新型节能技术在民用建筑暖通设计中的应用

方鹏波

（兰州新现代建筑设计有限公司庆阳分公司，庆阳745000）

1 引言

在现代科技的发展与进步下，绿色环保的设计理念已深入人心，而绿色建筑作为一种节能建筑理念，已得到了全国和全社会的广泛关注。然而当前我国城市民用建筑中，空气调节是城市民用建筑的能源消耗最大，同时也是城市民用建筑舒适性的核心，所以在特定的天气环境下，如何在城市民用建筑中实现绿色建筑的节能降耗，对城市民用建筑的建设具有重大的指导作用。当前暖通设计同样也是城市民用建筑设计的重点之一，其可以让人们拥有一个舒服的生活环境，但是也带来大量的能耗，所以我们需要对暖通设备进行科学的设计与规划，以达到节能的设计要求。

2 节能设计理念下民用建筑暖通空调的设计原则

在暖通空调系统增加一些新的功能时，设计人员必须要去纠正对于暖通空调的误解。在日常使用期间，暖通空调系统所发挥出的通风和排烟等功能，能够促使室内的空气质量不会受到影响。基于暖通设计理念，需要遵守以下三点原则：

第一，低碳设计原则。该原则也是民用建筑暖通装置节能设计的首要目标。低碳排放的设计既要满足空调节能系统的设计要求，也要减少对于生态环境的影响。在该原则设计理念下，实际上是限制了民用建筑暖通设计的内容，选择适合的空调型号和理念[1]。同时低碳设计的原则还需要对空调建筑设计的材料选择和施工工艺提出具体要求，也为民用建筑空调系统的节能和设计提供重要保障。

第二，协调设计原则。其实民用建筑本身的通风系统整体结构并不复杂，但是要想全面实现建筑暖通设计的节能工程，除去需要掌握其内部结构的施工之外，还需要对各个结构之间的联系加以协调。在暖通装置节能设计完成之后，其内部的系统能够更好地发挥出其自身的作用，以此来适应民用建筑所处的重要环境。

第三，可循环原则。循环利用的原则满足节能减排的设计要求，基于循环设计原理建立民用建筑的回收系统，进一步回收和利用空调装置所产生的能量和废弃物，进而达到成本节约的重要目的[2]。

3 案例背景

某建筑为五星级酒店设计，其属于民用建筑中的商业建筑形式，由于其本身在民用建筑中的暖通设计极具代表性，因此本文选择该酒店的暖通设计为依据，为其他民用类建筑设计暖通空调系统提供参考。

该建筑迎宾楼主楼分为地上5 层、地下1 层。其中地下负一层包含如更衣间、清洁间、消防控制室等用途建筑；负二层包含空调机房、水泵房、风机房和暖通机房等各类功能区域，建筑总高度为23.95m，地上面积设计为58600m2，地下面积设计为21600m2。

由于酒店的建筑面积已经超出20000m2，其定位为甲类公共建筑，因此其结构应当满足《公共建筑节能设计标准》中的相关规定，并结合当地民用建筑的构造方式，将其定位为“基准建筑”。考虑到暖通空调系统的设计十分关注于建筑负荷极值的情况，因此本文对该酒店的典型年冷和热负荷数值的极值进行统计，如表1所示：

表1 酒店建筑的负荷信息统计

由表1 可了解到，基于基准民用建筑的标准下，该酒店建筑的冷负荷和热负荷分别在每年的7 月份和1 月份，最大的负荷数值分别为4641kW 和3292kW；最大的负荷指标为116W/m2和85W/m2。由于该结构参数的设计均是以满足建筑节能规范的最低需求为条件确定的，所以在后续建筑暖通空调的设计其冷热负荷极值都具有一定的削减空间。

4 新型节能技术在民用建筑暖通空调设计中的应用

4.1 建筑空调系统优化设计的方法

一般情况，在建筑暖通空调设计过程中如市政电力、天然气和太阳能均可以为其提供能源供应，为了满足建筑空调的冷负荷要求可以给予其多种的系统选择，如常见的电制冷机组或者是空气源热泵等[3]。在不同设备的投资和运行期间均存在一定的差异性，所以需要结合的投资情况、负荷特征和运行情况等对空调系统的设计方案加以综合办考虑。

本案例中可被候选的能量转换设备如图1 所示。

图1 建筑空调的系统流程

结合图1 研究所示，电力驱动的空气源热泵其能够提供空调的冷/热负荷，也可根据驱动冷水机组的方式来满足空调的冷负荷；而燃气驱动的燃气锅炉去制备热水器可以满足空调自身的热负荷；太阳能可以驱动太阳能集热器进行制热操作，热水可以根据换热器来满足热负荷的情况，也可通过溴化锂机组来制备冷水，进而满足部分机组中所需要的冷负荷，当太阳能不足时可以根据燃气补燃来实现制热持续操作[4]。

4.2 优化设计的案例与参数分析

本文结合对本酒店的空调系统优化思路分析，设置两个案例进行方案对比，结合维护结构优化和未优化的负荷边界来进行空调系统的优化设计，其优化设计的负荷边界如图2 所示，系统在优化期间所涉及的参数如表2 和表3 所示：

图2 建筑逐时冷负荷和采暖的负荷边界数据统计

表2 设备性能与经济参数

表3 燃料热值与碳排放的信息

4.3 建筑空调系统的优化设计结果

在对比两个方案后的优化设计分析，得到方案一和方案二，二者优化的结果如表4 所示：

可以从表4 中的内容看出，与方案一的空调系统相比较而言，方案二的空调系统设备容量基本上都会有所下降，其中的锅炉容量和水蓄能、空气源热泵容量下降幅度分别为13%、12%和14%。在整体上分析，方案二的建筑空调系统排放量相较于方案一减少13%，并且其年等值的投资和运行费用也分别有着8%和13%的下降幅度。整体结果表明，在优化后的建筑冷热负荷需求度降低的同时，整个空调自身系统的经济性和节能性也会得到整体改善[5]。

4.4 考虑碳排放与经济性的双目标优化

在根据对经济性和碳排放之间的权重系数优化，可以得到的多目标方法中不同的目标权重下最优的设计方案，其中的建筑能源系统帕累托优化前沿如图3 所示：

图3 建筑能源系统的帕累托优化前沿图示

从上述能源系统的帕累托优化前沿中可以看出，能源系统本身的年最小排放量为185t，此时系统的等年值费用为每年472 万元。根据对于碳排放约束的松弛后，整个系统的等年值费用在不断降低，但是根据这种方式其所带来的边际效应会逐渐减少，也就是增加的单位碳排放所贡献的等年值费用降低的额度也在不断降低[5]。在最大程度上放松碳排放权后，该系统每年的碳排放权为502t，等年值成本为135 万元。2 号封存的帕累托锋面与1 号封存的趋势一致，如果封存在164t/年，则其等年值成本将高达413 万元/年。通过对碳排放权的放松，使该能源系统在碳排放权520 吨/年的条件下，实现经济上的最优化，此时该能源系统的等年值成本只需要100万元。

根据方案一、二中的能源系统在不同优化指标权重下的优化设计方案可以得出，由于对能源系统的碳排放限制的放松，制冷能力在持续提高，这在很大程度上是由于制冷效率高、投资成本较低。对新能源来说，在碳排放约束苛刻的情况下，新能源系统的装机容量越大，对新能源存储装置的需求也越大，所以蓄水池的容量相当大。然而随着碳排放限制的解除，可再生能源系统的容量将大幅降低，尤其是太阳能集热式的容量波动更为显著。因为建筑热负荷由锅炉、太阳能集热器和空气源热泵三方共同承担，而在碳排放松弛的过程中，太阳能集热器容量大幅下降，因此空气源热泵所承担的热负荷比重将会相对增大。

5 结语

综上所述，本文结合某酒店建筑中的暖通设计和围护负荷值的分析设计，从不同的目标权重下的能源系统优化配置方案中可以看出，当碳排放量的要求较为严格时，可再生的能源系统配置容量较高，且会存在较大容量的储能设备来实施可再生能源的消纳。在新技术的使用下，可实现暖通设计的节能效果，实现城市资源的综合利用。