建筑暖通空调系统节能技术要点及应用策略分析

冯天琪，王璇，杨慧禹，杨鹏翔

北京市设备安装工程集团有限公司，北京，100124

暖通空调系统的能耗在建筑能耗中的占比通常可达到30%～50%，因而成为节能设计和控制的重点。当前，针对建筑采暖、通风以及空调系统的节能技术研究已经取得了较为丰硕的成果，并系统性地归纳节能技术现状有助于制定科学的应用策略，提高建筑绿色节能发展水平。

建筑暖通空调系统包括采暖、通风和空气调节三个部分，其中采暖系统和空气调节系统能够调节室内温度。显然，系统能耗水平与温度取值存在直接关系。《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》（GB 50736-2012）中对冬季室内供暖设计温度和长期逗留区域空气调节室内设计参数作出了规定，室内供暖温度的设计要求如表1所示。合理控制温度取值有利于精确控制冷热负荷。

表1 民用建筑冬季室内设计温度

2.1 精确计算热负荷

热负荷影响着供暖系统的热源装机容量、管道直径、水泵配置以及末端供热设备，如果热负荷设计超过实际需求，有可能导致供暖系统配置偏大，进而造成热量浪费[1]。因此，精确计算热负荷是供暖系统节能设计的重要环节。热负荷决定于两方面因素，其一是供暖系统从热源获取的总热量。其二是系统和建筑物散失的热量，包括建筑围护结构的耗热量、通风耗热量、门窗耗热量等。以建筑围护结构为例，其耗热量Q的计算方法如式（2-1）。

式中α表示围护结构的温差修正系数，围护结构的面积和传热系数分别记为F、K。tn和twn分别为冬季供暖时的室内、室外温度。

2.2 选择有利于节能的热源

建筑供暖系统大多以热水为媒介，加热空气或者建筑物结构。例如，集中供暖采用散热器作为终端时，热媒温度应设计为85/60℃或者75/50℃。热源用于提高热媒介的温度，在供暖系统设计中应优先采用有利于节能的热源。常用热源为火力发电产生的余热、工业制造产生的废热。水（地）源热泵技术不依赖于化石燃料的燃烧放热，有利于节能减排。《国管局关于2022年公共机构能源节约和生态环境保护工作安排的通知》要求实现新增热泵供热（制冷）面积达200万平方米。当前，此类技术涌现出一批成熟的应用案例，比如，国内某高等院校成功设计投用中深层地热地埋管管群供热系统，管道埋深达到地下2～3km处，供暖负荷为75.69MW，服务建筑面积为159万平方米，相比于燃煤锅炉供热，该系统在一个供暖季内可节约煤炭2.54万吨。

2.3 供暖系统及管路节能设计

2.3.1 供暖系统节能设计基本原则

第一，采暖系统应具备分户独立供暖和调控的能力，形式上宜设计为双管系统。在城市集中供暖中，由市政热力单位统一提供热源，部分用户在供热季内暂时无供暖需求，分户调控能够关闭相应管路，从而避免热量和能源浪费。

第二，尽可能减少热力入口数量。热力入口用于调节和控制热力介质的压力和流量，减少热力入口数量有利于保持水力平衡，进而维持室内温度的稳定性。

2.3.2 供暖管路布置方式

合理的管路布置方式能够降低供暖系统能耗。建筑室内供暖管路应设计为分户独立循环系统，共用立管，并根据建筑高度合理选择垂直单管跨越式系统或者垂直双管系统[2]。常用管路制式包括下供下回水平双管系统、上供上回水平双管系统、低温热水地面辐射供暖系统。

2.4 末端供热设备节能控制

末端供热设备具有多种类型，常用的包括散热器、低温热水辐射供暖管路。合理设计末端供水设备有助于维持较高的室温，从而降低热源负荷。以热水辐射供暖管路为例，通常可在建筑物地面、墙面以及顶棚设置毛细管网，以热介质实现室内升温。建筑物顶棚和墙面的毛细管网供水温度宜控制在25～35℃之间，地面毛细管网的供水温度应设置在30～40℃之间。控制末端设备供水温度是保证节能效果的重要措施。

3.1 充分利用自然通风

建筑通风系统的主要作用为降低室内温度、去除室内余湿以及更新室内空气。自然通风不消耗电力能源，因而节能效果突出。在建筑设计阶段应结合季节风向、区域微环境特点合理设计建筑物朝向及结构。根据夏季风向特点，将建筑物的迎风面与风向的夹角控制在60～90度之间，至少应达到45度[3]。城市建筑群在平面布置方式上应采取斜列式和错列式，从而充分利用穿堂风。另外，设计捕风装置有利于形成压力梯度，进而强化自然通风的效果。通风量用于评估自然通风的效果，在设计自然通风系统时应计算通风量，实现量化控制。热压动力下的自然通风量G按照式（3-1）进行计算。

式中Q、C、tp、twf分别为室内全部余热、空气比热、排风温度以及夏季室外温度。

3.2 机械通风节能设计要点

3.2.1 精确计算系统总风量

系统风量影响着排风机械设备的功率，进而作用于能耗控制。在机械通风节能设计中应精确计算公共厨房、浴室、卫生间、设备机房、车库、起居室等部位的通风量及换气次数。通风换气量依据热平衡原理进行计算。换气次数影响着室内新风的质量和总风量，换气次数越多，机械设备运行时长和总能耗也越高，在满足使用需求的情况下应尽量控制换气次数。GB 50736-2012对民用建筑室内人员所需最小新风量作出了规定，如表2所示，在设计机械通风系统时可按照相关指标确定通风量需求。

表2 民用建筑主要房间每人所需最小新风量

3.2.2 通风机械设备选型

（1）合理控制通风机械的功率。通风机的功率与系统总风量密切相关，送风机和排风机的功率应满足总风量要求。另外，由于建筑物的门窗等部位容易形成漏风，计算风机功率时必须考虑漏风量造成的功率损失。通常根据送、排风机的作用部位设置一定的附加风量，一般是在理论计算的基础上增加5%～10%，如果通风系统具有除尘和排烟功能，附加风量应适当提高。因此，通风机的功率按照理论风量与附加风量之和进行计算。

（2）采用变频调速风机。定频风机的转速和功率固定不变，但通风需求有可能发生变化，因此，定频风机难以根据需求变化调整转速和功率，不利于节能。变频调速风机借助变频器灵活调控功率，其运行频率可控制在30～45Hz，而定频风机运行于50Hz下。因此，变频调速风机通常比定频风机节能50%～70%。

3.2.3 强化空气热回收效果

新风系统属于通风系统的一部分，其在公共建筑和住宅建筑中应用广泛。但新风系统在冬季换气时会带走室内热量，造成一定的能量损失。在工程实践中可针对新风系统设置空气热回收装置，或者采用带有热回收功能的新风换气机。当系统向室外排风时，室内热空气会流经专门的蓄热体，蓄集一部分热量。当室外新鲜空气进入室内时，再由蓄热体加热冷空气，从而实现能量的回收利用，提高通风系统的节能效果。在无管道热回收新风系统中，蓄热体为圆柱形蜂窝状陶瓷体，其放热效率超过99%[4]。

4.1 计算空调负荷

空调冷热负荷计算的结果直接影响主机功率以及末端设备，应尽可能精确地计算空调负荷，从而合理确定主机功率，避免能源浪费。以空调夏季冷负荷计算为例，影响该指标的因素包括经由建筑围护结构传入的热量、人体的散热量、室内电气设备的散热量、食物的散热量等。早期采用人工方式计算空调区的夏季得热量，现阶段主要使用建筑冷负荷计算软件实现精确计算。人工计算方法在当前依然适用，例如，人体散发的热量会造成室内升温，空调冷负荷计算中应涵盖人体散热，其计算公式为（4-1）。

式中将人体散热造成的逐时冷负荷记为CL，冷负荷系数记为Ccl,人体散发的热量记为Q，C为修正系数。

4.2 空气调节冷热源节能设计

4.2.1 优先使用废热、余热以及可再生能源

空气调节系统通过消耗热能、机械能或其他形式的能源实现制冷和制热。因此，选择恰当的冷热源能够显著降低系统能耗水平。在节能设计中应优先利用企业生产所形成的废热和余热，溴化锂吸收式冷水机组能够有效利用废热和余热，可作为空气调节系统的冷源机组。太阳能、浅层地热能、中深层地热能可作为空气调节系统的冷热源，其在节能环保方面效果突出。可再生能源的稳定性相对较差，有可能影响空气调节系统的正常运行，因而需设计辅助性的冷热源。

4.2.2 采用热泵技术

空调是传统的建筑制冷、制热设备，消耗了大量的电力能源。热泵在功能上与空调类似，但节能效果优于传统空调。热泵分为空气源热泵和地源热泵，其工作原理存在一定的差异。以地源热泵为例，不仅可作为冬季的采暖设备，在夏季亦可用于制冷。地源热泵的压缩机组对冷媒做功，促使其发生汽-液转化，冷媒经由热交换器吸收室内空气中的热量，再通过水路循环吸收冷媒中的热量，最后将热量传导至地下水或者土壤中，其工作原理如图1所示。显然，在炎热的夏季，地下水和土壤的温度明显低于室外空气的温度，因而地源热泵制冷时消耗的能量也远低于空调。空气源热泵的节能效果也强于传统空调。

图1 地源热泵示意图

4.2.3 运用水蓄冷空调技术

电力系统在白天处于用电高峰期，在夜间处于用电低谷期。空调制冷主要在昼间发挥作用，夏季大规模的空调运行与企业生产叠加，对电力负荷造成了很大的负担，同时增加了峰谷差距。水蓄冷空调在夜间用电低谷期开机工作，将冷量存储在低温冷冻水（温度不低于4℃）中，然后在白天将这些低温冷冻水作为空调的冷媒，进行室内制冷。该技术的运用有利于电网的“削峰填谷”。在夜间蓄冷时，由于气温低于白天，冷却难度降低，冷却效果提高，空调机组的效率可提升6%～8%[5]。与常规空调相比，水蓄冷空调的节电率通常不低于10%。另外，由于电力能源供应追求稳定性，供电时需满足白天的高峰用电需求，由此导致夜间低谷期浪费了部分电力能源。“削峰填谷”提高了电网系统的能源利用率，可见，水蓄冷空调技术也能间接促进用电终端的节能效果。

4.3 运用空调余热回收技术

传统的分体式空调和中央空调仍然是主流的空气调节系统，其外机在运行过程中会向外界散发大量的冷凝热。空调余热回收技术主要针对散热较为集中的中央空调，在机组上安装高效的热回收设备和热泵接驳装置，该系统使温度较高的冷媒与自来水进行热交换，从而回收原本直接排放至空气的空调余热，热泵设备利用这部分废热加热自来水，提供洗浴和洗涤用热水[6]。该技术的运用使传统空调的能耗降低了10%～15%，其产生的热水温度在55℃～100℃之间。

暖通空调系统的能耗水平与冷热负荷计算、冷热源类型、设备节能效果等密切相关。精确计算冷热负荷以及系统总风量有利于控制设备功率，避免功率设计偏大。冷热源方面应该优先利用废热、余热，逐步扩大可再生能源的占比。地源热泵、空调水蓄冷、变频调节、余热回收等技术能够进一步提高建系统节能效果。在设计建筑暖通空调系统时应综合运用各类技术，全面降低系统能耗，实现节能运行。