暖通空调节能系统设计与应用研究

张双双 高树鑫

第一作者简介：张双双（1996-），女，硕士，助教。研究方向为暖通空调节能系统设计。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.13.032

摘  要：暖通空调是建筑工程中重要组成部分，直接影响建筑的热舒适性。随着居民对建筑舒适度要求的提高，暖通工程的能耗也在逐渐升高，实现暖通空调节能是实现建筑降碳的重要举措。该文以实际项目为例，基于人体热舒适性指标对暖通空调系统进行设计，分别对暖通空调的冷热源系统、泵组和新风设备进行研究，并对设备进行能耗监测，最终得出设备的节能效果和暖通空调节能系统的提升重点，为暖通设计提供参考。

关键词：暖通空调；节能技术；建筑工程；冷热源；参数设计

中图分类号：TB657.2      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）13-0132-04

Abstract： HVAC is an important part of building engineering， which directly affects the thermal comfort of buildings. With the improvement of residents' requirements for building comfort， the energy consumption of HVAC projects is also gradually increasing. Realizing HVAC energy saving is an important measure to achieve building carbon reduction. Taking the actual project as an example， this paper designs the HVAC system based on the human thermal comfort index， studies the cold and heat source system， pump group and fresh air equipment of HVAC respectively， and monitors the energy consumption of the equipment. Finally， the energy-saving effect of the equipment and the focus of the HVAC energy-saving system are obtained， which provides a reference for HVAC design.

Keywords： HVAC; energy-saving technology; building engineering; cold and heat source; parameter design

我国将实现“碳达峰、碳中和”作为重要战略部署。实现国家“双碳”规划是广泛且深刻的经济社会变革，各行各业将节能降碳作为研究工作的重点。建筑降碳也是实现碳中和的重要途径。江亿院士指出，在全行业践行“双碳”目标的背景下，建筑降碳的重点在于设备降碳，通过设备能耗的不断降低，持续推动建筑节能性能的不断提升和改善，是保障实现碳达峰和碳中和的重要途径之一。研究表明，全国大型公共建筑能耗中，暖通空调能耗高达65%，中央空调系统耗能占暖通系统总能耗的50%。暖通空调是建筑工程中耗能最高的部分[1]，因此，实现建筑的暖通空调设备的运行能耗的进一步降低成为控制建筑工程能耗的重要环节，也是建筑能耗领域研究的重点。持续推进暖通空调的节能技术在建筑工程中的應用具有重要意义，基于长期的建筑节能分析和总结可以发现，暖通空调系统节能工作研究重点在于中央空调降耗，本文将以暖通空调的节能设计为基础，综合考虑人体热舒适性指标，通过对设备能耗的检测，分析热源系统、水泵机组和新风设备的能耗情况，为建筑工程中的节能工作提供更多的支撑。

1  工程概况

随着建筑行业的发展，用户对建筑环境要求不仅限于满足基本的冷暖要求，热舒适性等体感指标越来越受到大众关注，尤其是办公建筑，其本身具有人员密度大，人员运动规律不规则，以及人员主动调整热舒适性位置的可能性较低。大型办公建筑暖通空调能耗是系统能耗的主要部分，在解决能耗问题时充分考虑建筑的热舒适性。通常，热舒适性主要体现在室内温度和湿度两方面，实际的热舒适性指标要综合多个因素进行考虑。就目前的HVAC空调系统而言，如何将控制策略向满足人体热舒适性的角度研究已经成为暖通工程提升的重点内容。

本文研究案例是位于河南省郑州市的一座商业和办公区域结合的综合体建筑，总用地面积5 100 m2，建筑共3层，其中一层用作展厅和设备机房，二层主要用于办公，三层主要设置会议室、储藏间和员工休闲场所。建筑3层的层高分别为5.2，4.7，3.9 m。对暖通空调专业要求在满足建筑使用功能的同时提升暖通专业的节能效果。其次，基于建筑热舒适性的角度进行评价，最终得出最佳的热舒适性设计方案。

2  基于建筑热舒适性的节能系统参数设计

为了保障人体舒适度达到要求，建筑节能参数的设计通常需要结合建筑的使用特性进行分析确定，在测定过程中最常用的人体舒适度研究策略是在相对稳定的环境状态下分析人体的热交换情况。稳态测试环境对环境的温湿度、气流组织等影响人体热舒适性的指标要求严格。在人体的舒适度分析中，关于热舒适性研究数据主要依据现场调研。采用预测平均评价PMV的方法对上述设计的暖通节能系统进行人体热舒适性研究和分析，能够保障建筑节能设计参数的合理性。其中，热舒适性情况如图1所示。

图1  PMV指数

温度主要影响的是人体的热平衡，通过改变人的体感温度带来人体的热感觉。人体的皮肤敏感程度较高，对温度的感知非常敏锐，利用身体的散热机制进行温度调节。空调系统设置时，越接近环境温度耗能越低，结合环境热舒适性，冬季和夏季设计温度应分别在20 ℃和27 ℃时，既满足节能要求也带给用户较好的体验，这也是暖通空调节能系统设计的常见温度范围。

人体与周围环境之间的换热包括辐射和对流，其中最常见的是辐射换热，平均辐射温度主要取决于建筑的维护结构。研究表明，平均辐射度每增加或减少1 ℃时，空气温度就会变化0.75 ℃，当室内温度与辐射温度的最大温差超过7 ℃时，会大大降低环境的热舒适度。因此，暖通计算中建筑围护结构、外形、内部的功能分区、气象参数、房间的作息及室内发热量等基本参数的设置与建筑节能设计保持一致。空调系统性能系数和能效比、集中空调系统新风量按照GB 50189—2015《公共建筑节能设计标准》规定限值设置。

空气相对湿度通过对人体皮肤表面的湿度与人体的舒适性产生影响，皮肤表面的湿度情况决定了和周边环境的散热程度，例如当环境湿度在40%～70%环境下，皮肤具有相对较好的散热能力。尤其是在空气流动的情况下，散热能力会极大地加强，这主要是因为空气流动加速水分蒸发，从而影响了人体的对流散热量。当空气湿度过大，即使存在空气流动，皮肤表面的蒸发量也十分有限，过高的湿度会给人黏腻等不适感。反之，若空气湿度低于40%，会产生干燥的体感。暖通设计中供热工况湿度要求大于30%，夏季制冷工况要求小于70%，为保证系统节能效果室内湿度设计在40%～65%范围内，系统具备夏季和冬季调控功能，实现系统自动低能耗除湿，同时限制风速低于0.8 m/s，保证舒适性和节能效果兼顾。

新陈代谢是人体将能量用于生命活动的主要途径，该过程所产生所释放的热量是人体热量的重要来源。人体的代谢率是单位时间内人体产热的度量，定义为1 met=58.15 W/m2。决定代谢率的指标包括人体活动强度。办公建筑属于轻度活动范围，代谢率为1.6 met。在暖通空调系统设计时根据办公场所人员劳动强度设置最适宜的热环境，就本项目而言属于轻度活动场所，从系统节能角度考虑，夏季最适宜温度为27 ℃，湿度为60%，冬季最适宜温度为20 ℃，湿度为40%。

3  暖通空调系统节能设计

3.1  设计流程

本项目暖通空调系统节能设计重点包括冷热源、输配系统和末端3大部分，主要设计流程如图2所示。

冷热源是暖通空调系统节能的关键设备，分为制热和制冷2部分内容。傳统的热源通常采用市政供热，热量来自于90/60 ℃的热水为采暖设备供热[2]；冷源多是利用离心式制冷机组为区域提供冷量。市政供热计费方式和用能形式与区域规划和建筑设计密切相关，计费主要分为按采暖面积计费和按用热量计费，具体的收费形式由当地供热站决定。用能形式主要由采暖末端形式决定，常见的有散热器采暖和低温地板辐射采暖。相对于市政供热，采用热泵供热节能效果更为明显，常用的热泵形式主要包括空气源热泵、地源热泵和水源热泵等，其使用范围主要受设备特性以及项目所处的地理位置决定，例如：空气源热泵设备在-5～-15 ℃的条件下存在结霜的问题，影响空气源热泵的使用效果。因此，在选用热泵设备时，要充分考虑项目建设地区的环境条件，例如：使用地源热泵时应先对当地的地质条件进行勘测，确保地热井可顺利取热且具备长期稳定取热条件。

图2  暖通空调节能设计流程

暖通空调输配系统设计重点在于泵组的选型。在满足设计计算的基础上泵组应优先选择变频水泵。传统水泵电机直接开启存在一定程度上的电资源浪费。变频水泵设置变频器，根据实际需求调整电机转速，避免电机过载或长时间空转，不仅节约资源还延长水泵的寿命。

暖通空调末端设备节能设计可以从新风机组以及风机盘管方面进行考虑，就新风机组而言可利用新风热回收技术，最大程度地减少室内热量的损失，降低空调系统能耗。风机盘管的节能设计可以通过温度控制，自动调节室内供冷或供热量。研究表明，夏季室内温度从26 ℃提升至28 ℃时，冷负荷减少21%～23%；冬季室内温度从22 ℃降低至20 ℃时，热负荷减少26%～31%[3]，可见通过室内温度调节可以实现风机盘管运行节能。

3.2  冷热源设计

冷热源是暖通空调系统的动力核心，就本项目而言项目建设地点远离市政热水管网，不具备采用市政热条件，因此制冷和采暖均利用空气源热泵供给。经计算，本项目设计冷负荷为502 kW，热负荷为200 kW，因此选用5组LSQWF145/R2超低温蓄能型空气源热泵机组，制热量为145 kW、制冷量为95 kW，能效比（COP）为3.5。设置燃气锅炉作为辅助热源，应对冬季寒冷工况下空气源热泵供热能力不足的问题。整个系统采用蓄冷蓄热技术，间接提供冷热水，设置蓄冷罐1个，蓄水量为120 m3，利用夜间8 h谷电蓄能，每天的总蓄冷量为700 kWh，供白天全天释能使用，累积每年节省电费约3.4万元。

办公建筑生活热水传统的生产方式主要依赖于电加热，经计算本项目日均生活热水用量在800 kg/d，完全使用电能会造成大量的电能消耗，因此设计使用太阳能热水系统提供生活热水。此外，为弥补冬季空气源热泵制热效果变差的问题，创新使用太阳能热水和空气源热泵耦合的系统形式。夏季太阳能热水系统主要提供生活热水，冬季在提供生活热水之余为中央空调系统提供热源。根据屋顶设计情况，预计铺设80 m2面积太阳能集热器，可累计生产热水1 600 kg/d，经核算太阳能热水系统年耗电量2 000 kWh，累积节约电量33 460 kWh/a。

3.3  输配系统设计

空调系统设计中，设备的制冷量和制热量按照最大冷、热负荷选取，泵组的选择要满足最不利条件要求[4]，但实际运行工况不是一成不变的，这就要求空调系统能够随负荷的变化改变水流量以达到精准控制和降低能耗的目的，空气源热泵的泵组选用变频泵，可以完全解决上述问题。本文对空调的定流量系统和变流量系统进行对比研究，并对建筑能耗进行分析得出表1所示结果。可以看出，使用变流量泵组，空气源热泵机组节约电能1 530 kWh，节能率可达到1.04%，泵组共节约电能5 957 kWh，节能率最大可达到35.73%，整体系统共节约电能9 588 kWh，能耗降低5.45%。本项目采用一次泵变流量系统，选用可变流量运行的空气源热泵机组，结合一次泵变频运行，相较一次泵定流量系统可降低设备运营能耗8%～10%。

表1  变流量空调系统建筑能耗情况

3.4  空调系统末端设计

空调系统末端包括新风和风机盘管，就新风系统而言，使用热回收新风机组可降低设备能耗。新风热回收设备可分为全热式和显热式2种类型，相较这2种热回收装置，全热式热回收设备的回收效率受室内外温差以及湿度差共同影响，而显热式热回收装置主要受室内外温差影响，因此在新风设备选择时应充分考虑项目建设地点的气候条件。本项目创新应用中央空调和全热回收新风机组共同承担室内热湿负荷，新风机组利用排风中的热量对新风进行处理，减少处理新风达到控制温度所需能耗，将处理过的新风输送至使用房间，降低空调系统处理冷热负荷压力。空调系统末端采取分区域控制，根据不同区域对温度、湿度和新风量的不同，进行分区设计，根据实际冷负荷比例设定送风量，优化气流通道，降低设备能耗。办公室、会议室等房间夏季采用风机盘管加新风系统，冬季采用地暖供暖，管道末端设置温差流量控制器。一层展区夏季采用风机盘管加新风系统，冬季采用风机盘管供暖。

新风机组选择转轮式全热换热器新风热回收机组。研究表明，该设备较传统新风与回风混合模式年运营能耗节省约18%～20%，相较显热换热模式年运营能耗可降低约5%～8%[5]。本文分别对新风系统在新风量为30，40，50，60 m3/h的工况下进行持续监测，得到如图3所示结果。可以看出，全年新风系统耗电量在1—3月、11、12月份远高于4—10月。新风耗电量最高的月份为1月，最低为8月。新风系统逐月耗电量差异最大是新风量为60 m3/h工况，最大差52 kWh。新风量越高系统耗电量越高，对比新风量30 m3/h和60 m3/h二者在1月相差最大为31 kWh，8月相差最小。4种新风量的设计工况在8月能耗范围在0.1～0.5 kWh之间。综上所述，新风量在满足人员活动要求的情况下要尽量降低新风输送，新风量设置应根据不同月份适时调配新风量，降低新风系统能耗。

图3  不同新风量工况下新风系统耗电量

新风系统耗电主要用于处理新风负荷以及用于风机耗电2部分，处理新风负荷部分包括对排风进行余热回收，并将新风进行处理承担建筑冷、热负荷。通过将新风量设置为30 m3/h的新风系统能耗情况进行拆解，分别对新风处理装置和风机进行能耗监测得到如图4所示结果。可以看出，1—3月以及11、12月份新风负荷耗电量占总耗电量的70%～80%之间，6月和8月新风负荷占总能耗的10%以下。这主要是由于冬季室内外温差较大，冬季回收的预热量比较小，不能完全满足空气处理需求，将低温空气加热至设计要求温度需要消耗大量的电能。

图4  新风负荷耗电量占新风总耗电量比例

4  结束语

本文从可再生能源利用，暖通空调系统节能设计以及设备节能潜力分析几方面入手进行研究，得出以下结论：①暖通空调系统设计应充分考虑用户的感受，结合室内温度、湿度、空气风速、平均辐照温度、衣服热阻和人体代谢等指标进行设计。根据PMV指数设定室内温湿度环境，办公建筑设计时，服装热阻冬季和夏季分别设置在1.0 clo和0.5 clo，代谢率设置在1.6 met，环境湿度应在40%～70%之间，且空气流速宜低于0.8 m/s。②暖通空调系统节能设计可从冷热源、输配系统和空调末端等方面进行设计，选用蓄能型空气源热泵可以达到良好的节能效果。其中，输配管网设计时选用变流量泵组，空气源热泵机组节能率可达到1.04%，泵组节能率最大可达到35.73%，整体系统能耗降低5.45%。③新风系统节能效果与设定新风量、季节有关。新风量越大能耗越高，新风量30 m3/h比60 m3/h的工况能耗最大可低49.2%。新风系统全年4—10月运行能耗较低，最低能耗相较于最高能耗可降低82.5%。新风能耗中，承担新风负荷消耗的电能冬季明显高于夏季，因此在新风设计中要着重考虑冬季运行节能问题。

参考文献：

[1] 王晓忠.建筑工程暖通空调系统节能技术要点及应用研究[J].机械管理开发，2022，37（6）：320-321，324.

[2] 谢勇.暖通空调节能技术在建筑工程中的应用[J].中國建筑装饰装修，2022（13）：72-74.

[3] 冯小平，李承静，冯源，等.夏热冬冷地区零能耗建筑适宜技术体系研究与工程示范[J].暖通空调，2022，52（S1）：262-265.

[4] 张玉攀.基于EnergyPlus的中央空调系统节能策略研究[D].郑州：河南农业大学，2023.

[5] 段梅子.制药厂房净化空调系统新风节能运行研究[D].武汉：华中科技大学，2022.