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。暖通空調系統(tǒng)作為建筑能耗的主要構成部分,其能耗占比通常高達建筑總能耗的30%以上,傳統(tǒng)暖通空調系統(tǒng)在設計和運行過程中普遍存在設備選型冗余、系統(tǒng)調節(jié)滯后、能源利用效率低等問題,導致了能源的巨大浪費,也增加了建筑的運營成本和環(huán)境負擔。綠色建筑理念的興起為暖通空調系統(tǒng)的節(jié)能設計提供了全新的思路,強調系統(tǒng)與建筑環(huán)境的和諧共生,倡導利用清潔能源、智能技術和高效設備,以實現資源的最優(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,強調在建筑全生命周期內最大限度地節(jié)約資源(包括能源、土地、水和材料),保護環(huán)境和減少污染,為人們提供健康、適用和高效的使用空間。其內涵不僅限于建筑物的單體設計,還涵蓋選址規(guī)劃、材料選擇、施工管理、運行維護及廢棄物處理等多個環(huán)節(jié)。綠色建筑通過整合被動式設計、主動式節(jié)能技術和高效能系統(tǒng),致力于降低建筑運行能耗和碳排放。

1暖通空調系統(tǒng)節(jié)能需求分析

暖通空調系統(tǒng)的能源浪費主要體現在設備選型不當、 運行負荷與需求不匹配、系統(tǒng)調節(jié)滯后和能量傳輸損失等方面。熱負荷計算需要根據建筑的不同使用場景,如辦公樓、商場、住宅等,結合當地的氣候條件(如冬夏設計溫度)、建筑材料的保溫性能(U值)等因素進行綜合分析。具體的計算標準依據《公共建筑節(jié)能設計標準》(GB 50189- 2015)中的參數和方法來執(zhí)行。

針對建筑熱負荷的計算結果,合理配置高效能設備, 包括調整變頻空調的制冷或制熱,當冷負荷/熱負荷<50% 時,空調運行在低頻模式,以節(jié)省能耗;冷負荷/熱負荷> 80%時,空調改為高效運行。鍋爐推薦選擇冷凝式鍋爐,可以達到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,熱回收效率應達到70%以上,并且應配置于如會議室、商場等風量較大、空氣質量需求較高的場所。

優(yōu)化運行工況不僅體現在設備選型上,還包括系統(tǒng)運行參數的調節(jié)和控制。例如,采用動態(tài)負荷調節(jié)技術,確保系統(tǒng)能效比(EER)不低于5.0。還可進行分區(qū)控制,例如辦公樓的公共區(qū)域、會議室、辦公區(qū)和休息區(qū)應分別設定不同的溫度和濕度閾值。配置夜間運行模式,建議空調系統(tǒng)以不超過30%的負荷運行,并確保室內溫度控制在舒適范圍內(夏季:26℃,冬季:20℃)。送風口與回風口的布置應符合空氣流速標準,空調出風口的風速控制在0.25m/s~ 0.35m/s之間,確保空氣均勻分布。

2綠色暖通空調系統(tǒng)的節(jié)能設計

2.1換熱設備選型優(yōu)化

換熱設備作為暖通空調系統(tǒng)中核心的能量轉換單元, 其效率直接影響系統(tǒng)的整體性能與能耗水平。設備選型應依據建筑熱負荷的精確計算結果,結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,應充分考慮換熱設備的性能參數,包括傳熱系數、壓降、耐腐蝕性及維護便捷性等。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計,能夠最大化傳熱面積,并且具有高傳熱系數(高達5000W/m2·K),能夠在較小體積內實現高效的能量轉換,減少系統(tǒng)所需設備的占地空間。

2.2管道系統(tǒng)布局設計

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。在管道設計中,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流量和流速進行計算。

常用的管道直徑計算公式如下:

其中,D是管道內徑(m),Q是設計流量(m3/s),v是設計流速(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西-威斯巴赫公式進行估算:

hf=f×(L÷D)×(v2÷2g)

其中,hf為摩擦損失高度(m),f為摩擦系數(由管道材質和流體特性決定),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)。

根據建筑面積的不同,利用以上兩個公式可以計算出合適的管道直徑,如表2所示。

管道布局設計時應綜合考慮管道長度、摩擦損失、流體流速、能耗、施工難度以及維護便捷性等多項指標,以實現系統(tǒng)能效和穩(wěn)定性最大化。可采用達西-威斯巴赫方程估算摩擦損失,并結合系統(tǒng)運行負荷對不同布局方案進行能耗模擬分析。優(yōu)先選擇減少局部阻力的布局方案,確保流體在管道內均勻流動,同時控制流速在1.5m/s~2.5m/s之間,避免過高的流速增加摩擦阻力

對于不同區(qū)域的冷、熱負荷需求,使用建筑動態(tài)負荷模擬軟件,計算各區(qū)域在不同時段的熱負荷,有針對性地設計每個區(qū)域的管道直徑。負荷較大的區(qū)域,管道直徑應增大,以減少壓降并確保足夠的流體輸送能力。 對于負荷較小或穩(wěn)定的區(qū)域,管徑可適當縮小,減少不必要的材料浪費和能耗。

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

2.3智能調節(jié)室內環(huán)境

智能調節(jié)在暖通空調系統(tǒng)中的應用主要體現在精確控制和分區(qū)管理兩大方面。智能調節(jié)通過設定環(huán)境參數的動態(tài)閾值和精確控制措施,實現室內環(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獨立控制區(qū)域, 如辦公區(qū)、會議室、公共走廊和休息區(qū)等。各區(qū)域的溫度、 濕度和空氣質量閾值可單獨設定,根據使用場景的不同需求進行精細化管理。如會議室有預定時才啟動空調,溫度在22℃~24℃之間;辦公區(qū)根據工作時間段進行溫度調節(jié), 工作時間內溫度在21℃~25℃之間。在休息區(qū)設置相對寬松的環(huán)境參數閾值,溫度范圍設定在20℃~26℃之間,并僅在人員檢測傳感器感應到有人活動時啟用制冷或制熱功能。對于走廊區(qū)域,由于人員停留時間較短,可進一步長時間開啟空調并放寬溫度設定范圍至18℃~28℃。

2.4應用太陽能和地熱能

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)的光伏板傾角應接近當地的緯度,以最大化全年能量捕獲。光伏板的尺寸根據屋頂的可用面積和系統(tǒng)設計的總發(fā)電量需求來確定,一般采用高效單晶硅光伏板,標準尺寸為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,光伏板的間距應根據當地的日照角度調整,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,可直接安裝在建筑屋頂或陽臺上,標準尺寸一般為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阻礙,并與儲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,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,鋪設長度根據負荷需求確定,通常為每千瓦負荷需鋪設40m~60m的管道。在系統(tǒng)運行中,熱泵通過換熱器將地能與建筑內的冷暖負荷交換,效率可達400%以上。

2.5運行能效評估策略

首先建立全面的能效監(jiān)測體系,利用高精度的能耗監(jiān)測儀器對系統(tǒng)運行狀態(tài)進行實時監(jiān)控,關鍵指標包括能效比(EER)、季節(jié)能效比(SEER)、總能耗、冷卻負荷及供熱負荷等。采用建筑能耗模擬軟件,對不同氣候條件下的系統(tǒng)運行進行仿真分析,以評估其在不同負荷條件下的表現與適應性。

結合建筑物使用的動態(tài)負荷數據進行長期跟蹤,實施基于模型的預測維護策略,挖掘分析運行數據,識別系統(tǒng)中的性能衰退和潛在故障。使用計算流體動力學(CFD)模擬,深入分析室內空氣流動和溫度分布,確保設計的空氣處理和輸送系統(tǒng)有效滿足室內環(huán)境的舒適性和空氣質量標準。運行過程中,依據動態(tài)監(jiān)測數據,實時調整系統(tǒng)運行參數和控制策略,從而優(yōu)化能源使用效率。

最終建立系統(tǒng)的能效報告機制,定期評估運行效果, 并制定相應的改進措施,以便在運行階段實施持續(xù)優(yōu)化。

3測試驗證

為評估綠色暖通空調系統(tǒng)節(jié)能設計在能效、運行穩(wěn)定性和環(huán)境舒適性方面的性能,本實驗與傳統(tǒng)暖通空調系統(tǒng)進行對比,驗證其節(jié)能效果和舒適度提升。

傳統(tǒng)的暖通空調系統(tǒng)采用常規(guī)的設備和控制方式,例如定速空調主機、管殼式換熱器、定風量風機、手動控制系統(tǒng)、單一能源系統(tǒng)和普通管道布局。

實驗選擇兩棟相似結構的建筑,一棟使用綠色節(jié)能系統(tǒng)(實驗組),另一棟使用傳統(tǒng)暖通空調系統(tǒng)(對照組)。然后安裝所有監(jiān)測設備,設定相同的室內環(huán)境條件,記錄每天的能耗和環(huán)境參數。在兩個實驗組中收集為期一個月的連續(xù)數據。

在實驗結束后,進行數據分析,實驗結果如表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%;溫度波動幅度比傳統(tǒng)系統(tǒng)低66.96%;濕度波動幅度比傳統(tǒng)系統(tǒng)低49.17%;CO2濃度比傳統(tǒng)系統(tǒng)低 37.41%;用戶滿意度評分比傳統(tǒng)系統(tǒng)高37.23%。數據表明, 綠色暖通空調節(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),驗證了其在綠色建筑應用中的有效性和優(yōu)勢。

4結語

基于綠色建筑理念的暖通空調節(jié)能設計,通過高效換熱設備優(yōu)化、智能化管道布局、精準的室內環(huán)境智能調節(jié)以及太陽能與地熱能的多能互補應用,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。