暖通空调设计对建筑能耗的影响

<p>摘要： 随着我国社会以及市场的发展，对能源的需求量愈加增大，在使用能源的同时，也会造成大量的污染排放。对于建筑来说，其暖通空调系统是建筑能耗中比重较大的一环，因此一个合理的暖通空调系统能够有效的降低建筑对能源的需求。很多学者在这方面做了研究，从预测方式、分布研究、围护结构以及实际场景分析来寻求答案，本文将对此做出总结并展望。</p> <p> 关键词： 建筑能耗；暖通空调；能耗预测</p> <p> 1.介绍 </p> <p> 随着全球能源消耗不断增加，二氧化碳等温室气体的排放对全球环境造成越来越严重的威胁，提高能源效率以应对能源和气候危机已成为越来越多研究机构的共识。目前，我国的公共建筑处于快速发展阶段，在2021年，我国的公共建筑面积达到了140亿平方米，是2000年的四倍多，而建筑作为一种常见设施，对能源和环境的影响较大，对能源和资源的消耗量也比较高。因此，降低建筑的能源消耗十分重要。</p> <p> 空调采暖能耗在建筑总能耗中占比最大，在我国一般可达建筑运行总能耗的40%～50%，因此通过降低空调采暖能耗，可以使建筑运行阶段能耗明显降低。同时建筑室内热环境参数的设定对空调能耗有重要影响，所以设法建立室内热环境参数与建筑空调能耗的预测模型是当前需要解决的重要问题。</p> <p> 有学者以寒冷地区建筑为例，构建了有限点下的建筑空调能耗快速预测方法，使建筑师可以在设计阶段对建筑进行全年空调能耗的快速模拟预测，进行方案的节能优化设计，合理选择室内空调设定温度，从而对降低建筑能耗进行有效决策[1]。也有研究将各典型年气象数据根据其地理位置与建筑热工设计分区进行分类整理;随后，按照室内设计温度更新前与更新后的空调温度设定值，通过Python调用能耗模拟软件EnergyPlus批处理程序，对典型办公建筑在室内设计温度更新前后的能耗进行批量模拟;最后，基于所得到的建筑的空调采暖能耗数据，进行不同气候区节能潜力空间分布研究，分析原因并探究规律[2]。也有学者以杭州某超高层办公建筑为例，通过设置设计建筑与参照建筑的对比分析方法，利用静态回收期和动态回收期作为评价指标，以使用单中空玻璃的建筑为参照建筑，对使用三玻两腔玻璃幕墙系统的建筑的空调系统的节能性和经济性进行分析[3]。</p> <p> 本文将对现有的研究成果进行总结并展示，讨论空调能耗在建筑能耗中的位置以及其所带来的影响，最终得出对实际设计有用的切实可行的建议。</p> <p> 2. 空调采暖能耗节能潜力空间分布研究 </p> <p> 在这部分中，研究学者基于我国1024个地区的典型年气象数据，提出了基于室内设计温度更新的办公建筑采暖空调节能潜力空间分布的研究方法，并以典型办公建筑模型为例，对室内设计温度更新前后的建筑制冷空调能耗进行了预测与分析，并探讨了全国范围内典型办公建筑室内设计温度更新后的节能潜力。研究获得以下结论:</p> <p> (1) 全国空调采暖能耗最高的地区为严寒A1区，该区域下全年空调采暖能耗的平均值与中位数均在200kW・h/m2左右，能耗最高的地区接近250kW・h/m2;温和地区全年空调采暖能耗最低，该区域下全年空调采暖能耗的平均值与中位数在15～20kW・h/m2区间，能耗最低的地区不足10kW・h/m2。</p> <p> (2) 采用本研究提出的室内设计温度更新方案后，集中供暖区域的最高节能量可达13kW・h/m2以上，非集中供暖区域则在10.5kW・h/m2左右。</p> <p> (3) 从全国范围来看，全国大部分地区应用本研究提出的室内参数更新策略均可获得5kW・h/m2以上的暖通空调节能量，因此可以认为该应用策略可获得良好的节能减排效果。</p> <p> (4) 在各热工区划下的22个典型城市中，采暖、制冷能耗与应用室内设计温度更新后的采暖、制冷节能量与节能比例均有较强的相关关系。随着采暖、制冷能耗的升高，采暖、制冷节能量不断升高，采暖、制冷节能比例不断降低。</p> <p> 3.  建筑空调能耗快速预测方法研究 </p> <p> 室内空调温度的设定是建筑空调能耗的重要影响因素，而人们的舒适温度区域比现行国家或国际标准建议的范围更广。因而合理地进行空调制冷采暖温度设定，可以有效减少建筑空调能耗，是建筑降低能耗的有效途径。研究发现，室内设计温度每降低或升高1℃，能耗可降低约5%～10%，可以认为建筑全年空调能耗与空调温度设定值之间具有定量关系。</p> <p> 本研究以寒冷地区为例，对建筑全年空调能耗进行快速预测研究。采用蒙特卡洛统计试验的方法，首先确立线性预测和非线性预测的模型，然后通过对模型进行抽取有限点的方式来进行模拟预测，最后将模拟结果进行统计处理，分析误差精度，得出建筑能耗模拟的最优预测方案。</p> <p> 通过建筑室内设计温度更新后基于人的热可接受室内温度范围的建筑能耗模拟和快速预测模型的研究，得到以下结论:</p> <p> (1) 通过对基于建筑室内设计温度值更新后的住宅和办公建筑进行能耗模拟，分析得到空调制冷温度上升1℃和采暖温度下降1℃均对降低建筑能耗有较大影响。</p> <p> (2) 通过有限点下的建筑空调能耗快速预测方法的研究，在点阵中均匀选取3点进行线性模拟预测即可得到良好的预测效果，也可以解决现有预测方法操作复杂、费时费力的问题。</p> <p> (3) 本研究对寒冷地区住宅建筑3点线性模拟预测随机性的分析，可以验证在点阵中随机选择均匀分布的3点即可对建筑全年空调能耗进行较为准确的预测。同时通过对住宅和办公建筑的3点快速预测方法进行误差分析结果表明，该方法可对寒冷地区不同类型的建筑进行全年空调能耗预测。</p> <p> (4) 借助有限点下的建筑空调能耗快速预测方法，选取合理的3点对建筑进行全年空调能耗预测，可为建筑室内空调设定温度提供最优选择，有效降低建筑空调能耗，进而降低建筑能耗，也可为建筑师在早期设计阶段进行优化设计提供有效途径。</p> <p> 4.  幕墙系统对空调系统 能耗影响 </p> <p> 这部分研究以杭州某超高层办公建筑为例，通过设置设计建筑与参照建筑的对比分析方法，利用静态回收期和动态回收期作为评价指标，以使用单中空玻璃的建筑为参照建筑，对使用三玻两腔玻璃幕墙系统的建筑的空调系统冷热源主机的节能性和经济性进行分析。</p> <p> 对设计建筑和参照建筑的空调负荷计算结果分别进行空调冷热源配置，并根据全年负荷计算得到的冷热负荷频率数比例，对冷热源主机全年能耗及冷热源初投资进行计算分析，与玻璃幕墙造价增量进行比较，计算静态回收期和动态回收期。</p> <p> 通过对实际建筑的研究发现：</p> <p> (1) 采用三玻两腔玻璃幕墙系统的初投资较普通单中空玻璃幕墙系统有所提高，但是它在传热系数、遮阳系数这两项热工性能上的提升，可减少空调系统的冷热负荷及空调系统的装机容量，降低空调系统的运行能耗。</p> <p> (2) 通过计算降低的空调能耗所引起的年运行费用的减少，以及装机容量所带来的空调系统初投资减少，可得到采用三玻两腔玻璃幕墙系统较普通单中空玻璃幕墙系统具有极大的优势。</p> <p> (3) 优化建筑围护结构热工性能、减少空调系统运行费用，虽然投资回收期较长，但是建筑全寿命周期内的节能减排、减少能源消耗，对全方位迈向低碳社会、实现高质量发展具有重要的现实意义。</p> <p> 5.  被动式超低能耗居住建筑暖通空调设计实例分析 </p> <p> 该项目位于河北省石家庄市（寒冷B气候区）某住宅小区，南北朝向，建筑占地面积740．82m2，长和宽分别为52．4m和17．38m，建筑面积10333．18m2，建筑体形系数为0．26。建筑高度43．15m，地上12层，地下2层。使用功能地上为住宅，地下为工具间。这部分研究以此项目为例，浅析在被动式超低能耗居住建筑设计环节中暖通专业如何满足室内环境舒适度[4]。</p> <p> 在被动式超低能耗居住建筑设计中，暖通设计不但需要充分考虑主要房间的温度、湿度、新风、噪声、PM2．5及CO2浓度等室内环境参数指标，而且要满足年供暖（冷）需求指标及年供暖、供冷和照明一次能源消耗量指标要求。</p> <p> 相较于传统节能建筑，被动式超低能耗建筑采用保温隔热性能和气密性能更优良的围护结构，大大降低了围护结构的耗热量。此外，供热需求也考虑了内部热源的影响，供暖需求中，室内得热量及外窗日射得热量基本可平衡通过外围护结构的失热量，室内新风（含渗透）负荷占比较为明显。该项目采用高效热回收设备，新风经热回收装置预热后，可实现明显的节能效果。供冷期间，良好的围护结构不利于减小室内由于人体、设备、灯光等散热、散湿形成的冷负荷。因此，在有利气候条件下应鼓励开窗换气，以降低室内冷负荷。与此同时，超低能耗居住建筑要求全装修，室内装修简洁，且不应损坏围护结构气密层和影响气流组织。因此，暖通设计中风管及风口的布置在不影响气流组织的前提下，也要配合精装进一步优化。</p> <p> 6.结论和未来的研究 </p> <p> 在当前经济大环境和国家发展战略下,建筑行业呈现出显著的发展趋势,加强暖通空调建设,成为工程建设发展中不可缺失的一部分。首先,在暖通工程的设计工作阶段,设计部门需要合理理解绿色理念;其次,设计人员应坚守绿色节能的原则开展设计工作。基于上述两点,才能保证整个暖通系统具备完善的功能以及良好的内部结构。在建筑暖通空调工程的设计中，节能减排是尤为重要的一环。在当前时代下，环境问题日益严峻，建筑污染问题更是重中之重，为了减少建筑污染对生态环境的负面影响，节能减排设计在建筑工程施工中的应用日益深入[5]。暖通空调作为建筑能耗的主体，完善相关的节能减排设计工作对环保工作有重要意义。</p> <p> 参考文献 </p> <p> [1] 罗智星,王逸群,路逸晴,等. 基于室内设计温度更新的建筑空调能耗快速预测方法研究[J]. 建筑节能(中英文), 2021, 49(11): 28-35. </p> <p> [2] 罗智星,路逸晴,王逸群,等. 基于室内设计温度更新的办公建筑空调采暖能耗节能潜力空间分布研究[J]. 建筑节能(中英文), 2021, 49(11): 20-27. </p> <p> [3] 寿广,陈文卉. 办公建筑幕墙系统对空调系统能耗影响分析[J]. 暖通空调, 2021, 51(S2): 353-359. </p> <p> [4] 马新然,王海峰,陈兴飞,等. 河北省某被动式超低能耗居住建筑暖通空调设计[J]. 暖通空调, 2021, 51(S2): 200-204. </p> <p> [5] 蔡德强. 论建筑暖通空调工程的节能减排设计[J]. 智能建筑与智慧城市, 2021(8): 116-117.</p>