新型節能技術在民用建筑暖通設計中的應用

方鵬波

（蘭州新現代建筑設計有限公司慶陽分公司，慶陽745000）

1 引言

在現代科技的發展與進步下，綠色環保的設計理念已深入人心，而綠色建筑作為一種節能建筑理念，已得到了全國和全社會的廣泛關注。然而當前我國城市民用建筑中，空氣調節是城市民用建筑的能源消耗最大，同時也是城市民用建筑舒適性的核心，所以在特定的天氣環境下，如何在城市民用建筑中實現綠色建筑的節能降耗，對城市民用建筑的建設具有重大的指導作用。當前暖通設計同樣也是城市民用建筑設計的重點之一，其可以讓人們擁有一個舒服的生活環境，但是也帶來大量的能耗，所以我們需要對暖通設備進行科學的設計與規劃，以達到節能的設計要求。

2 節能設計理念下民用建筑暖通空調的設計原則

在暖通空調系統增加一些新的功能時，設計人員必須要去糾正對于暖通空調的誤解。在日常使用期間，暖通空調系統所發揮出的通風和排煙等功能，能夠促使室內的空氣質量不會受到影響?；谂ㄔO計理念，需要遵守以下三點原則：

第一，低碳設計原則。該原則也是民用建筑暖通裝置節能設計的首要目標。低碳排放的設計既要滿足空調節能系統的設計要求，也要減少對于生態環境的影響。在該原則設計理念下，實際上是限制了民用建筑暖通設計的內容，選擇適合的空調型號和理念[1]。同時低碳設計的原則還需要對空調建筑設計的材料選擇和施工工藝提出具體要求，也為民用建筑空調系統的節能和設計提供重要保障。

第二，協調設計原則。其實民用建筑本身的通風系統整體結構并不復雜，但是要想全面實現建筑暖通設計的節能工程，除去需要掌握其內部結構的施工之外，還需要對各個結構之間的聯系加以協調。在暖通裝置節能設計完成之后，其內部的系統能夠更好地發揮出其自身的作用，以此來適應民用建筑所處的重要環境。

第三，可循環原則。循環利用的原則滿足節能減排的設計要求，基于循環設計原理建立民用建筑的回收系統，進一步回收和利用空調裝置所產生的能量和廢棄物，進而達到成本節約的重要目的[2]。

3 案例背景

某建筑為五星級酒店設計，其屬于民用建筑中的商業建筑形式，由于其本身在民用建筑中的暖通設計極具代表性，因此本文選擇該酒店的暖通設計為依據，為其他民用類建筑設計暖通空調系統提供參考。

該建筑迎賓樓主樓分為地上5 層、地下1 層。其中地下負一層包含如更衣間、清潔間、消防控制室等用途建筑；負二層包含空調機房、水泵房、風機房和暖通機房等各類功能區域，建筑總高度為23.95m，地上面積設計為58600m2，地下面積設計為21600m2。

由于酒店的建筑面積已經超出20000m2，其定位為甲類公共建筑，因此其結構應當滿足《公共建筑節能設計標準》中的相關規定，并結合當地民用建筑的構造方式，將其定位為“基準建筑”?？紤]到暖通空調系統的設計十分關注于建筑負荷極值的情況，因此本文對該酒店的典型年冷和熱負荷數值的極值進行統計，如表1所示：

表1 酒店建筑的負荷信息統計

由表1 可了解到，基于基準民用建筑的標準下，該酒店建筑的冷負荷和熱負荷分別在每年的7 月份和1 月份，最大的負荷數值分別為4641kW 和3292kW；最大的負荷指標為116W/m2和85W/m2。由于該結構參數的設計均是以滿足建筑節能規范的最低需求為條件確定的，所以在后續建筑暖通空調的設計其冷熱負荷極值都具有一定的削減空間。

4 新型節能技術在民用建筑暖通空調設計中的應用

4.1 建筑空調系統優化設計的方法

一般情況，在建筑暖通空調設計過程中如市政電力、天然氣和太陽能均可以為其提供能源供應，為了滿足建筑空調的冷負荷要求可以給予其多種的系統選擇，如常見的電制冷機組或者是空氣源熱泵等[3]。在不同設備的投資和運行期間均存在一定的差異性，所以需要結合的投資情況、負荷特征和運行情況等對空調系統的設計方案加以綜合辦考慮。

本案例中可被候選的能量轉換設備如圖1 所示。

圖1 建筑空調的系統流程

結合圖1 研究所示，電力驅動的空氣源熱泵其能夠提供空調的冷/熱負荷，也可根據驅動冷水機組的方式來滿足空調的冷負荷；而燃氣驅動的燃氣鍋爐去制備熱水器可以滿足空調自身的熱負荷；太陽能可以驅動太陽能集熱器進行制熱操作，熱水可以根據換熱器來滿足熱負荷的情況，也可通過溴化鋰機組來制備冷水，進而滿足部分機組中所需要的冷負荷，當太陽能不足時可以根據燃氣補燃來實現制熱持續操作[4]。

4.2 優化設計的案例與參數分析

本文結合對本酒店的空調系統優化思路分析，設置兩個案例進行方案對比，結合維護結構優化和未優化的負荷邊界來進行空調系統的優化設計，其優化設計的負荷邊界如圖2 所示，系統在優化期間所涉及的參數如表2 和表3 所示：

圖2 建筑逐時冷負荷和采暖的負荷邊界數據統計

表2 設備性能與經濟參數

表3 燃料熱值與碳排放的信息

4.3 建筑空調系統的優化設計結果

在對比兩個方案后的優化設計分析，得到方案一和方案二，二者優化的結果如表4 所示：

可以從表4 中的內容看出，與方案一的空調系統相比較而言，方案二的空調系統設備容量基本上都會有所下降，其中的鍋爐容量和水蓄能、空氣源熱泵容量下降幅度分別為13%、12%和14%。在整體上分析，方案二的建筑空調系統排放量相較于方案一減少13%，并且其年等值的投資和運行費用也分別有著8%和13%的下降幅度。整體結果表明，在優化后的建筑冷熱負荷需求度降低的同時，整個空調自身系統的經濟性和節能性也會得到整體改善[5]。

4.4 考慮碳排放與經濟性的雙目標優化

在根據對經濟性和碳排放之間的權重系數優化，可以得到的多目標方法中不同的目標權重下最優的設計方案，其中的建筑能源系統帕累托優化前沿如圖3 所示：

圖3 建筑能源系統的帕累托優化前沿圖示

從上述能源系統的帕累托優化前沿中可以看出，能源系統本身的年最小排放量為185t，此時系統的等年值費用為每年472 萬元。根據對于碳排放約束的松弛后，整個系統的等年值費用在不斷降低，但是根據這種方式其所帶來的邊際效應會逐漸減少，也就是增加的單位碳排放所貢獻的等年值費用降低的額度也在不斷降低[5]。在最大程度上放松碳排放權后，該系統每年的碳排放權為502t，等年值成本為135 萬元。2 號封存的帕累托鋒面與1 號封存的趨勢一致，如果封存在164t/年，則其等年值成本將高達413 萬元/年。通過對碳排放權的放松，使該能源系統在碳排放權520 噸/年的條件下，實現經濟上的最優化，此時該能源系統的等年值成本只需要100萬元。

根據方案一、二中的能源系統在不同優化指標權重下的優化設計方案可以得出，由于對能源系統的碳排放限制的放松，制冷能力在持續提高，這在很大程度上是由于制冷效率高、投資成本較低。對新能源來說，在碳排放約束苛刻的情況下，新能源系統的裝機容量越大，對新能源存儲裝置的需求也越大，所以蓄水池的容量相當大。然而隨著碳排放限制的解除，可再生能源系統的容量將大幅降低，尤其是太陽能集熱式的容量波動更為顯著。因為建筑熱負荷由鍋爐、太陽能集熱器和空氣源熱泵三方共同承擔，而在碳排放松弛的過程中，太陽能集熱器容量大幅下降，因此空氣源熱泵所承擔的熱負荷比重將會相對增大。

5 結語

綜上所述，本文結合某酒店建筑中的暖通設計和圍護負荷值的分析設計，從不同的目標權重下的能源系統優化配置方案中可以看出，當碳排放量的要求較為嚴格時，可再生的能源系統配置容量較高，且會存在較大容量的儲能設備來實施可再生能源的消納。在新技術的使用下，可實現暖通設計的節能效果，實現城市資源的綜合利用。