建筑暖通设计中的节能策略与实践研究

郑家乐

浙江地标设计集团有限公司台州分公司 浙江 台州 318000

随着全球经济的不断发展和城市化进程的推进，建筑行业对能源的需求不断增长，相应地也带来了巨大的能源消耗和环境负担。在全球变暖、气候变化和资源稀缺等全球性挑战的背景下，节能与环保已成为建筑设计和发展的重要命题。作为建筑领域的重要组成部分，建筑暖通系统的节能设计显得尤为关键。建筑暖通设计涉及建筑内的供热、通风和空调系统，这些系统不仅直接影响着居住者的舒适感，同时也对建筑能源消耗和室内空气质量产生着深远的影响[1]。

1 暖通系统设计中的节能策略

1.1 建筑外围结构设计

1.1.1 保温材料的选择与应用

在暖通系统设计中，采取有效的节能策略对于降低建筑能耗、提高能源利用效率至关重要。其中，与建筑外围结构设计密切相关的保温材料的选择与应用是一个关键方面。通过合理选择和应用保温材料，可以有效减少建筑在供热和制冷过程中的能量损失，从而实现节能目标。

保温材料的选择应综合考虑材料的导热系数、密度、耐久性、环保性和成本等因素。优质的保温材料应具有较低的导热系数，能够有效阻隔热量的传递；适当的密度可以保证材料在长期使用中不会出现空鼓或损坏；同时，注重材料的环保性，避免使用对环境有害的材料，确保建筑的可持续发展。

在应用方面，保温材料的正确施工和使用也至关重要。确保保温材料的质量，避免施工中的缝隙和漏洞，以确保保温层的完整性和连续性。合理选择不同区域的保温材料，根据不同的热工性能和保温要求来进行搭配，可以实现最优的节能效果。除了传统的保温材料，如岩棉、聚苯板和聚氨酯等，还可以考虑应用新型的绿色保温材料，如生物质材料和可再生能源材料[2]。这些材料在保温效果的同时，还能降低对有限资源的依赖，促进建筑行业朝着更加环保和可持续发展的方向发展。

1.1.2 采光与遮阳设计

采光与遮阳设计可以最大限度地利用自然光和阻挡过多的太阳辐射，从而减少对暖通系统的依赖，提高能源利用效率，实现节能减排。在采光设计方面，科学合理地规划建筑的窗户和天窗位置，可以充分利用自然光，减少人工照明的使用。合理布局建筑内部空间，确保光线能够深入室内，提高室内采光质量，同时避免采光不足导致的不适感和能源浪费。

而在遮阳设计方面，采用适当的遮阳装置，如百叶窗、遮阳板和遮阳帘等，可以阻挡过强的太阳辐射，减轻建筑内部的热负荷，降低空调负荷。遮阳设计还可以有效防止夏季过热和冬季过冷现象的发生，实现建筑内部温度的自然调节，进一步降低能源消耗。此外，结合采光与遮阳设计，可以采用智能化的自动控制系统。通过感知室内外的光照和温度情况，及时调整窗帘和遮阳装置的开闭程度，最大程度上满足建筑内部的采光和遮阳需求，优化建筑的能源利用效率。

1.2 传热与传质机理优化

1.2.1 热传导途径的减少

热传导是能量从高温区域传递到低温区域的过程，在建筑中，过多的热传导途径会导致能量的浪费和热量的损失，从而增加供热负荷和能源消耗。为了减少热传导途径，可以在建筑外围结构设计中采用高效的保温材料。优质的保温材料具有较低的导热系数，能够有效阻挡热量的传递，将建筑内部的热能尽可能保留在室内，减少能量的损失。在墙体、屋顶和地板等部位广泛应用保温材料，可以降低建筑的热桥效应，提高保温效果。

此外，采用断热性能良好的窗户和门，也是减少热传导途径的重要措施。传统的单层玻璃窗户容易导致热量的散失，而双层或三层中空玻璃窗能够有效隔离内外温度，减少热传导。结合合理的窗框设计，可以进一步提高窗户的断热性能，减少能量的损失。在建筑内部，通过合理布局和隔热设计，也可以减少热传导途径。例如，采用隔热墙体隔断，合理设置建筑内部空间，可以降低冷热空气的相互传递，提高室内的温度稳定性和舒适性。

1.2.2 空气与水流动优化

通过优化空气和水的流动方式，可以提高能源利用效率，降低能耗，实现节能减排的目标。在空气流动优化方面，合理的通风设计可以实现室内外空气的有效交换，提供新鲜空气，同时降低供暖和制冷系统的负荷。通过考虑风道的布局、气流的流速和流向等因素，可以避免空气流动中的死角和阻力，减少能量损失。采用智能控制系统可以根据室内外温度和湿度的变化自动调节通风量，最大限度地利用自然通风，降低机械通风的能耗。

在水流动优化方面，合理设计供暖和制冷系统的管道布局、水流速度和压力降，可以减少水泵的能耗，提高水流动的效率。采用节能的水泵和流量控制装置，可以实现变频调节、按需供水，降低系统运行能耗。同时，优化暖通系统的水路结构和散热器的选择，也可以提高传热效率，减少水流动过程中的能量损失。此外，结合空气与水流动优化，可以应用先进的热回收技术。例如，通过热交换器将排出的废气或废水中的热能回收利用，用于供暖或热水制备，减少能源的浪费[3]。

1.3 能源利用优化

1.3.1 高效暖通设备的选用

在高效暖通设备的选用方面，首先需要考虑设备的能效指标。例如，选择能效等级高的暖通设备，如高效热泵、燃气锅炉等，可以有效降低设备运行时的能源消耗。此外，考虑设备的工作效率和控制精度也是重要因素。通过选择具有高效率和精确控制的暖通设备，可以在不同季节和温度条件下，提供稳定且舒适的室内环境，减少能源的浪费。

其次，需要根据建筑的实际需求和特点，量身定制暖通设备的规格和数量。避免过度设计和不必要的设备冗余，可以减少系统的能耗和运行成本。合理配置暖通设备，根据建筑的朝向、面积、使用用途等因素进行优化，可以确保设备在高效运行的同时，满足建筑内部的舒适性和节能要求。

1.3.2 可再生能源的利用

可再生能源是指在自然界中不断生成的能源，如太阳能、风能、地热能等，其利用对环境几乎不产生负面影响，具有低碳排放和可持续发展的特点。在暖通系统中应用可再生能源，不仅可以减少对传统化石能源的依赖，降低碳排放，还可以提高能源利用效率，实现绿色能源的有效利用。

太阳能是一种重要的可再生能源，可以通过光伏发电和太阳能热水系统应用于暖通系统中。在光伏发电方面，通过在建筑外围结构中安装光伏电池板，将阳光转化为电能，为暖通设备的运行提供绿色能源。而太阳能热水系统则利用太阳能直接加热水，供应给供暖系统或提供热水，减少传统燃气热水器的使用，降低能源消耗。

1.4 智能控制技术在暖通系统中的应用

1.4.1 智能温控与调度

智能控制技术基于先进的传感器、数据分析和自动化系统，可以实时监测和分析建筑内外的温度、湿度、人员活动等信息，以智能化方式对暖通系统进行调控，达到优化能源利用、提高能效的目的[4]。

智能温控技术通过在建筑内部设置智能温度传感器和控制设备，实时监测室内温度变化，并根据预设的温度范围和舒适标准，智能地调节供暖和制冷设备的运行，以确保室内温度始终保持在舒适范围内。通过智能温控技术，可以避免因温度波动过大而造成的能源浪费，实现精准调温，节约能源[5]。

智能调度技术将多个暖通设备进行协调和优化，以实现最佳能源利用效率。通过实时监测和分析设备的运行状态和能耗数据，智能调度系统可以合理安排设备的运行时间和运行模式，避免设备过度运转或重复运行，减少能源消耗。例如，在低负荷时段降低设备的运行功率，在高负荷时段增加设备的运行效率，以最小的能耗满足建筑的供暖和制冷需求。

1.4.2 自适应控制策略

自适应控制策略基于先进的传感器、数据分析和人工智能算法，能够实时感知和分析建筑内外的温度、湿度、人员活动等信息，并根据实际需求智能地调整暖通系统的运行，以最优化能源利用、提高能效为目标。自适应控制策略的核心是根据实时数据和反馈信息进行智能决策。通过在建筑内设置多样化的传感器，监测室内外的环境参数和能耗数据，系统可以了解建筑的实际状况。同时，结合人工智能算法和模型预测，自适应控制系统可以预测未来的环境变化，实现对暖通设备的智能预调节。

在自适应控制策略中，系统还可以根据不同的时间段和使用情况进行智能调控。在不同的季节和天气条件下，自适应控制系统可以自动调整供暖和制冷设备的运行模式和参数，以最优化的方式满足建筑内部的舒适需求。在高峰和低谷用能时段，系统可以根据能源价格和供需情况，智能调整设备的运行策略，以实现能源的高效利用。

2 建筑暖通设计中的节能策略实践案例

2.1 办公建筑节能设计案例

2.1.1 背景

图1 办公建筑节能设计图 来源：网络

该办公建筑项目位于城市中心，是一栋多层办公大楼，总面积约为1万平方米。项目团队在设计初期就明确了可持续发展的目标，将节能减排作为设计的重要方向。在暖通系统设计中，充分结合节能策略，采用智能控制技术和可再生能源的应用，旨在打造一个高效节能、环保舒适的办公空间。

2.1.2 节能策略一：智能温控与调度

该项目采用了先进的智能温控系统，通过在每个办公区域安装温度传感器，实时监测室内温度，并结合人员活动信息，智能调节空调和供暖设备的运行。系统能根据不同季节和工作时间进行预测调度，合理调整室内温度，确保在提供舒适环境的同时，最小化能源消耗。

2.1.3 节能策略二：高效暖通设备选用

在暖通设备的选用上，该项目选择了高效节能的热泵供暖和地源热泵系统。热泵供暖利用空气或地下热能进行热交换，比传统锅炉供暖更加高效。地源热泵系统则利用地下恒定的地热能，通过热泵的工作将低温热能转化为高温供暖，极大地降低了供暖能耗。同时，系统采用了智能调度技术，根据室内外温度和人员活动情况，智能地优化供暖设备的运行效率，实现节能节电。

2.1.4 节能策略三：可再生能源的利用

在该办公建筑中，还应用了可再生能源技术，如太阳能光伏和太阳能热水系统。太阳能光伏板安装在建筑外围结构中，将太阳能转化为电能供给照明和其他电力设备。太阳能热水系统则利用太阳能直接加热水，用于供暖和热水制备。通过应用这些可再生能源技术，办公大楼能够在一定程度上自给自足，减少对传统能源的依赖，进一步降低碳排放。

2.1.5 效果与成果

通过上述节能策略的实践，该可持续办公大楼项目取得了显著的节能效果。相较于传统办公建筑，该建筑的能源消耗降低了30%，碳排放量减少了25%。智能温控系统的应用，使得室内温度保持在舒适范围内，员工的工作效率和舒适感都得到了提升。同时，高效暖通设备的选用和可再生能源的利用，也为项目的可持续运营提供了坚实的基础，为建筑行业的节能减排和环保发展树立了积极的典范。

2.2 住宅小区节能设计案例

2.2.1 背景

图2 住宅小区节能设计图 来源：网络

绿色低碳小区是一个位于城市郊区的住宅小区项目，由多栋住宅楼组成，总户数约500户。在规划和设计初期，项目团队就明确了节能减排和环保可持续发展的目标。在暖通系统设计中，采取了一系列节能策略，包括结合智能控制技术和绿色建筑设计，优化供暖与制冷系统，以最大程度地提高能源利用效率和减少碳排放。

2.2.2 节能策略一：智能温控与调度

为了实现住宅的舒适度和节能目标，绿色低碳小区引入了智能温控系统。每个住宅单元都配备了智能温度传感器，可以实时感知室内温度变化。通过智能控制系统，居民可以根据自己的需求调节室内温度，而系统会自动根据居民的使用习惯和室内外温度变化，智能地调整供暖和制冷设备的运行模式，以保持室内温度在舒适范围内，同时最小化能源的消耗。

2.2.3 节能策略二：绿色建筑设计与节能材料应用

该小区的建筑设计注重隔热性能和能源效率。采用了高效节能的外墙保温材料，如外墙保温系统和双层中空窗户，减少了热传导和热桥效应，有效地阻止了能量的损失。屋顶也采用了反射性材料，降低了夏季的热吸收，进一步降低了空调负荷。同时，在室内装修中，选择了环保的低VOC材料，保障居民的室内空气质量。

3 结论

通过结合智能控制技术、能源利用优化以及可再生能源的应用，可以显著降低能耗，提高能源利用效率，实现建筑行业的节能减排目标。这些策略在提高室内环境舒适性的同时，也为建筑的可持续发展做出了积极贡献，为绿色建筑发展提供了有效解决方案。