建筑设计阶段暖通空调系统运行碳排放预算分析

奚丈羽

摘 要：在倡导绿色建筑的当下，暖通空调系统因其排放温室气体的优势，得到了建筑设计行业的高度关注。基于此，结合理论与实例，着重探讨了如何在建筑设计阶段预先估算暖通空调系统的碳排放量，由此评估节能减排效果，调整节能措施，从而设计出更加高质量的绿色建筑。

关键词：建筑设计；暖通空调系统；碳排放；估算

中图分类号：TU83                                  文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2023）05-0107-03

0 引言

我国于2020年正式提出了力争在2030年达到碳达峰，2060年达到碳中和的双碳目标[1]。此种背景下，作为能源消耗大户的建筑领域应当积极响应号召，从设计阶段就着手设计能够有效降低能耗、控制温室气体的设计方案。暖通空调是建筑项目中主要的能耗使用及排放温室气体的系统，以办公建筑为例，大约可占65%（见图1），这和发达国家近年来得到了建筑设计领域的重视，成为建筑节能减排的一项设计重点。

1 暖通空调系统节能设计的必要性

近年来我国经济发展迅速，但能源问题与环境问题也变得更加尖锐，这是影响我国可持续发展的一个重要因素。近年来我国的温室气体排放量逐年增加，具体如图2所示。基于此，国家提出了双碳目标，倡导各行业降低能源消耗，减少污染排放[2]。建筑行业作为高能耗行业，也积极响应国家号召，提出了绿色建筑的全新设计理念。绿色建筑就是针对建筑各耗能、排放温室气体的环节，加入节能减排的设计思路。

暖通空调系统主要是为建筑提供空气调节、供暖、通风等作用，以达到建筑室内所需的温度和湿度。而随着我国经济建设的快速发展，建筑工程建设的规模也越来越大，暖通空调系统也随之增加。建筑暖通空调系统是建筑中一个高耗能部分，且建筑的温室气体也主要是由暖通空调系统所排放，因此这一系统就成了绿色建筑的一项设计重点[3]。如果不采取节能设计措施对暖通空调系统进行节能设计，那么势必会造成巨大的能源消耗，极大增加碳排放量。

在暖通空调系统中进行节能设计非常必要。站在节能环保的角度，在建筑设计阶段，应针对暖通空调的设计方案预算估算碳排放量，评估节能减排效果，根据计算结果调整暖通空调系统方案，直至达到最佳节能减排效果，从而降低能源消耗，减少温室气体排放，为国家节能减排的战略规划献一份力。

2 设计阶段暖通空调系统碳排放的预先估算

2.1 碳排放的主要构成

在建筑空调系统中，包括冷热源、输配系统以及末端设备等几部分组成，这也是产生温室气体的主要来源。空调系统的碳排放属于建筑碳排放量的内容，具有包括以下3方面构成（见表1）。

2.1.1 热源

这部分碳排放主要来自制冷机组，如果是电制冷机组，则主要是电力系统和制冷机排放温室气体，如果是吸收式制冷机组，则是主要是燃气、热力等方面排放温室气体[4]。此外，换热站的热力系统也会产生温室气體，冷却塔的电力及供水系统、锅炉的电力及燃气等也都会产生温室气体，带来碳排放。

2.1.2 输配系统

输配系统中包括各类循环泵，冷水循环泵、热水循环泵以及冷却水循环泵的电力系统，运作过程中会产生碳排放。此外，定压补水泵的电力系统、供水系统也都会产生碳排放[5]。

2.1.3 末段设备

末段设备的空气处理设备、通风设备以及红外线辐射装置，都会在电力系统、燃气燃油过程中产生碳排放。

2.2 暖通空调碳排放计算

设计阶段对于建筑暖通空调的碳排放量计算，按照《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019中的碳排放因子法，根据下列公式（1）（2）来计算：

（1）

（2）

式中：Ei为第i类能源的平均年消耗，单位为kW；EFi为第i类能源的碳排放因子；Ei，j为j类系统中第i类能源的消耗量，单位为kW/a；ERi，j为j类系统所使用的可再生能源能够供应的第i类能源总量，单位为kW；i为系统运行消耗的能源种类，如电力、燃油、热力以及燃气等；j为系统设备的类型，包括前文提到的各种类设备；y为设计的使用寿命；Cp为碳汇固碳能力。碳汇就是碳排放总量经过土壤吸收、制备吸收、自然界植物光合作用后所形成的结果，也就是碳排放到自然环境中被吸收的温室气体量。

建筑周边会种植绿色植物，达到吸收温室气体的作用，主要是草地、灌木等为主[6]，但这些植物的碳汇固碳力较低，仅是0.021t/（hm?·a）CO2。因此在具体计算时对Cp忽略不计。在一般建筑暖通空调系统中，所使用的能源基本都是不可再生能源，通过可再生能源供应的能量则基本没有[7]，因此ERi，j为0。所以将Cp及ERi，j忽略不计，可将公式（1）（2）简化为：

（3）

式中：CMH为建筑暖通空调系统在运行过程中的碳排放量；EFi为第i类能源的碳排放因子，单位为kW/a；Ei，j为j类系统中第i类能源的消耗量，单位为kW/a。i为系统运行消耗的能源种类，如电力、燃油、热力以及燃气等；y为设计的使用寿命。

根据公式（3）进行计算，暖通空调各分系统的能耗查询《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019中对应的碳排放因子，得出各系统的碳排放量，忽略设备使用过程中因为设备受损导致耗能增加而所引起的耗能波动。

2.3 暖通空调的计算

要想明确暖通空调在运行过程中的碳排放构成，当系统在满负荷运行下，可以根据以下公式计算各建筑暖通空调系统的能耗。

2.3.1 制冷机组能耗能耗计算

（4）

式中：Pc，n是制冷机组额定输入功率，单位为kW；τ E，c为制冷当量满负荷的运行时间，单位为h。

2.3.2 锅炉能耗计算

锅炉能耗计算如式（5）（6）（7）所示：

（5）

（6）

（7）

式中：LR，N为制热额定的燃气能耗量，单位为Nm?/h；mR，N为制热的额定燃油能耗量，单位为kg/h；PR，N为自热的认定热力能耗量，单位为kg/h；τE，R为制冷当量在满负荷状态的运行时间，单位为h。

2.3.3 冷却塔能耗量计算

冷却塔能耗量计算公式如式（8）所示：

（8）

式中：TCT为冷却塔在设计工况下累积的运行时间，单位为h；PCT，n是冷却塔的额定功率，单位为kW。

3 暖通空调系统碳排放预算的实例分析

3.1 案例暖通空调系统的设计方案

以位于河南省的某办公建筑设计为例，该建筑属于高层建筑，建筑总面积为802 000 m?，地下1层，地上20层，为钢筋混凝土结构，总高度为60.4 m。建筑暖通空调系统共包括夏季空调系统、冬季供暖系统、通风系统。

3.1.1 夏季空调系统

本工程的夏季空调系统以集中式的螺杆机组作为集中冷源，并配有冷却塔、冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵、空气处理设备等。在每年的6月到9月启动运行，每日运行时间在08：00～18：00。

3.1.2 冬季供暖系统

本工程设计的冬季供暖系统为市政24 h供热，配有循环热水泵，从每年12月1日启动运行直至2月末结束。建筑内部循环热水泵工作时间为08：00～18：00。

3.1.3 通风系统

本工程设计的通风系统包括通风系统、设备机房通风系统以及卫生间通风系统，以及每层2套的新风系统。运行时间各有不同。通风系统为全年运行，运行时间为每天的08：00～18：00。设备机房通风系统全年运行，每日07：00开启，20：00关闭。新风系统及卫生间通风系统全年运行，每日08：00～18：00开启。

3.1.4 设计方案总结

根据上述设计方案可以得出，建筑暖通空调系统的夏季运行时间共计1 220 h，冬季运行时间共计920 h，通风系统运行时间共计3 340 h，仓库通风系统的运行时长共计5 088 h，设备机房通风系统的运行时长共计4745h，卫生间通风系统运行时长共计3 340 h，τ E，R 为976 h，τ E，C为736 h。

3.2 暖通空调系统能耗计算

按照公式（4）至（8），并查詢《建筑碳排放计算标准》GB/T51366-2019中对应的碳排放因子，分别计算各暖通空调系统的能耗，具体情况如下。

第一，在夏季空调系统中，集中式螺杆机组的年累计功率计算结果43 724.82 kW，燃气量的年用量是476 289 m?，冷却水及冷冻水循环泵的年功率分别是42 944 kW及72 224 kW，冷却塔的年功率是72 224 kW，空调系统的空气处理设备年功率是679 910.89 kW。

第二，在冬季供暖系统中，热水循环泵年功率是27 232 kW，供暖系统的空气处理设备年功率是93 254.15 kW。

第三，在通风系统中，通风系统的年总功率为47 433.43 kW，仓库通风系统的年总功率为569 957.75 kW，卫生间通风系统及新风系统的年总功率为1 202.41 kW。

3.3 建筑暖通空调系统碳排放计算

结合上述结果，本建筑设计方案的暖通空调系统碳排放量计算结果如下。

在夏季空调系统中，集中式螺杆机组的年碳排放量是2 301.42 kg，冷冻水循环泵年碳排放量是57 851.39 kg，冷却水循环泵的年碳排放量是34 398.12 kg。冷却塔的年碳排放量是57 851.41 kg，夏季空调系统的空气处理设备年碳排放量是544 608.57 kg。

在冬季供暖系统中热水循环泵的年度碳排放是21 812.83 kg，供暖系统中的空气处理设备年碳排放量是74 696.58 kg。

在通风系统中，通风设备的年碳排放量是37 994.18 kg，通风的年碳排放量是456 536.22 kg，卫生间通风系统与新风系统的年碳排放量是963.12 kg。

根据碳排放预算结果可以看出，在夏季空调、冬季供暖以及通风系统中，以通风系统和夏季空调系统的每年碳排放量最高。其中夏季空调系统的碳排放量最高，可达总碳排放量的40%，通风系统则占总探排放量的30%。因此根据计算结果，需要在建筑设计阶段着重从空调系统和通风系统入手，从节能减排的角度优化设备选型、方案设计，尤其关注是空调制冷系统的制冷主机选型、通风系统的风机效能，达到节能减排的设计目标。

4 结束语

暖通空调系统是建筑碳排放的主要部分，在建筑设计阶段要参照GB/T51366-2019《建筑碳排放计算标准》分别对夏季空调系统、冬季供暖系统以及建筑通风等碳排放量进行预先估算，根据计算结果找出设计方向和重点，从节能减排的角度制定更具针对性的设计方案，从而打造出更高品质的绿色建筑精品工程。

参考文献

[1] 陈月庆.试析建筑工程项目暖通空调工程的节能设计[J].智能建筑，2022（9）：86-88+91.

[2] 赵奕瑄，陶寒冰，任邦华，等.高层建筑暖通空调系统设计探讨[J].科技资讯，2022，20（12）：83-85.

[3] 齐亚茹，任美桃.暖通空调设计在绿色建筑中的运用[J].四川水泥，2021（9）：109-110.

[4] MetsaEerola Iivo，Pulkinen Jukka，Niemitalo Olli.On Hourly Forecasting Heating Energy Consumption of HVAC with Recurrent Neural Networks[J].Energies，2022，15（14）：1-20.

[5] 郝亮，李秋菊，耿永伟，等.北京市某办公建筑装修改造项目暖通空调设计[J].建筑热能通风空调，2021，40（7）：97-99+88.

[6] 高晓明.暖通空调节能技术控制与施工探索[J].智能城市， 2021，7（8）：159-160.

[7] 苏道林，王后帅.高层建筑暖通空调设计常见问题及措施探析[J].城市住宅，2020，27（11）：183-184.