低碳節(jié)能背景下的暖通空調(diào)設(shè)計-理念技術(shù)方法(伍小亭)

目錄1.

引言2.實現(xiàn)低碳節(jié)能要求的設(shè)計理念3.實現(xiàn)低碳節(jié)能要求的設(shè)計方法引言---必須降低單位面積建筑能耗

中國建筑能耗約占全社會總能耗的30%

暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗占到建筑能耗的60%以上我國單位面積建筑能耗低于發(fā)達國家，特別是公共建筑巨大建筑總量使我們的建筑能耗總量呈快速上升的趨勢只有持續(xù)不斷的提高建筑節(jié)能標準才能在建筑總量不斷增加的形式下，使這種趨勢得到控制理想的結(jié)果是，通過建筑節(jié)能進一步降低單位面積建筑能耗，從而實現(xiàn)建筑總量增加但建筑能耗總量的增加速度明顯低于建筑總量的增加速度，甚至為零增長引言---挑戰(zhàn)與系統(tǒng)特點

暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗通常會占到建筑能耗的60%以上降低暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗是建筑節(jié)能關(guān)鍵所在也是暖通空調(diào)工程師必須持續(xù)面對的挑戰(zhàn)稱其為挑戰(zhàn)是因為與其他建筑用能系統(tǒng)相比：系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜——冷熱制備/接受/轉(zhuǎn)換、輸配與末端換熱、空氣品質(zhì)保證，每個環(huán)節(jié)均涉及耗能設(shè)備技術(shù)方案不唯一

——以辦公建筑為例，以有以下選擇：1.風(fēng)機盤管加新風(fēng)系、2.VAV系統(tǒng)、3.VRF、4.溫濕度獨引言---挑戰(zhàn)與系統(tǒng)復(fù)雜性立調(diào)節(jié)系統(tǒng)等，其中每種形式又會有多種衍生與復(fù)合形式：機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)→兩管制、四管制、分區(qū)兩管制；VAV系統(tǒng)→單純VAV、也可以是內(nèi)區(qū)VAV+外區(qū)風(fēng)機盤管影響因素復(fù)雜且具時變性——氣象、圍護結(jié)構(gòu)熱工特性、內(nèi)部熱擾、建筑外部與內(nèi)部空間形狀

↓暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計的復(fù)雜性暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計的不足在哪里？引言---不足在哪里？重功能，輕節(jié)能的設(shè)計思維定式與誤區(qū)只關(guān)注典型工況點的靜態(tài)設(shè)計方法動態(tài)設(shè)計分析工具還遠未普及等原因

↓節(jié)能設(shè)計普遍水平與

優(yōu)化設(shè)計以降低能耗，提高能效的要求尚有較大差距

↓

轉(zhuǎn)變設(shè)計思維、變革設(shè)計方法、豐富設(shè)計工具設(shè)計理念——以節(jié)能為導(dǎo)向暖通空調(diào)設(shè)計應(yīng)以節(jié)能為導(dǎo)向

以往的設(shè)計基本以功能為導(dǎo)，對系統(tǒng)節(jié)能的考慮僅限于保證設(shè)計滿足設(shè)計規(guī)范、標準的限定性要求

↓設(shè)計師對節(jié)能要求僅僅是被動適應(yīng)而非主動追求↓

以節(jié)能作為暖通空調(diào)的設(shè)計導(dǎo)向，即“保證功能前提下盡量節(jié)能”，會從根本上提高建筑節(jié)能設(shè)計水平

設(shè)計理念——以節(jié)能為導(dǎo)向

案例——根據(jù)以上兩種設(shè)計導(dǎo)向，天津地區(qū)公共建筑，構(gòu)造兩個均滿足供冷供熱要求的系統(tǒng)方案，并比較其一次能源消耗：方案1（僅滿足功能要求）區(qū)域鍋爐房供熱+水冷電制冷+風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)+兩管制+循環(huán)泵冷熱共用；方案2（滿足功能要求基礎(chǔ)上，充分考慮節(jié)能）埋管地源熱泵供熱、制冷+風(fēng)機盤管加新風(fēng)系統(tǒng)+兩管制+循環(huán)泵冷熱共用設(shè)計理念——以節(jié)能為導(dǎo)向

方案1設(shè)計參數(shù)：供熱量Q（熱）100kWh/m2·年、供冷量Q（冷）80kWh/m2·年、水系統(tǒng)60℃/50℃供熱，7℃/12℃供冷、循環(huán)泵揚程32m水柱，效率70%、冷卻泵揚程26m水柱，效率70%、區(qū)域鍋爐房供熱季節(jié)平均熱效率65%，冷水機組IPLV=5.0風(fēng)側(cè)綜合能效Ws取30；（交流有刷電機）方案2設(shè)計參數(shù)：供熱量Q（熱）100kWh/m2·年、供冷量Q（冷）80kWh/m2·年、水系統(tǒng)45℃/38℃供熱，6℃/13℃供冷、循環(huán)泵揚程30m水柱，效率75%、地源循環(huán)泵設(shè)計揚程28m水柱，效率75%熱泵機組制冷IPLV=5.0，供熱季節(jié)能效比COP=4.2、風(fēng)側(cè)綜合能效Ws取37（直流無刷電機）；一次能源消耗計算（標準煤）方案1E（供熱）=Q（熱）*[860/0.65/7000+0.347*(ER（供熱）+Ws)]=20.43kgE（供冷）=Q（冷）*[1/IPLV+ER（供冷）+ER（冷卻）*(1+1/IPLV)+Ws]*0.347

=7.65kg

E（全年）=E（供熱）+E（供冷

=28.1kg方案2

E（供熱）=Q（熱）*[1/COP+<ER（取熱）*(1-1/COP)+ER（供熱）>*(1-α)+Ws)]*0.347=10.06

kgE（供冷）=Q（冷）*[1/IPLV+<ER（供冷）+ER（放熱）*(1+1/IPLV)>*(1-α)+Ws)]*0.347=

6.97kg

E（全年）=E（供熱）+E（供冷=17.03kg設(shè)計理念——以節(jié)能為導(dǎo)向設(shè)計理念——以節(jié)能為導(dǎo)向

方案2的一次能源消耗僅為方案1的60.6%，即每平米每年可節(jié)能11.07kg標準煤方案2技術(shù)復(fù)雜程度并不高，僅僅是將節(jié)能目標引入設(shè)計過程，就得到了相對更節(jié)能的暖通空調(diào)系統(tǒng)方案。設(shè)計理念——僅滿足節(jié)能限定性要求不一定就是節(jié)能設(shè)計

通常認為滿足節(jié)能設(shè)計規(guī)范、標準的限定性要求就是節(jié)能設(shè)計所以除非業(yè)主要求項目節(jié)能水平高于節(jié)能規(guī)范、標準，設(shè)計師通常不會主動發(fā)掘系統(tǒng)的節(jié)能潛力。這樣的設(shè)計不一定就能實現(xiàn)節(jié)能規(guī)范、標準制定者預(yù)判的節(jié)能水平即便能達到，但系統(tǒng)節(jié)能的潛力依然較大。以下以一個溫、濕度獨立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的顯熱處理子系統(tǒng)為例，分別構(gòu)造兩個方案并計算其系統(tǒng)能效COPS：設(shè)計理念——僅滿足節(jié)能限定性要求不一定就是節(jié)能設(shè)計方案1系統(tǒng)與參數(shù)方案1——滿足《公共建筑節(jié)能設(shè)計標準》限定性要求的系統(tǒng)，構(gòu)成與參數(shù)如下圖所示：COPS1=3.57設(shè)計理念——僅滿足節(jié)能限定性要求不一定就是節(jié)能設(shè)計

冷水機組COP=4.88；水泵1與水泵2對應(yīng)的循環(huán)系統(tǒng)EER（1）=0.016＜0.0241(H=24m水柱η=70%），EER（2）=0.0089＜0.0241(H=8m水柱η=70%）；每kW冷量風(fēng)機功率=50W；則有:COPS1=1/[1/4.88+0.016+0.0089+0.05]=3.57設(shè)計理念——僅滿足節(jié)能限定性要求不一定就是節(jié)能設(shè)計方案2——優(yōu)化系統(tǒng)，構(gòu)成與參數(shù)如下圖所示：方案2系統(tǒng)與參數(shù)COPS1=4.68設(shè)計理念——僅滿足節(jié)能限定性要求不一定就是節(jié)能設(shè)計冷水機組為高溫高效行COP=6.3；循環(huán)系統(tǒng)EER=0.020（H=32、η=75）每kW冷量風(fēng)機功率=35WCOPS2=1/[1/6.3+0.02+0.035]

=4.68每kWh顯冷量制備與輸配方案2比方案1節(jié)電0.066kWh結(jié)合1.1相關(guān)數(shù)據(jù)有每平米每供冷季可節(jié)能：1.2kg標準煤設(shè)計理念——僅滿足節(jié)能限定性要求不一定就是節(jié)能設(shè)計

設(shè)計理念——僅滿足節(jié)能限定性要求不一定就是節(jié)能設(shè)計原因：節(jié)能規(guī)范、標準局限性不可避免在社會平均水平下，多數(shù)設(shè)計比“以前”節(jié)能→限定性要求法最可操作但限定性要求法之于節(jié)能必然是“就中不就高”，和對系統(tǒng)整體節(jié)能性判斷的無能為力

從整體系統(tǒng)節(jié)能潛力的角度，滿足節(jié)能規(guī)范、標準限定性要求的設(shè)計不一是節(jié)能的設(shè)計。設(shè)計理念——全方位系統(tǒng)整體節(jié)能思考：暖通設(shè)計師對本專業(yè)節(jié)能的關(guān)注容易局限于冷熱源設(shè)備效率和熱門的節(jié)能技術(shù)

缺乏整體全方位分析的意識，往往會出現(xiàn)堆砌節(jié)能概念與技術(shù)代價高昂但節(jié)能效果并不理想的設(shè)計只有樹立整體全方位節(jié)能理念，才能做出事半功倍的暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計全方位體現(xiàn)在：建筑能源——建筑節(jié)能應(yīng)落實在降低使用過程化石能源消耗設(shè)計理念——全方位系統(tǒng)整體節(jié)能從碳減排以及便于實施的角度，建筑節(jié)能的落腳點在于降低建筑使用過程中化石能源消耗因為消耗化石能源必然產(chǎn)生包括CO2在內(nèi)的污染排放鑒于此認識，暖通設(shè)計不僅要努力降低維持室內(nèi)空氣環(huán)境需要的能源總量，還應(yīng)努力降低其中化石能源比例設(shè)計角度降低化石能源比例與碳排放的途徑1.選擇適宜的冷熱源形式——

供出等量冷熱，不同冷熱源形式消耗的化石能源量與碳排放是不同的，見下表

冷熱源形式對化石能源消耗與碳排放量的影響顯著，設(shè)計必須根據(jù)項目所具有的資源條件、節(jié)能減排目標以及經(jīng)濟因素進行綜合分析冷熱源形式化石能源消耗（噸標準煤）CO2排放量（噸）備注熱效率85%的燃氣鍋爐321.14519.42燃氣熱值8500kcal/Nm3、折算系數(shù)1.964熱效率65%區(qū)域鍋爐房供熱419.951117.07折算系數(shù)2.66COP=4.2的電熱泵183.56488.280.347kg標準煤/kWh電、折算系數(shù)2.66COP=1.6燃氣吸收式熱泵140.5227.24燃氣熱值8500kcal/Nm3、折算系數(shù)1.964設(shè)計理念——全方位系統(tǒng)整體節(jié)能觀

2.能源梯級利用能源梯級利用——將高品位能源的做功能力發(fā)揮出來，使其成為“驅(qū)動”力將無法直接供冷供熱的低品位環(huán)境能源轉(zhuǎn)化為冷熱源，降低能源利用過程中的火用損失，讓一份能源形成更多的供熱制冷能力。

以低位熱值8500kcal的1個標準立方米天然氣，梯級利用比較冷熱源形式供熱能力（kW）供冷能力（kW）備注直燃吸收式冷溫水機組8.914.83熱效率=0.9，COP冷=1.5燃氣發(fā)電+電熱泵+煙氣余熱吸收式冷溫水機組18.7824.7發(fā)電熱效率35%、系統(tǒng)熱損失15%，電熱泵供熱COP熱/冷=4.0/5.0設(shè)計理念——全方位系統(tǒng)整體節(jié)能觀設(shè)計理念——全方位系統(tǒng)整體節(jié)能觀燃氣熱值的35%轉(zhuǎn)化為電力來驅(qū)動熱泵燃氣熱值50%的發(fā)電余熱驅(qū)動吸收式冷溫水機組

↓

與直接燃燒利用相比供熱、供冷一次能源消耗與CO2排放分別均降低了52.6%（供熱）、40%（供冷）。

3.創(chuàng)造系統(tǒng)利用低品位能源→

低溫供熱高溫供冷

系統(tǒng)實際需要——熱水溫度可以低到30℃~40℃、冷水溫度可以高到10℃~20℃。暖通設(shè)計習(xí)以為常采用的冷熱水溫度，如散熱器采暖85℃、空調(diào)供熱60℃、地板輻射采暖50℃~60℃、空調(diào)制冷5℃~7℃，多為產(chǎn)品性能評價基于的額定參數(shù)，并非一定是實際所需案例兩管制風(fēng)機盤管+新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負荷比為1：0.7，

設(shè)計理念——全方位系統(tǒng)整體節(jié)能觀項目兩管制風(fēng)機盤管+新風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)，冷熱負荷比為1：0.7，初定冷熱源為埋管地源熱泵換熱，冷水供回水溫度確定為7℃/12℃，室內(nèi)供暖設(shè)計溫度22℃。起初，設(shè)計方與顧問方對熱水供回水溫度持不同意見，顧問方認為應(yīng)該采用60℃/50℃,理由是低于此末端供熱量可能不足，吹冷風(fēng)；設(shè)計方認為可以采用45℃/38℃，理由是經(jīng)過計算按7℃/12℃工況確定計算選擇的FCU，用于供熱時熱負荷完全能滿足，出風(fēng)溫度高于30℃，不存在吹冷風(fēng)問題，雙方最終達成一致，決定采用設(shè)計方建議，熱水參數(shù)取為45℃/38℃。設(shè)計理念——全方位系統(tǒng)整體節(jié)能觀

初定冷熱源為埋管地源熱泵換熱，冷水供回水溫度確定為7℃/12℃，室內(nèi)供暖設(shè)計溫度22℃關(guān)于供熱溫度

顧問方認為應(yīng)該采用60℃/50℃,理由是低于此末端供熱量可能不足，吹冷風(fēng)設(shè)計方認為可以采用45℃/38℃，理由是經(jīng)過計算按7℃/12℃工況確定計算選擇的FCU，用于供熱時熱負荷完全能滿足，出風(fēng)溫度高于30℃，不存在吹冷風(fēng)問題雙方最終達成一致，決定采用設(shè)計方建議，熱水參數(shù)45℃/38℃設(shè)計理念——全方位系統(tǒng)整體節(jié)能觀相對于45℃/38℃的熱水參數(shù)，采用60℃/50℃的熱水參數(shù)導(dǎo)致熱泵成本至少增加25%，COP降低26%，以供熱量Q（熱）100kWh/m2·年計，單位建筑面積一次能源消耗增加2.57kg標準煤、CO2排放增加6.82kg、地能貢獻率由44.5%降低為23.7%。

不同的冷凝器出水溫度下，熱泵機組的COP性能曲線設(shè)計理念——全要素節(jié)能設(shè)計思維不同供回水溫度時的系統(tǒng)COP優(yōu)先考慮以合理的代價與成熟技術(shù)利用低品位能源確定合理的室內(nèi)設(shè)標準（溫度、相對濕度、新風(fēng)量等）優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)提高整體系統(tǒng)能效重視將系統(tǒng)運行策略導(dǎo)入暖通工藝設(shè)計對實現(xiàn)節(jié)能運行的意義

供回水溫度能耗（kW/kW）7℃/12℃6℃/13℃5℃/12℃7℃/13℃7℃/14℃主機（1/COP)0.2130.2180.2230.2130.213ER（冷卻）0.0173ER（供冷）0.02140.00780.00780.01240.0078WS(FCU)0.02540.02610.02480.02680.0277合計0.25980.25190.27290.25220.2485系統(tǒng)COP3.853.973.663.974.02設(shè)計理念——全要素節(jié)能設(shè)計思維

天津市區(qū)一個2萬平方米博覽建筑的空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計過程或許為以上觀點的注解。原設(shè)計方案——冷熱源為地源熱泵、溫濕度獨立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)、新風(fēng)轉(zhuǎn)輪除濕、樓板供熱供冷為主，普通盤管干式運行為輔、水系統(tǒng)形式及參數(shù)如圖-？所示。計算額定設(shè)計工況系統(tǒng)制冷能效比COPS。計算條件：潛熱冷負荷/全熱冷負荷=0.45、顯熱冷負荷由FCU承擔的部分為40%；熱泵機組制冷COPHP=5.416、熱回收熱泵型轉(zhuǎn)輪除濕新風(fēng)機組制冷COPDH=3.6；地源循環(huán)泵H=28m水柱、冷水循環(huán)一次泵H=27m水柱、二次泵H=10m水柱，水泵效率均為η=70%

節(jié)能概念+節(jié)能技術(shù)+節(jié)能產(chǎn)品=理想節(jié)能系統(tǒng)？溫、濕度獨立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)1COPs=1/（0.55/5.416+0.45/3.6+0.0187+0.0181+0.00167+0.45*0.035+0.55*0.4*0.04）

=3.28COPs=1(1/4.69+0.0187+0.0214+0.0286)=3.547

=3.28COP比方案一高出8%，而投資至多為后者的60%節(jié)能概念+節(jié)能技術(shù)+節(jié)能產(chǎn)品=理想節(jié)能系統(tǒng)？風(fēng)機盤管+新風(fēng)系統(tǒng)COPs=1/[（0.55+0.5*0.45)/6.105+0.45*0.5/4.6+0.0187+0.0214+0.0089+(0.45+0.55*0.4)*0.027]

=4.13對方案一優(yōu)化后，額定制冷工況下，系統(tǒng)COP提高了25.9%，比方案二提高16.4%，而且優(yōu)化方案的概算造價比原設(shè)計方案還略有降低。節(jié)能概念+節(jié)能技術(shù)+節(jié)能產(chǎn)品=理想節(jié)能系統(tǒng)？溫、濕度獨立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)2以節(jié)能為目標篩選設(shè)計方案不預(yù)設(shè)定節(jié)能目標值簡單方法①多個技術(shù)可行方案→②計算其額定工況能效與單位冷熱量的化石能源消耗量→③確定相對最節(jié)能的技術(shù)方案→④以更節(jié)能為目標，確定優(yōu)化設(shè)計參數(shù)。較簡單方法與“簡單方法”步驟完全相同，只是將步驟②中額定工況改為季節(jié)平均工況。實現(xiàn)低碳節(jié)能要求的設(shè)計方法復(fù)雜方法步驟與簡單方法完全相同，但步驟②改為用能耗模擬軟件計算各技術(shù)方案的全年能耗與化石能源消耗量。預(yù)設(shè)定節(jié)能目標簡單方法①設(shè)定系統(tǒng)額定工況能效與單位冷熱量的化石能源消耗量）

→②→③確定滿足能效設(shè)定值的方案→④

↑

↓←←如所有技術(shù)方案均不滿足能效設(shè)定值實現(xiàn)低碳節(jié)能要求的設(shè)計方法較簡單方法設(shè)定系統(tǒng)季節(jié)能效與單位冷熱量的化石能源消耗量與“簡單方法”步驟完全相同，只是將步驟②中額定工況改為季節(jié)平均工況復(fù)雜方法（設(shè)定系統(tǒng)全年能耗限值）“0”建筑全年冷熱量模擬→①→②→③確定滿足能耗設(shè)定值的方案→④↑

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↓↑

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←如所有技術(shù)方案均不滿足能耗設(shè)定值↑

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←如多次“循環(huán)”不滿足，進入第一步從頭開始實現(xiàn)低碳節(jié)能要求的設(shè)計方法復(fù)雜方法“0”建筑全年冷熱量模擬→①→②→③確定滿足能耗設(shè)定值的方案→④↑

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←如所有技術(shù)方案均不滿足能耗設(shè)定值↑

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←②改為全年能耗模擬、增加了步驟“0”，在此步驟中，通過冷熱量模擬尋求改善圍護結(jié)構(gòu)、