浅谈暖通设计中的常见节能技术

浅谈暖通设计中的常见节能技术

岳安强

四川省建筑设计研究院有限公司  四川省成都市  610000

摘要：2022年7月至8月，四川省面临历史同期降雨量最少、历史同期极端温度最高、历史同期电力负荷最高的严峻局面，为了让电于民，诸多工业企业不得不临时停产停业，能源供需矛盾日益突出。本文从工程技术的角度出发，思考并总结了暖通设计中的常见节能技术，力求使建筑设计朝更低碳、节能和绿色的方向发展。

关键词：绿色；节能；暖通设计；

1 绿色节能技术在暖通设计中的具体应用

1.1蓄冷技术

空调蓄冷技术应用原理是采用制冷机和蓄冷装置，在电网低谷的廉价电费计时时段进行蓄冷作业，而在空调负荷高峰时将所蓄冷的冷量释放的成套技术。根据蓄冷介质，可以将空调蓄冷系统分为水蓄冷、冰蓄冷和共晶盐蓄冷系统。蓄冷技术的优点有：（1）采用蓄冷技术后，空调制冷机的装机容量可以得到减小，配电设备的配置相应得到减少；（2）空调蓄冷系统以谷补峰，减少地区的电力装机容量；（3）采用大型冰蓄冷设备，提供大温差冷水，促进区域供冷的能源项目的发展。

空调蓄冷技术有如上所述优点，能产生实实在在的经济效益。黄双福等在《冰蓄冷技术在空调系统中的应用及经济性研究》一文中对某办公楼冰蓄冷系统做了经济性分析，该办公楼总建筑面积30000㎡，空调使用时间为6:00-18:00，采用冰蓄冷技术的空调比常规空调每年节约217676元运行费用，按照静态经济评价法计算，投资回收期为5.95年。梁乃正等在《华东某机场项目空调冷源方案分析》一文中提到，对于总建筑面积约62.1万㎡的机场航站楼和换乘中心，相比常规供冷系统，水蓄冷系统出投资增加24.6%，年运行费用可降低27.3%，投资回收期约5.4年，全寿命周期内（按设备寿命20年考虑，且不考虑折旧和利率等因素）可节省6382万元；冰蓄冷系统出投资增加31%，年运行费用可降低17.6%，投资回收期约10.5年，全寿命周期内（按设备寿命20年考虑，且不考虑折旧和利率等因素）可节省2708万元。

1.2太阳能热利用技术

太阳能是一种清洁的可再生能源，具有极大的利用潜力。国家标准《建筑节能与可再生能源利用通用规范》（GB55015-2021）第5.2.1条也有相关规定：“新建建筑应安装太阳能系统。”为完成我国2030年达到碳排放高峰，2060年达到碳中和的目标，必须强化太阳能等清洁可再生能源在建筑中的推广应用力度。太阳能热利用系统可分为主动式和被动式系统。

主动式太阳能热利用系统主要是通过高效集热装置来收集、获取太阳能，然后再由热媒将热量送入建筑内，来进行采暖、供热水及供冷。系统主要由太阳能集热器、蓄热设备、供暖管路、末端装置以及辅助补充能源等组成。在张佳琦《严寒C区装配式低能耗建筑太阳能供暖系统实验研究》一文中，对乌鲁木齐市一建筑面积280.78㎡，建筑为2层，建筑高度为11.20m的装配式建筑做了太阳能供暖系统实验研究，太阳能供暖系统图如图1所示。实验研究结果表明：在两个供暖周期的运行时间中，目标建筑耗热电量为27554kW·h，其中太阳能产生耗热电量为11862 kW·h，太阳能供暖系统的保证率为43.05%，太阳能系统节省电能为21.12kW·h/(m2·a)，节省电费为3.55元/(m2·a)，折合成标准煤6.752kgec/(m2·a),供暖系统减碳量为4.59kg/(m2·a)。此外，在11月及次年3月和4月太阳能保证率超过100%时，该系统还可承担部分生活热水热负荷[7]。

图1：太阳能供暖系统原理图[7]

被动式太阳能热利用系统是通过建筑朝向和周围环境的合理布置，内部空间和外部体形的处理，以及建筑材料和结构、构造的选择，使其在冬季能采集、保持、贮存和分配太阳能，从而解决建筑物的供暖问题。南向外玻璃窗是被动式太阳能热利用系统中最重要的组成部分，设计合理的南向窗墙比，以期达到综合节能效果。例如中国建筑西南设计研究院设计的四川若尔盖暖巢项目，项目所在地海拔3500m,平均气温1.1℃，最低气温低达-20℃，常冬无夏。该项目建筑面积1255㎡，包括21间宿舍和顶层的活动室，项目未采用任何采暖设备，仅通过建筑师以数据为支撑的精细化设计，包括总平布局优化设计、最佳体形选择、降低冷风渗透的首层平面设计、最佳立面设计（图2、图3）等，使全年室内温度不低于12℃，在保证一定室内温度的前提下，减少对供暖能源的消耗。

图2：北立面图[8]

图3：南立面图[8]

1.3自然通风

自然通风是以热压和风压作用，不消耗人工能源、经济且绿色的通风方式。自然通风可以提供大量的室外新鲜空气，消除室内余热余湿，降低室内污染物浓度，有效改善室内空气的卫生条件。

（1）风压实现自然通风

风压是指在室外风作用下，在建筑围护结构内外产生的压差。室外空气流过建筑物时，建筑物的迎风面为正压区，顶部和背风面为负压区，在建筑物表面形成空气压力的变化。在建筑物的正负压区设置合适的窗口，就可以实现室内空气的流动。因此建筑的选址、朝向以及门窗的设置成为实现自然通风的关键因素。设计师可以查阅当地环境资料、利用计算机模拟软件等确定合理的建筑模型，指导设计工作。

（2）热压实现自然通风

热压主要是利用空气温差而产生空气流动的动力，假设房间外围护结构的不同高度有两个窗孔a和b，两者高差为h，室内外空气密度分别为ρn和ρw，则根据伯努利方程有Δp=gh(ρw-ρn)，Δp的数值即为热压值，我们常说的“烟囱效应”就是这样的道理。在建筑设计中，可利用建筑物内部贯穿多层的竖向空腔，如楼梯间、中庭、风井等满足进排风口的高差要求，并在建筑顶部设置开口，将室内的空气排出，实现自然通风的目的。

（3）风压和热压共同作用下实现的自然通风

建筑物受到风压和热压共同作用时，围护结构各窗孔的内外压差等于风压、热压单独作用时窗孔内外压差之和。由于室外风的风向和风速会经常变化，风压不是一个稳定的因素。为了保证自然通风的效果，在实际计算时仅考虑热压的作用，一般不考虑风压，但需要定性地考虑风压对自然通风总体效果的影响。

（4）建筑设计过程中的具体措施

工程项目设计中，可采用中庭、天井、通风塔、导风墙、外廊、可开启外墙或屋顶、地道风等，有效改善室内热湿环境和空气品质，提高人体舒适性。采用自然通风措施，还可以在绿色建筑设计和评价中得到相应分数，国家标准《绿色建筑评价标准》（GB/T 50378-2019）第5.2.10条对此便有相关规定：“优化建筑空间和平面布局，改善自然通风效果，评价总分值为8分，并按下列规则评分：1、住宅建筑：通风开口面积与房间地板面积的比例在夏热冬暖地区达到12%，在夏热冬冷地区达到8%，在其他地区达到5%，得5分；每再增加2%，再得1分，最高8分。2、公共建筑：过渡季典型工况下主要功能房间平均自然通风换气次数不小于2次/h的面积比例达到70%，得5分；每再增加10%，再得1分，最高得8分。”

2绿色节能技术在暖通设计中的应用要点

2.1熟悉各种节能技术应用要点

每项绿色节能的技术都有它的应用要点，设计师对此应有一定了解。譬如以自然进风为主的建筑物的主进风面宜布置在夏季主导风向侧；当放散粉尘或有害气体时，在其背风侧的空气动力阴影区内的外墙上，应避免设置进风口；屋顶处于正压区时应避免设排风窗；利用穿堂风进行自然通风的建筑物，其迎风面与夏季主导风向宜成60°~90°角，且不宜小于45°；在严寒地区或寒冷地区用于冬季自然通风的进风口，其下缘距室内地面不宜低于4m等。设计师在日常工作和学习中应注意学习和积累，而不是仅限于满足规范标准和使用需求，设计师只有对该技术以及其特点有一定了解，才能在工程项目中熟练运用。

2.2充分了解项目的信息

选择方案前，暖通设计师应充分了解项目的信息，包括工程所在地的气候特征、能源结构、当地能源政策、建筑物特点、使用功能、业主的需求等信息，在此基础上选择合适的暖通节能技术。对采用蓄冷空调系统的项目，应根据当地电价、能源政策、建筑物的类型、使用功能等编制选择蓄冷空调系统方案的可行性研究报告，论证其经济和社会效益。例如作者所在四川省，根据《川发改价格规〔2021〕499号》，将用电时段分为高峰时段（11:00-12:00、14:00-21:00）、平段（7:00-11:00、12:00-14:00、21:00-23:00）、低谷时段（23:00-次日7:00），高峰时段电价在平段电价基础上上浮60%，低谷时段电价在平段电价基础上下浮60%，峰平谷价差比1.6:1:0.4。因此项目设计时，设计师可以考虑采用空调蓄冷技术，既可以降低空调的综合使用成本，又可以缓解电力负荷的峰谷差现象。

2.3与建筑其它专业积极配合

绿色节能技术在暖通设计中的应用，离不开与其他专业的配合。比如要采用太阳能热利用技术，就需要建筑专业选择合理的建筑朝向、内部空间和外部体形，以及合适的建筑材料、结构和构造；要采用自然通风技术，就需要建筑专业选择合理的建筑朝向，在建筑物的正负压区设置合适的窗口，来实现室内空气的流动。因此项目可行性研究和方案设计阶段，暖通设计师应该积极主动参与到项目中，而不是等项目方案已确定，建筑轮廓已定型后再参与进来。

3结束语

随着我国城市化进程逐渐推进，能源消耗是各行各业都需要重视的问题，一些能源消耗量巨大的行业已经出现了能源的匮乏现象，比如近些年出现的“拉闸限电”“汽油价格涨多跌少”等问题。设计师在建筑设计过程中，因地制宜采用一些绿色节能技术，小的方面来说，可以降低建筑的能耗，减少建筑的综合使用成本，大的方面来说，可以最大效率地利用资源和最低限度地影响环境，推动建筑物向低碳、节能、绿色方向发展，以实现社会的可持续发展。

参考文献：

[1]刘琴心,徐慧.低碳背景下绿色技术在暖通设计中的应用[J].中国室内装饰装修天地，2020（7）：196.

[2]刘艳霞.暖通设计中绿色节能技术的应用研究[J].城市建设理论研究（电子版）,2019（16）：151.

[3]黄双福,何志森,连洪波.冰蓄冷技术在空调系统中的应用及经济性研究[J].山东化工,2021,v.50;No.417(23):151-153.

[4]梁乃正,孟凡兵.华东某机场项目空调冷源方案分析[J].暖通空调,2021,v.51;No.390(S1):274-278.

[5]刘海涛.浅谈绿色建筑技术在暖通空调设计中的应用[J].装备维修技术，2020,176（2）：255.

[6]孙德坤. 民用建筑太阳能热利用现状分析与探讨[A].中国市政工程华北设计研究总院有限公司、中国建设科技集团股份有限公司.2021供热工程建设与高效运行研讨会论文集[C].中国市政工程华北设计研究总院有限公司、中国建设科技集团股份有限公司:《煤气与热力》杂志社有限公司,2021:9.

[7]张佳琦,齐典伟. 严寒C区装配式低能耗建筑太阳能供暖系统实验研究[J]. 建筑节能(中英文),2022,v.50;No.380(10):93-99.

[8]高庆龙,钱方,戎向阳.建筑师实施的零碳建筑设计策略——四川若尔盖暖巢设计总结[J].世界建筑,2021,No.372(06):14-17+126.