低碳节能背景下的暖通空调设计-理念技术方法(伍小亭)

目录1.

引言2.实现低碳节能要求的设计理念3.实现低碳节能要求的设计方法引言---必须降低单位面积建筑能耗

中国建筑能耗约占全社会总能耗的30%

暖通空调系统能耗占到建筑能耗的60%以上我国单位面积建筑能耗低于发达国家，特别是公共建筑巨大建筑总量使我们的建筑能耗总量呈快速上升的趋势只有持续不断的提高建筑节能标准才能在建筑总量不断增加的形式下，使这种趋势得到控制理想的结果是，通过建筑节能进一步降低单位面积建筑能耗，从而实现建筑总量增加但建筑能耗总量的增加速度明显低于建筑总量的增加速度，甚至为零增长引言---挑战与系统特点

暖通空调系统能耗通常会占到建筑能耗的60%以上降低暖通空调系统能耗是建筑节能关键所在也是暖通空调工程师必须持续面对的挑战称其为挑战是因为与其他建筑用能系统相比：系统构成复杂——冷热制备/接受/转换、输配与末端换热、空气品质保证，每个环节均涉及耗能设备技术方案不唯一

——以办公建筑为例，以有以下选择：1.风机盘管加新风系、2.VAV系统、3.VRF、4.温湿度独引言---挑战与系统复杂性立调节系统等，其中每种形式又会有多种衍生与复合形式：机盘管加新风系统→两管制、四管制、分区两管制；VAV系统→单纯VAV、也可以是内区VAV+外区风机盘管影响因素复杂且具时变性——气象、围护结构热工特性、内部热扰、建筑外部与内部空间形状

↓暖通空调系统的设计的复杂性暖通空调系统设计的不足在哪里？引言---不足在哪里？重功能，轻节能的设计思维定式与误区只关注典型工况点的静态设计方法动态设计分析工具还远未普及等原因

↓节能设计普遍水平与

优化设计以降低能耗，提高能效的要求尚有较大差距

↓

转变设计思维、变革设计方法、丰富设计工具设计理念——以节能为导向暖通空调设计应以节能为导向

以往的设计基本以功能为导，对系统节能的考虑仅限于保证设计满足设计规范、标准的限定性要求

↓设计师对节能要求仅仅是被动适应而非主动追求↓

以节能作为暖通空调的设计导向，即“保证功能前提下尽量节能”，会从根本上提高建筑节能设计水平

设计理念——以节能为导向

案例——根据以上两种设计导向，天津地区公共建筑，构造两个均满足供冷供热要求的系统方案，并比较其一次能源消耗：方案1（仅满足功能要求）区域锅炉房供热+水冷电制冷+风机盘管加新风系统+两管制+循环泵冷热共用；方案2（满足功能要求基础上，充分考虑节能）埋管地源热泵供热、制冷+风机盘管加新风系统+两管制+循环泵冷热共用设计理念——以节能为导向

方案1设计参数：供热量Q（热）100kWh/m2·年、供冷量Q（冷）80kWh/m2·年、水系统60℃/50℃供热，7℃/12℃供冷、循环泵扬程32m水柱，效率70%、冷却泵扬程26m水柱，效率70%、区域锅炉房供热季节平均热效率65%，冷水机组IPLV=5.0风侧综合能效Ws取30；（交流有刷电机）方案2设计参数：供热量Q（热）100kWh/m2·年、供冷量Q（冷）80kWh/m2·年、水系统45℃/38℃供热，6℃/13℃供冷、循环泵扬程30m水柱，效率75%、地源循环泵设计扬程28m水柱，效率75%热泵机组制冷IPLV=5.0，供热季节能效比COP=4.2、风侧综合能效Ws取37（直流无刷电机）；一次能源消耗计算（标准煤）方案1E（供热）=Q（热）*[860/0.65/7000+0.347*(ER（供热）+Ws)]=20.43kgE（供冷）=Q（冷）*[1/IPLV+ER（供冷）+ER（冷却）*(1+1/IPLV)+Ws]*0.347

=7.65kg

E（全年）=E（供热）+E（供冷

=28.1kg方案2

E（供热）=Q（热）*[1/COP+<ER（取热）*(1-1/COP)+ER（供热）>*(1-α)+Ws)]*0.347=10.06

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

6.97kg

E（全年）=E（供热）+E（供冷=17.03kg设计理念——以节能为导向设计理念——以节能为导向

方案2的一次能源消耗仅为方案1的60.6%，即每平米每年可节能11.07kg标准煤方案2技术复杂程度并不高，仅仅是将节能目标引入设计过程，就得到了相对更节能的暖通空调系统方案。设计理念——仅满足节能限定性要求不一定就是节能设计

通常认为满足节能设计规范、标准的限定性要求就是节能设计所以除非业主要求项目节能水平高于节能规范、标准，设计师通常不会主动发掘系统的节能潜力。这样的设计不一定就能实现节能规范、标准制定者预判的节能水平即便能达到，但系统节能的潜力依然较大。以下以一个温、湿度独立调节空调系统的显热处理子系统为例，分别构造两个方案并计算其系统能效COPS：设计理念——仅满足节能限定性要求不一定就是节能设计方案1系统与参数方案1——满足《公共建筑节能设计标准》限定性要求的系统，构成与参数如下图所示：COPS1=3.57设计理念——仅满足节能限定性要求不一定就是节能设计

冷水机组COP=4.88；水泵1与水泵2对应的循环系统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冷量风机功率=50W；则有:COPS1=1/[1/4.88+0.016+0.0089+0.05]=3.57设计理念——仅满足节能限定性要求不一定就是节能设计方案2——优化系统，构成与参数如下图所示：方案2系统与参数COPS1=4.68设计理念——仅满足节能限定性要求不一定就是节能设计冷水机组为高温高效行COP=6.3；循环系统EER=0.020（H=32、η=75）每kW冷量风机功率=35WCOPS2=1/[1/6.3+0.02+0.035]

=4.68每kWh显冷量制备与输配方案2比方案1节电0.066kWh结合1.1相关数据有每平米每供冷季可节能：1.2kg标准煤设计理念——仅满足节能限定性要求不一定就是节能设计

设计理念——仅满足节能限定性要求不一定就是节能设计原因：节能规范、标准局限性不可避免在社会平均水平下，多数设计比“以前”节能→限定性要求法最可操作但限定性要求法之于节能必然是“就中不就高”，和对系统整体节能性判断的无能为力

从整体系统节能潜力的角度，满足节能规范、标准限定性要求的设计不一是节能的设计。设计理念——全方位系统整体节能思考：暖通设计师对本专业节能的关注容易局限于冷热源设备效率和热门的节能技术

缺乏整体全方位分析的意识，往往会出现堆砌节能概念与技术代价高昂但节能效果并不理想的设计只有树立整体全方位节能理念，才能做出事半功倍的暖通空调节能设计全方位体现在：建筑能源——建筑节能应落实在降低使用过程化石能源消耗设计理念——全方位系统整体节能从碳减排以及便于实施的角度，建筑节能的落脚点在于降低建筑使用过程中化石能源消耗因为消耗化石能源必然产生包括CO2在内的污染排放鉴于此认识，暖通设计不仅要努力降低维持室内空气环境需要的能源总量，还应努力降低其中化石能源比例设计角度降低化石能源比例与碳排放的途径1.选择适宜的冷热源形式——

供出等量冷热，不同冷热源形式消耗的化石能源量与碳排放是不同的，见下表

冷热源形式对化石能源消耗与碳排放量的影响显著，设计必须根据项目所具有的资源条件、节能减排目标以及经济因素进行综合分析冷热源形式化石能源消耗（吨标准煤）CO2排放量（吨）备注热效率85%的燃气锅炉321.14519.42燃气热值8500kcal/Nm3、折算系数1.964热效率65%区域锅炉房供热419.951117.07折算系数2.66COP=4.2的电热泵183.56488.280.347kg标准煤/kWh电、折算系数2.66COP=1.6燃气吸收式热泵140.5227.24燃气热值8500kcal/Nm3、折算系数1.964设计理念——全方位系统整体节能观

2.能源梯级利用能源梯级利用——将高品位能源的做功能力发挥出来，使其成为“驱动”力将无法直接供冷供热的低品位环境能源转化为冷热源，降低能源利用过程中的火用损失，让一份能源形成更多的供热制冷能力。

以低位热值8500kcal的1个标准立方米天然气，梯级利用比较冷热源形式供热能力（kW）供冷能力（kW）备注直燃吸收式冷温水机组8.914.83热效率=0.9，COP冷=1.5燃气发电+电热泵+烟气余热吸收式冷温水机组18.7824.7发电热效率35%、系统热损失15%，电热泵供热COP热/冷=4.0/5.0设计理念——全方位系统整体节能观设计理念——全方位系统整体节能观燃气热值的35%转化为电力来驱动热泵燃气热值50%的发电余热驱动吸收式冷温水机组

↓

与直接燃烧利用相比供热、供冷一次能源消耗与CO2排放分别均降低了52.6%（供热）、40%（供冷）。

3.创造系统利用低品位能源→

低温供热高温供冷

系统实际需要——热水温度可以低到30℃~40℃、冷水温度可以高到10℃~20℃。暖通设计习以为常采用的冷热水温度，如散热器采暖85℃、空调供热60℃、地板辐射采暖50℃~60℃、空调制冷5℃~7℃，多为产品性能评价基于的额定参数，并非一定是实际所需案例两管制风机盘管+新风空调系统冷热负荷比为1：0.7，

设计理念——全方位系统整体节能观项目两管制风机盘管+新风空调系统，冷热负荷比为1：0.7，初定冷热源为埋管地源热泵换热，冷水供回水温度确定为7℃/12℃，室内供暖设计温度22℃。起初，设计方与顾问方对热水供回水温度持不同意见，顾问方认为应该采用60℃/50℃,理由是低于此末端供热量可能不足，吹冷风；设计方认为可以采用45℃/38℃，理由是经过计算按7℃/12℃工况确定计算选择的FCU，用于供热时热负荷完全能满足，出风温度高于30℃，不存在吹冷风问题，双方最终达成一致，决定采用设计方建议，热水参数取为45℃/38℃。设计理念——全方位系统整体节能观

初定冷热源为埋管地源热泵换热，冷水供回水温度确定为7℃/12℃，室内供暖设计温度22℃关于供热温度

顾问方认为应该采用60℃/50℃,理由是低于此末端供热量可能不足，吹冷风设计方认为可以采用45℃/38℃，理由是经过计算按7℃/12℃工况确定计算选择的FCU，用于供热时热负荷完全能满足，出风温度高于30℃，不存在吹冷风问题双方最终达成一致，决定采用设计方建议，热水参数45℃/38℃设计理念——全方位系统整体节能观相对于45℃/38℃的热水参数，采用60℃/50℃的热水参数导致热泵成本至少增加25%，COP降低26%，以供热量Q（热）100kWh/m2·年计，单位建筑面积一次能源消耗增加2.57kg标准煤、CO2排放增加6.82kg、地能贡献率由44.5%降低为23.7%。

不同的冷凝器出水温度下，热泵机组的COP性能曲线设计理念——全要素节能设计思维不同供回水温度时的系统COP优先考虑以合理的代价与成熟技术利用低品位能源确定合理的室内设标准（温度、相对湿度、新风量等）优化系统设计参数提高整体系统能效重视将系统运行策略导入暖通工艺设计对实现节能运行的意义

供回水温度能耗（kW/kW）7℃/12℃6℃/13℃5℃/12℃7℃/13℃7℃/14℃主机（1/COP)0.2130.2180.2230.2130.213ER（冷却）0.0173ER（供冷）0.02140.00780.00780.01240.0078WS(FCU)0.02540.02610.02480.02680.0277合计0.25980.25190.27290.25220.2485系统COP3.853.973.663.974.02设计理念——全要素节能设计思维

天津市区一个2万平方米博览建筑的空调系统设计过程或许为以上观点的注解。原设计方案——冷热源为地源热泵、温湿度独立调节空调系统、新风转轮除湿、楼板供热供冷为主，普通盘管干式运行为辅、水系统形式及参数如图-？所示。计算额定设计工况系统制冷能效比COPS。计算条件：潜热冷负荷/全热冷负荷=0.45、显热冷负荷由FCU承担的部分为40%；热泵机组制冷COPHP=5.416、热回收热泵型转轮除湿新风机组制冷COPDH=3.6；地源循环泵H=28m水柱、冷水循环一次泵H=27m水柱、二次泵H=10m水柱，水泵效率均为η=70%

节能概念+节能技术+节能产品=理想节能系统？温、湿度独立调节空调系统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%，而投资至多为后者的60%节能概念+节能技术+节能产品=理想节能系统？风机盘管+新风系统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对方案一优化后，额定制冷工况下，系统COP提高了25.9%，比方案二提高16.4%，而且优化方案的概算造价比原设计方案还略有降低。节能概念+节能技术+节能产品=理想节能系统？温、湿度独立调节空调系统2以节能为目标筛选设计方案不预设定节能目标值简单方法①多个技术可行方案→②计算其额定工况能效与单位冷热量的化石能源消耗量→③确定相对最节能的技术方案→④以更节能为目标，确定优化设计参数。较简单方法与“简单方法”步骤完全相同，只是将步骤②中额定工况改为季节平均工况。实现低碳节能要求的设计方法复杂方法步骤与简单方法完全相同，但步骤②改为用能耗模拟软件计算各技术方案的全年能耗与化石能源消耗量。预设定节能目标简单方法①设定系统额定工况能效与单位冷热量的化石能源消耗量）

→②→③确定满足能效设定值的方案→④

↑

↓←←如所有技术方案均不满足能效设定值实现低碳节能要求的设计方法较简单方法设定系统季节能效与单位冷热量的化石能源消耗量与“简单方法”步骤完全相同，只是将步骤②中额定工况改为季节平均工况复杂方法（设定系统全年能耗限值）“0”建筑全年冷热量模拟→①→②→③确定满足能耗设定值的方案→④↑

↑

↓↑

←

←如所有技术方案均不满足能耗设定值↑

↓←

←

←

←

←

←

←如多次“循环”不满足，进入第一步从头开始实现低碳节能要求的设计方法复杂方法“0”建筑全年冷热量模拟→①→②→③确定满足能耗设定值的方案→④↑

↑

↓↑

←

←如所有技术方案均不满足能耗设定值↑

↓←

←

←

←

←

←

←②改为全年能耗模拟、增加了步骤“0”，在此步骤中，通过冷热量模拟寻求改善围护结构、