暖通空調設計對建筑能耗的影響

摘要： 隨著我國社會以及市場的發展，對能源的需求量愈加增大，在使用能源的同時，也會造成大量的污染排放。對于建筑來說，其暖通空調系統是建筑能耗中比重較大的一環，因此一個合理的暖通空調系統能夠有效的降低建筑對能源的需求。很多學者在這方面做了研究，從預測方式、分布研究、圍護結構以及實際場景分析來尋求答案，本文將對此做出總結并展望。

關鍵詞： 建筑能耗；暖通空調；能耗預測

1.介紹

隨著全球能源消耗不斷增加，二氧化碳等溫室氣體的排放對全球環境造成越來越嚴重的威脅，提高能源效率以應對能源和氣候危機已成為越來越多研究機構的共識。目前，我國的公共建筑處于快速發展階段，在2021年，我國的公共建筑面積達到了140億平方米，是2000年的四倍多，而建筑作為一種常見設施，對能源和環境的影響較大，對能源和資源的消耗量也比較高。因此，降低建筑的能源消耗十分重要。

空調采暖能耗在建筑總能耗中占比最大，在我國一般可達建筑運行總能耗的40%～50%，因此通過降低空調采暖能耗，可以使建筑運行階段能耗明顯降低。同時建筑室內熱環境參數的設定對空調能耗有重要影響，所以設法建立室內熱環境參數與建筑空調能耗的預測模型是當前需要解決的重要問題。

有學者以寒冷地區建筑為例，構建了有限點下的建筑空調能耗快速預測方法，使建筑師可以在設計階段對建筑進行全年空調能耗的快速模擬預測，進行方案的節能優化設計，合理選擇室內空調設定溫度，從而對降低建筑能耗進行有效決策[1]。也有研究將各典型年氣象數據根據其地理位置與建筑熱工設計分區進行分類整理;隨后，按照室內設計溫度更新前與更新后的空調溫度設定值，通過Python調用能耗模擬軟件EnergyPlus批處理程序，對典型辦公建筑在室內設計溫度更新前后的能耗進行批量模擬;最后，基于所得到的建筑的空調采暖能耗數據，進行不同氣候區節能潛力空間分布研究，分析原因并探究規律[2]。也有學者以杭州某超高層辦公建筑為例，通過設置設計建筑與參照建筑的對比分析方法，利用靜態回收期和動態回收期作為評價指標，以使用單中空玻璃的建筑為參照建筑，對使用三玻兩腔玻璃幕墻系統的建筑的空調系統的節能性和經濟性進行分析[3]。

本文將對現有的研究成果進行總結并展示，討論空調能耗在建筑能耗中的位置以及其所帶來的影響，最終得出對實際設計有用的切實可行的建議。

2. 空調采暖能耗節能潛力空間分布研究

在這部分中，研究學者基于我國1024個地區的典型年氣象數據，提出了基于室內設計溫度更新的辦公建筑采暖空調節能潛力空間分布的研究方法，并以典型辦公建筑模型為例，對室內設計溫度更新前后的建筑制冷空調能耗進行了預測與分析，并探討了全國范圍內典型辦公建筑室內設計溫度更新后的節能潛力。研究獲得以下結論:

(1) 全國空調采暖能耗最高的地區為嚴寒A1區，該區域下全年空調采暖能耗的平均值與中位數均在200kW·h/m2左右，能耗最高的地區接近250kW·h/m2;溫和地區全年空調采暖能耗最低，該區域下全年空調采暖能耗的平均值與中位數在15～20kW·h/m2區間，能耗最低的地區不足10kW·h/m2。

(2) 采用本研究提出的室內設計溫度更新方案后，集中供暖區域的最高節能量可達13kW·h/m2以上，非集中供暖區域則在10.5kW·h/m2左右。

(3) 從全國范圍來看，全國大部分地區應用本研究提出的室內參數更新策略均可獲得5kW·h/m2以上的暖通空調節能量，因此可以認為該應用策略可獲得良好的節能減排效果。

(4) 在各熱工區劃下的22個典型城市中，采暖、制冷能耗與應用室內設計溫度更新后的采暖、制冷節能量與節能比例均有較強的相關關系。隨著采暖、制冷能耗的升高，采暖、制冷節能量不斷升高，采暖、制冷節能比例不斷降低。

3. 建筑空調能耗快速預測方法研究

室內空調溫度的設定是建筑空調能耗的重要影響因素，而人們的舒適溫度區域比現行國家或國際標準建議的范圍更廣。因而合理地進行空調制冷采暖溫度設定，可以有效減少建筑空調能耗，是建筑降低能耗的有效途徑。研究發現，室內設計溫度每降低或升高1℃，能耗可降低約5%～10%，可以認為建筑全年空調能耗與空調溫度設定值之間具有定量關系。

本研究以寒冷地區為例，對建筑全年空調能耗進行快速預測研究。采用蒙特卡洛統計試驗的方法，首先確立線性預測和非線性預測的模型，然后通過對模型進行抽取有限點的方式來進行模擬預測，最后將模擬結果進行統計處理，分析誤差精度，得出建筑能耗模擬的最優預測方案。

通過建筑室內設計溫度更新后基于人的熱可接受室內溫度范圍的建筑能耗模擬和快速預測模型的研究，得到以下結論:

(1) 通過對基于建筑室內設計溫度值更新后的住宅和辦公建筑進行能耗模擬，分析得到空調制冷溫度上升1℃和采暖溫度下降1℃均對降低建筑能耗有較大影響。

(2) 通過有限點下的建筑空調能耗快速預測方法的研究，在點陣中均勻選取3點進行線性模擬預測即可得到良好的預測效果，也可以解決現有預測方法操作復雜、費時費力的問題。

(3) 本研究對寒冷地區住宅建筑3點線性模擬預測隨機性的分析，可以驗證在點陣中隨機選擇均勻分布的3點即可對建筑全年空調能耗進行較為準確的預測。同時通過對住宅和辦公建筑的3點快速預測方法進行誤差分析結果表明，該方法可對寒冷地區不同類型的建筑進行全年空調能耗預測。

(4) 借助有限點下的建筑空調能耗快速預測方法，選取合理的3點對建筑進行全年空調能耗預測，可為建筑室內空調設定溫度提供最優選擇，有效降低建筑空調能耗，進而降低建筑能耗，也可為建筑師在早期設計階段進行優化設計提供有效途徑。

4. 幕墻系統對空調系統 能耗影響

這部分研究以杭州某超高層辦公建筑為例，通過設置設計建筑與參照建筑的對比分析方法，利用靜態回收期和動態回收期作為評價指標，以使用單中空玻璃的建筑為參照建筑，對使用三玻兩腔玻璃幕墻系統的建筑的空調系統冷熱源主機的節能性和經濟性進行分析。

對設計建筑和參照建筑的空調負荷計算結果分別進行空調冷熱源配置，并根據全年負荷計算得到的冷熱負荷頻率數比例，對冷熱源主機全年能耗及冷熱源初投資進行計算分析，與玻璃幕墻造價增量進行比較，計算靜態回收期和動態回收期。

通過對實際建筑的研究發現：

(1) 采用三玻兩腔玻璃幕墻系統的初投資較普通單中空玻璃幕墻系統有所提高，但是它在傳熱系數、遮陽系數這兩項熱工性能上的提升，可減少空調系統的冷熱負荷及空調系統的裝機容量，降低空調系統的運行能耗。

(2) 通過計算降低的空調能耗所引起的年運行費用的減少，以及裝機容量所帶來的空調系統初投資減少，可得到采用三玻兩腔玻璃幕墻系統較普通單中空玻璃幕墻系統具有極大的優勢。

(3) 優化建筑圍護結構熱工性能、減少空調系統運行費用，雖然投資回收期較長，但是建筑全壽命周期內的節能減排、減少能源消耗，對全方位邁向低碳社會、實現高質量發展具有重要的現實意義。

5. 被動式超低能耗居住建筑暖通空調設計實例分析

該項目位于河北省石家莊市（寒冷B氣候區）某住宅小區，南北朝向，建筑占地面積740．82m2，長和寬分別為52．4m和17．38m，建筑面積10333．18m2，建筑體形系數為0．26。建筑高度43．15m，地上12層，地下2層。使用功能地上為住宅，地下為工具間。這部分研究以此項目為例，淺析在被動式超低能耗居住建筑設計環節中暖通專業如何滿足室內環境舒適度[4]。

在被動式超低能耗居住建筑設計中，暖通設計不但需要充分考慮主要房間的溫度、濕度、新風、噪聲、PM2．5及CO2濃度等室內環境參數指標，而且要滿足年供暖（冷）需求指標及年供暖、供冷和照明一次能源消耗量指標要求。

相較于傳統節能建筑，被動式超低能耗建筑采用保溫隔熱性能和氣密性能更優良的圍護結構，大大降低了圍護結構的耗熱量。此外，供熱需求也考慮了內部熱源的影響，供暖需求中，室內得熱量及外窗日射得熱量基本可平衡通過外圍護結構的失熱量，室內新風（含滲透）負荷占比較為明顯。該項目采用高效熱回收設備，新風經熱回收裝置預熱后，可實現明顯的節能效果。供冷期間，良好的圍護結構不利于減小室內由于人體、設備、燈光等散熱、散濕形成的冷負荷。因此，在有利氣候條件下應鼓勵開窗換氣，以降低室內冷負荷。與此同時，超低能耗居住建筑要求全裝修，室內裝修簡潔，且不應損壞圍護結構氣密層和影響氣流組織。因此，暖通設計中風管及風口的布置在不影響氣流組織的前提下，也要配合精裝進一步優化。

6.結論和未來的研究

在當前經濟大環境和國家發展戰略下,建筑行業呈現出顯著的發展趨勢,加強暖通空調建設,成為工程建設發展中不可缺失的一部分。首先,在暖通工程的設計工作階段,設計部門需要合理理解綠色理念;其次,設計人員應堅守綠色節能的原則開展設計工作?；谏鲜鰞牲c,才能保證整個暖通系統具備完善的功能以及良好的內部結構。在建筑暖通空調工程的設計中，節能減排是尤為重要的一環。在當前時代下，環境問題日益嚴峻，建筑污染問題更是重中之重，為了減少建筑污染對生態環境的負面影響，節能減排設計在建筑工程施工中的應用日益深入[5]。暖通空調作為建筑能耗的主體，完善相關的節能減排設計工作對環保工作有重要意義。

參考文獻

[1] 羅智星,王逸群,路逸晴,等. 基于室內設計溫度更新的建筑空調能耗快速預測方法研究[J]. 建筑節能(中英文), 2021, 49(11): 28-35.

[2] 羅智星,路逸晴,王逸群,等. 基于室內設計溫度更新的辦公建筑空調采暖能耗節能潛力空間分布研究[J]. 建筑節能(中英文), 2021, 49(11): 20-27.

[3] 壽廣,陳文卉. 辦公建筑幕墻系統對空調系統能耗影響分析[J]. 暖通空調, 2021, 51(S2): 353-359.

[4] 馬新然,王海峰,陳興飛,等. 河北省某被動式超低能耗居住建筑暖通空調設計[J]. 暖通空調, 2021, 51(S2): 200-204.

[5] 蔡德強. 論建筑暖通空調工程的節能減排設計[J]. 智能建筑與智慧城市, 2021(8): 116-117.