降低;地下水地源熱泵系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要以豐富和穩(wěn)定的地下水資源作為前提條件，同時(shí)不合理的開(kāi)發(fā)利用淺層地?zé)崮芸赡軐?dǎo)致地下水的污染和地下水位的降低;地表水地源熱泵系統(tǒng)（地表水源為城市附近的湖泊水、流經(jīng)城市的江河水及沿海城市的海水），冬季從地表水源中取熱向建筑物供暖，夏季以地表水源作為冷源向建筑物供冷;空氣源熱泵系統(tǒng)，其以室外空氣作為低品位熱源為建筑空調(diào)系統(tǒng)提供冷熱量，同時(shí)回收冷凝熱為建筑提供生活熱水，具有設(shè)備利用率高、運(yùn)行不受氣候條件限制等優(yōu)勢(shì);冷熱電三聯(lián)供系統(tǒng)（天然氣燃燒產(chǎn)生的電力供應(yīng)用戶(hù)的電力需求，發(fā)電后排出的余熱通過(guò)余熱回收作為空調(diào)系統(tǒng)冷熱源），具有降低有害氣體排放、提高能源利用率、增加電力供應(yīng)及實(shí)現(xiàn)能源梯級(jí)利用的特點(diǎn)，但在運(yùn)營(yíng)管理、技術(shù)成熟度等方面還存在諸多有待解決的問(wèn)題。設(shè)計(jì)人員在具體選擇時(shí)，需要根據(jù)建筑所在地的自然環(huán)境、氣候條件及建筑自身特點(diǎn)來(lái)進(jìn)行綜合考量。
5 結(jié)語(yǔ)
建筑能耗問(wèn)題已經(jīng)成為行業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)，每一位設(shè)計(jì)人員都需要將節(jié)能減排的理念貫穿在建筑暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求根據(jù)環(huán)境合理的對(duì)暖通空調(diào)系統(tǒng)的耗能方式作出選擇。
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