暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)分析

張莉 李堯 朱玉明

1 暖通空調(diào)領(lǐng)域能耗

1.1 建筑環(huán)境與暖通空調(diào)能耗

能源為經(jīng)濟(jì)的發(fā)展提供了動(dòng)力,但是能源的發(fā)展往往滯后于經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。近幾年,我國的國民生產(chǎn)總值增長率維持在10%,但能源增長率只有3%～4%。這樣的形勢要求我們必須節(jié)能。建筑能源消耗占社會(huì)總能耗的比例較大,建筑節(jié)能是建筑發(fā)展的基本趨勢,也是當(dāng)代建筑科學(xué)技術(shù)的一個(gè)新的生長點(diǎn)?，F(xiàn)代建筑的必要組成部分——暖通空調(diào)領(lǐng)域也已經(jīng)受到這種趨勢的影響,暖通空調(diào)系統(tǒng)中的節(jié)能正在引起暖通空調(diào)設(shè)計(jì)者的注意,并且針對不同國家、地區(qū)的能源特點(diǎn)和不同建筑的采暖、通風(fēng)、空調(diào)要求發(fā)展著相關(guān)的節(jié)能技術(shù)?，F(xiàn)有的暖通空調(diào)系統(tǒng)所使用的能源基本上是高品位的不可再生能源,其中電能占了絕對比例。研究建筑環(huán)境,了解暖通空調(diào)負(fù)荷產(chǎn)生的原因及影響因素,可以更加合理地提出解決問題的方法。

1.2 暖通空調(diào)能耗的組成

為了創(chuàng)造舒適的室內(nèi)空調(diào)環(huán)境,必須消耗大量的能源。暖通空調(diào)能耗是建筑能耗中的大戶,據(jù)統(tǒng)計(jì)在發(fā)達(dá)國家中暖通空調(diào)能耗占建筑能耗的65%,以建筑能耗占總能耗的35%計(jì)算,暖通空調(diào)能耗占總能耗的比例竟高達(dá)22.75%,由此可見建筑節(jié)能工作的重點(diǎn)應(yīng)該是暖通空調(diào)的節(jié)能。從暖通空調(diào)的能耗組成可以看出:暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗主要決定于空調(diào)冷、熱負(fù)荷的確定和空調(diào)系統(tǒng)的合理配置,空調(diào)系統(tǒng)的布置和空調(diào)設(shè)備的選擇是以空調(diào)負(fù)荷為依據(jù)的。所以暖通空調(diào)節(jié)能的關(guān)鍵是空調(diào)外界負(fù)荷和內(nèi)部負(fù)荷的確定,而暖通空調(diào)節(jié)能工作也應(yīng)該從這個(gè)方面著手,合理布置建筑物的位置,正確選擇外墻、門、窗、屋頂?shù)男螤罴安牧系?盡量減少空調(diào)負(fù)荷。

1.3 室內(nèi)環(huán)境的影響

暖通空調(diào)的目標(biāo)是為人們提供舒適的生活和生產(chǎn)室內(nèi)熱環(huán)境,主要包括:室內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、氣流速度以及人體與周圍環(huán)境(包括四壁、地面、頂棚等)之間的輻射換熱(簡稱環(huán)境熱輻射)等。在一般的舒適性空調(diào)中,以能夠使人體保持平衡而滿足人們的舒適感覺為目的;在恒溫恒濕或有潔凈要求的工藝性空調(diào)中,一切以滿足生產(chǎn)工藝為目標(biāo)。而房屋的建筑熱工設(shè)計(jì)是恰當(dāng)?shù)乩梅课輫o(hù)結(jié)構(gòu)的熱導(dǎo)性,抵抗室外氣候的變化,使房間內(nèi)產(chǎn)生舒適的微氣候。

1.4 圍護(hù)結(jié)構(gòu)暖通空調(diào)負(fù)荷的影響

圍護(hù)結(jié)構(gòu)包括外圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)。外圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括屋面、外墻和窗戶(包括陽臺(tái)門等);內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要包括地面、頂棚、內(nèi)隔墻等。在采暖建筑中,圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱熱損失占總熱損失的比例是較大的,以4個(gè)單元6層的磚墻、混凝土樓板的典型多層建筑為例,在北京地區(qū),通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱熱損失約占全部熱損失的77%(其中外墻25%,窗戶24%,樓梯間隔墻11%,屋面9%,陽臺(tái)門下部3%,地面2%);通過門窗縫隙的空氣滲透熱損失約占23%。由此可見改善圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能對于暖通空調(diào)節(jié)能具有重要意義。

1.5 建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)對暖通空調(diào)節(jié)能的影響

規(guī)劃設(shè)計(jì)是建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的重要方面,規(guī)劃節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)從建設(shè)選址、分區(qū)、建筑和道路布局走向、建筑方位朝向、建筑體型、建筑間距、冬季季風(fēng)主導(dǎo)方向、太陽輻射、建筑外部空間環(huán)境構(gòu)成等方面進(jìn)行研究。充分重視和利用太陽能、冬季主導(dǎo)風(fēng)向、地形和地貌,利用自然因素,分析氣候的決定因素、輻射因素、大氣環(huán)流因素和地理因素的有利、不利影響,通過建筑的規(guī)劃布局對上述因素進(jìn)行充分利用、改造,形成良好的居住條件和有利于節(jié)能的微氣候環(huán)境。建筑旁邊的綠化不但有防風(fēng)、隔聲、防塵和美化環(huán)境的作用,而且對于建筑節(jié)能也有重要作用。

2 暖通空調(diào)領(lǐng)域節(jié)能的途徑與方法

2.1 改善建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能,減少冷熱損失

對于暖通空調(diào)系統(tǒng)而言,通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空調(diào)負(fù)荷占很大比例,而圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能決定圍護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)的大小,亦即決定通過圍護(hù)結(jié)構(gòu)的空調(diào)負(fù)荷的大小。所以在國家出臺(tái)的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)中,首先要求的就是提高圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能。適當(dāng)增加墻體、屋頂?shù)谋匦阅?可以減少通過這些圍護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的冷熱負(fù)荷。例如:采用新型節(jié)能墻體——小型混凝土空心砌塊做墻體可有效減輕建筑物的負(fù)荷,其墻體傳熱系數(shù)K=0.54 W/m2,比傳統(tǒng)黏土實(shí)心磚墻節(jié)能一倍以上。根據(jù)權(quán)威部門對住宅圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工測試結(jié)果證明,住宅內(nèi)熱量有40%～50%是通過門窗損失,所以應(yīng)盡量采用密封性好、保溫節(jié)能的新型塑鋼門窗[1]。

2.2 空調(diào)新風(fēng)量影響空調(diào)系統(tǒng)能耗

空調(diào)新風(fēng)問題是影響空調(diào)是否節(jié)能的一個(gè)方面,新風(fēng)量過多會(huì)增加其負(fù)荷,進(jìn)而增加電耗,處理的新風(fēng)量過少則會(huì)影響空調(diào)環(huán)境的質(zhì)量,因此針對具體的空調(diào)環(huán)境做好送風(fēng)溫度和新風(fēng)比例的調(diào)整非常有利于節(jié)能。比如,對于夏季需供冷、冬季需供熱的空調(diào)房間,室外新風(fēng)量愈大,系統(tǒng)能耗愈大,在這種情況下,室外新風(fēng)應(yīng)控制到衛(wèi)生要求的最小值。而在過渡季節(jié),空調(diào)室內(nèi)一般不需供冷或供熱,可全部采用新風(fēng),這種方法是空調(diào)系統(tǒng)最有效的節(jié)能措施之一。

2.3 空調(diào)方式影響空調(diào)系統(tǒng)能耗

選擇合適的空調(diào)方式是空調(diào)節(jié)能的一個(gè)重要方面。近幾年來,變頻空調(diào)因其具有節(jié)能和提供舒適內(nèi)環(huán)境的顯著特點(diǎn)而得到飛速發(fā)展,到目前為止,變頻空調(diào)器占日本房間空調(diào)器市場銷售份額的80%以上。根據(jù)日本JRA404標(biāo)準(zhǔn),變頻空調(diào)器季節(jié)能效比遠(yuǎn)高于定頻空調(diào)器,在冷負(fù)荷相當(dāng)?shù)那闆r下使用變頻空調(diào)器消耗的功率僅為定頻空調(diào)器的66%,即省電34%。因此,變頻空調(diào)應(yīng)是空調(diào)發(fā)展的一個(gè)趨勢,使空調(diào)盡可能達(dá)到節(jié)能要求。在中央空調(diào)系統(tǒng)中,我們應(yīng)采用變頻技術(shù),其主要有兩種形式:用變速泵和變速風(fēng)機(jī)替代調(diào)節(jié)閥,減少系統(tǒng)內(nèi)部消耗,提高整機(jī)效率,或者采用變流量技術(shù),根據(jù)空調(diào)負(fù)荷改變水流量或風(fēng)流量,從而達(dá)到節(jié)能效果。

2.4 推廣應(yīng)用使用可再生能源或低品位能源的空調(diào)系統(tǒng)

隨著空調(diào)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用,空調(diào)對不可再生能源的消耗將大幅度上升,同時(shí)對生態(tài)環(huán)境的破壞也在日趨加劇。如何利用可再生能源及低品位能源已經(jīng)成了該領(lǐng)域重要的研究課題。地源熱泵空調(diào)系統(tǒng)就是在這種形勢下發(fā)展起來的,它利用地下恒溫層土壤熱顯著提高空調(diào)系統(tǒng)的COP值,使得同等制熱(或制冷)量下的系統(tǒng)能耗大幅度下降。另外,利用太陽能供熱或制冷技術(shù)也在開發(fā)研究著。

2.5 冷熱回收利用的研究運(yùn)用,實(shí)現(xiàn)能源最大限度的利用

目前許多空調(diào)系統(tǒng)冷熱回收利用研究也在蓬勃開展,如空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)的全熱回收器,夏季利用冷凝熱的衛(wèi)生熱水供應(yīng)等,都是對系統(tǒng)冷熱的回收利用,顯著提高了空調(diào)系統(tǒng)能源利用率。從節(jié)能考慮,將系統(tǒng)中需排掉的余熱移向需要熱的地方去是節(jié)能的一種趨勢。全熱交換器的熱傳遞效率現(xiàn)可達(dá)到75%～80%。還有一些常用熱回收裝置,如熱管換熱器、板式換熱器、熱回收環(huán)路等。相對來說,熱泵系統(tǒng)回收方式更普遍,熱泵可以回收100℃～120℃以下的廢熱,可利用自然環(huán)境(如空氣和水)和低溫?zé)嵩?如地下熱水、低溫太陽熱和余熱)來節(jié)約大量采暖、供熱燃料,是一種新型的高效利用低溫能源的節(jié)能技術(shù)。如果熱泵與直接接觸式熱回收設(shè)備聯(lián)合使用,其熱回收效率比單一設(shè)備要高得多。

3 結(jié)語

本文介紹了暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗、能源的有效利用和節(jié)能的幾個(gè)主要途徑。改善建筑環(huán)境,提倡綠色建筑和建筑物的自身節(jié)能;優(yōu)選建筑物空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行模式及設(shè)備,加強(qiáng)自動(dòng)控制運(yùn)行管理方式;空調(diào)新風(fēng)量;空調(diào)方式等。在空調(diào)領(lǐng)域,舒適和節(jié)能成為當(dāng)今建筑、設(shè)計(jì)的基本課題,保護(hù)環(huán)境,利用自然能源,削減能源負(fù)荷,成為今后建筑設(shè)計(jì)的方向。暖通空調(diào)系統(tǒng)在建筑節(jié)能中占據(jù)重要的位置,起著重要的作用,節(jié)能技術(shù)的研究開發(fā)和運(yùn)用是暖通空調(diào)系統(tǒng)、建筑系統(tǒng)節(jié)能的基礎(chǔ),是推動(dòng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的保證。

[1] 惠 群.談住宅建筑節(jié)能的幾項(xiàng)技術(shù)措施[J].住宅科技,1998(11):23-25.

[2] 張 彬.淺談暖通空調(diào)系統(tǒng)在酒店設(shè)計(jì)中的節(jié)能方案[J]. 山西建筑,2008,34(14):190-191.