基于绿色建筑理念的暖通空调系统节能设计

0引言

目前,建筑行业作为能源消耗和碳排放的重要来源之一,正面临着巨大的节能减排压力。暖通空调系统作为建筑能耗的主要构成部分,其能耗占比通常高达建筑总能耗的30%以上,传统暖通空调系统在设计和运行过程中普遍存在设备选型冗余、系统调节滞后、能源利用效率低等问题,导致了能源的巨大浪费,也增加了建筑的运营成本和环境负担。绿色建筑理念的兴起为暖通空调系统的节能设计提供了全新的思路,强调系统与建筑环境的和谐共生,倡导利用清洁能源、智能技术和高效设备,以实现资源的最优配置和能源的高效利用。

绿色建筑理念是以可持续发展为核心,强调在建筑全生命周期内最大限度地节约资源(包括能源、土地、水和材料),保护环境和减少污染,为人们提供健康、适用和高效的使用空间。其内涵不仅限于建筑物的单体设计,还涵盖选址规划、材料选择、施工管理、运行维护及废弃物处理等多个环节。绿色建筑通过整合被动式设计、主动式节能技术和高效能系统,致力于降低建筑运行能耗和碳排放。

1暖通空调系统节能需求分析

暖通空调系统的能源浪费主要体现在设备选型不当、 运行负荷与需求不匹配、系统调节滞后和能量传输损失等方面。热负荷计算需要根据建筑的不同使用场景,如办公楼、商场、住宅等,结合当地的气候条件(如冬夏设计温度)、建筑材料的保温性能(U值)等因素进行综合分析。具体的计算标准依据《公共建筑节能设计标准》(GB 50189- 2015)中的参数和方法来执行。

针对建筑热负荷的计算结果,合理配置高效能设备, 包括调整变频空调的制冷或制热,当冷负荷/热负荷<50% 时,空调运行在低频模式,以节省能耗;冷负荷/热负荷> 80%时,空调改为高效运行。锅炉推荐选择冷凝式锅炉,可以达到95%以上的效率,30kW~100kW的冷凝式锅炉适用于面积在1000㎡~5000㎡的小型办公建筑。热回收装置推荐选择阿法拉伐(Alfa Laval)空气-空气热回收装置,热回收效率应达到70%以上,并且应配置于如会议室、商场等风量较大、空气质量需求较高的场所。

优化运行工况不仅体现在设备选型上,还包括系统运行参数的调节和控制。例如,采用动态负荷调节技术,确保系统能效比(EER)不低于5.0。还可进行分区控制,例如办公楼的公共区域、会议室、办公区和休息区应分别设定不同的温度和湿度阈值。配置夜间运行模式,建议空调系统以不超过30%的负荷运行,并确保室内温度控制在舒适范围内(夏季:26℃,冬季:20℃)。送风口与回风口的布置应符合空气流速标准,空调出风口的风速控制在0.25m/s~ 0.35m/s之间,确保空气均匀分布。

2绿色暖通空调系统的节能设计

2.1换热设备选型优化

换热设备作为暖通空调系统中核心的能量转换单元, 其效率直接影响系统的整体性能与能耗水平。设备选型应依据建筑热负荷的精确计算结果,结合不同工况的换热需求,优先选择如板式换热器、翅片管换热器和热回收型换热设备等高效能的换热器类型,适用场景如表1所示。

在选型过程中,应充分考虑换热设备的性能参数,包括传热系数、压降、耐腐蚀性及维护便捷性等。推荐选用阿法拉伐(Alfa Laval)M10-BFG板式换热器,其采用紧凑的板片设计,能够最大化传热面积,并且具有高传热系数(高达5000W/m2·K),能够在较小体积内实现高效的能量转换,减少系统所需设备的占地空间。

2.2管道系统布局设计

合理的管道布局可以有效降低流体输送的能量损失, 提高系统整体效率。在管道设计中,最重要的是选择合适的管道直径和优化流体输送路径。管道直径的选择主要根据流量和流速进行计算。

常用的管道直径计算公式如下:

其中,D是管道内径(m),Q是设计流量(m3/s),v是设计流速(m/s)。

流体在管道中的摩擦损失直接影响系统的能耗,摩擦阻力可通过简化的达西-威斯巴赫公式进行估算:

hf=f×(L÷D)×(v2÷2g)

其中,hf为摩擦损失高度(m),f为摩擦系数(由管道材质和流体特性决定),L是管道长度(m),D是管道直径 (m),v是流体流速(m/s),g是重力加速度(9.81m/s2)。

根据建筑面积的不同,利用以上两个公式可以计算出合适的管道直径,如表2所示。

管道布局设计时应综合考虑管道长度、摩擦损失、流体流速、能耗、施工难度以及维护便捷性等多项指标,以实现系统能效和稳定性最大化。可采用达西-威斯巴赫方程估算摩擦损失,并结合系统运行负荷对不同布局方案进行能耗模拟分析。优先选择减少局部阻力的布局方案,确保流体在管道内均匀流动,同时控制流速在1.5m/s~2.5m/s之间,避免过高的流速增加摩擦阻力

对于不同区域的冷、热负荷需求,使用建筑动态负荷模拟软件,计算各区域在不同时段的热负荷,有针对性地设计每个区域的管道直径。负荷较大的区域,管道直径应增大,以减少压降并确保足够的流体输送能力。 对于负荷较小或稳定的区域,管径可适当缩小,减少不必要的材料浪费和能耗。

最优布局还需综合考虑空间利用率、管道可达性和后期维护空间。可采用三维管道布置软件进行全局模拟,避免与其他系统的交叉,确保管道的可操作性和可维护性。

2.3智能调节室内环境

智能调节在暖通空调系统中的应用主要体现在精确控制和分区管理两大方面。智能调节通过设定环境参数的动态阈值和精确控制措施,实现室内环境的高效管理。

精确的温度控制措施如图1所示。

分区控制策略将建筑物划分为若干个独立控制区域, 如办公区、会议室、公共走廊和休息区等。各区域的温度、 湿度和空气质量阈值可单独设定,根据使用场景的不同需求进行精细化管理。如会议室有预定时才启动空调,温度在22℃~24℃之间;办公区根据工作时间段进行温度调节, 工作时间内温度在21℃~25℃之间。在休息区设置相对宽松的环境参数阈值,温度范围设定在20℃~26℃之间,并仅在人员检测传感器感应到有人活动时启用制冷或制热功能。对于走廊区域,由于人员停留时间较短,可进一步长时间开启空调并放宽温度设定范围至18℃~28℃。

2.4应用太阳能和地热能

太阳能可通过太阳能光伏系统和太阳能集热器两种形式为建筑提供电力和热能。太阳能光伏系统的光伏板倾角应接近当地的纬度,以最大化全年能量捕获。光伏板的尺寸根据屋顶的可用面积和系统设计的总发电量需求来确定,一般采用高效单晶硅光伏板,标准尺寸为1.6m×1m, 每块板的功率在300W~400W之间。为避免光伏板之间的阴影效应,光伏板的间距应根据当地的日照角度调整,通常间距保持在0.5m~1m左右。

太阳能集热器用于热水和供暖系统时采用平板型或真空管型集热器。平板集热器适合大面积铺设,可直接安装在建筑屋顶或阳台上,标准尺寸一般为2m×1m,单块集热面积为2㎡。真空管集热器适用于高温需求场景,管径通常为58mm,长度为1.8m。集热器的布局需避开阴影和通风阻碍,并与储热水箱和电加热器配合使用。

地源热泵系统主要包括水平埋管、垂直埋管和地下水源热泵系统。垂直埋管系统常用于占地面积有限的建筑, 钻孔深度通常在50m~150m之间,每口井的间距需保持在 5m~7m,它的换热管道通常为高密度聚乙烯(HDPE)材质,管径在32mm~40mm之间。水平埋管系统适合于占地面积较大的场地,埋管深度约为1.5m~2m,铺设长度根据负荷需求确定,通常为每千瓦负荷需铺设40m~60m的管道。在系统运行中,热泵通过换热器将地能与建筑内的冷暖负荷交换,效率可达400%以上。

2.5运行能效评估策略

首先建立全面的能效监测体系,利用高精度的能耗监测仪器对系统运行状态进行实时监控,关键指标包括能效比(EER)、季节能效比(SEER)、总能耗、冷却负荷及供热负荷等。采用建筑能耗模拟软件,对不同气候条件下的系统运行进行仿真分析,以评估其在不同负荷条件下的表现与适应性。

结合建筑物使用的动态负荷数据进行长期跟踪,实施基于模型的预测维护策略,挖掘分析运行数据,识别系统中的性能衰退和潜在故障。使用计算流体动力学(CFD)模拟,深入分析室内空气流动和温度分布,确保设计的空气处理和输送系统有效满足室内环境的舒适性和空气质量标准。运行过程中,依据动态监测数据,实时调整系统运行参数和控制策略,从而优化能源使用效率。

最终建立系统的能效报告机制,定期评估运行效果, 并制定相应的改进措施,以便在运行阶段实施持续优化。

3测试验证

为评估绿色暖通空调系统节能设计在能效、运行稳定性和环境舒适性方面的性能,本实验与传统暖通空调系统进行对比,验证其节能效果和舒适度提升。

传统的暖通空调系统采用常规的设备和控制方式,例如定速空调主机、管壳式换热器、定风量风机、手动控制系统、单一能源系统和普通管道布局。

实验选择两栋相似结构的建筑,一栋使用绿色节能系统(实验组),另一栋使用传统暖通空调系统(对照组)。然后安装所有监测设备,设定相同的室内环境条件,记录每天的能耗和环境参数。在两个实验组中收集为期一个月的连续数据。

在实验结束后,进行数据分析,实验结果如表3所示, 其中绿色节能系统的能效比(EER)比传统系统高37.93%; 季节能效比(SEER)比传统系统高35.36%;日均能耗比传统系统低33.75%;温度波动幅度比传统系统低66.96%;湿度波动幅度比传统系统低49.17%;CO2浓度比传统系统低 37.41%;用户满意度评分比传统系统高37.23%。数据表明, 绿色暖通空调节能系统在能效、稳定性和用户舒适性方面均显著优于传统系统,验证了其在绿色建筑应用中的有效性和优势。

4结语

基于绿色建筑理念的暖通空调节能设计,通过高效换热设备优化、智能化管道布局、精准的室内环境智能调节以及太阳能与地热能的多能互补应用,能显著降低系统能耗,优化建筑能源利用效率,提升室内环境的舒适性和稳定性,全面满足绿色建筑的节能减排和可持续发展需求。