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建筑环境和设备工程节能设计初探

2022-06-14程驰

中国房地产业·中旬 2022年4期
关键词:整体设计电气节能节能降耗

【摘要】全球气候变暖已经成为困扰人类的主要环境问题,我国承诺“2030年实现碳排放达峰,2060年实现碳中和”,建筑和建造业占了能源消费量三成以上,其中主要是建筑环境设备的能耗,随着人们对生活环境要求的提高,建筑物的能耗量有可能进一步增大,对建筑环境设备的能效要求将变得尤为重要,建筑暖通空调系统及电气系统是建筑环境和设备工程中能耗大户,通过选择能效较高、环境友好型的设备和工艺,对设备系统进行优化,采用更先进高效的控制系统,使系统整体的能效水平得到提高,同时促进被动节能技术的应用,根据建筑物实际环境条件应用太阳能和风能等可再生能源,实现建筑物整体能耗水平的降低,创造出可观的环境效益和经济效益。

【关键词】节能降耗;暖通空调;电气节能;被动节能;整体设计

【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2022.11.017

引言:

从上个世纪开始,人类大规模焚烧化石燃料以获取能源,导致二氧化碳等温室气体大量排放,造成了全球气候变暖的日益严重,近年气象灾难频仍,应对气候变化成为世界各国急需面对的首要环境问题,2020年9月我国向世界郑重承诺“2030年实现碳排放达峰,2060年实现碳中和”。而另一方面,随着人们对生活环境要求不断提高,建筑物的设计也更加注重功能和舒适性的需求,建筑环境设备更多地被应用在建筑物中,同时建筑物的能耗也就相应的更高,如何解决日益高企的建筑能耗与节能减排的压力之间的矛盾,成为了设计师们的重要课题。

1、建筑环境和设备工程节能技术应用的现状

1.1项目建设过程中建筑环境设备节能投入不平衡

根据联合国环境规划署发布《2021年全球建筑和建造业现状报告》,2020年建筑和建造业占全球最终能源消费量的36%,占与能源相关二氧化碳排放量的37%。而建筑物的建造过程能耗占比较小,约占其中五分之一左右,其余均为建筑物运行能耗,这其中又以建筑环境设备耗能为主,所以降低建筑环境设备能耗对节能减排的总体部署意义重大。然而实际上,在大多数建设项目中,关于建筑环境设备工程节能的投入是失衡的,其体现在:

(1)在建筑节能设计过程中,一般设计师会把报建图审的政策性要求当作重点,而往往缺乏对项目的深度调查研究,无法对项目的实地环境、功能需求、当地的社会、经济状况进行综合全面的了解,通常相对于建筑专业围护结构节能设计的大篇幅详尽设计,建筑环境和设备各专业的节能设计则显得比较简略、粗浅,同时也难以保证设计方案适用于当地的实际环境,并能产生理想的效果。例如在中南地区冬季潮湿寒冷、缺乏日照而夏季日照充足却炎热的情况下,为了满足绿建指标采用太阳能热水系统则经济性和实用性就要大打折扣了。

(2)在施工过程中,无论建设方还是施工实施方均有控制成本压缩投资的原始冲动,而建筑环境设备系统其功能和能效与投资是成反比的,通常在资金压力下,各方往往会达成共识,牺牲系统设备的节能性能,而在低价中标的大市场环境下,这种现象尤为突出,这使得建筑物难以达到理想的节能效果。

1.2建筑物在使用运行过程中因管理欠缺使节能措施难以实现应有效果

近年城市化的进程飞速发展,城市规模日趋庞大,新建的高楼有如雨后春笋,比比皆是,然而整个社会却面临日益严重的劳动力紧缺问题,尤其缺乏成熟的技术工人,而运维人员技能水平通常决定了设备系统的运行效能,在运维人员不足,技能欠缺的条件下,建筑环境设备往往难以实现其理想节能功效。

1.3人们对居住环境的舒适性和便利性要求越来越高,带动了建筑能耗的增高

经过几十年经济的高速发展,人们生活水平的不断提高,对于建筑物的功能需求早已从最初的遮风挡雨,进化到现在的要更加智能便利的设施,要有更舒适健康的室内环境,这需要建筑环境设备的更大投入作为支撑,同时意味着建筑物将消耗更多的能源,为建筑节能降耗到来更大的压力。

2、关于建筑环境和设备工程节能设计的探讨

2.1建筑暖通与空调节能设计探索

(1)冷热源配置和设备选型

对于采暖和通风空调工程而言,冷热源的选择是整个系统能耗的决定性因素,在冷热源选择及设备选型时,除了以国家规范和标准为主要依据,还需要对项目进行深入了解,一方面了解业主的详细使用需求,另一方面要了解当地的自然环境和气候特点,还要了解项目所在地的社会经济环境,以下就是冷热源选择及设备选型在节能方面值得推荐的几种探索:

浅层地热能利用:一般指利用200米以内浅层地下水、地表水或土壤岩层吞吐热量,为空调系统提供热能或散热,在浅层热能资源丰富的地区以及有大量工业热(冷)废水可以利用的地区,采用地源热泵作为空调系统的冷热源较常规空调系统可以节省约30%左右的能源消耗,而浅层地能系统寿命较长,能达30年[1],虽然初期建设投入较大,但从包含使用的全寿命过程来看,相较于传统空调系统有更高的经济效益和环境效益。

蓄冷技術的应用:蓄冷空调系统通过利用夜晚用电低谷制备冷水或冰蓄冷,白天不需制冷,直接释放蓄冷量供冷,单纯从空调系统的角度考虑,蓄冷空调技术热力损失较大,增大了耗电量被认为省钱不节能,但从电力大系统考虑,用低谷电制冷蓄冷技术提高了低谷电时段发电机组的负荷率,使发电机组的效率得到提升,降低了低谷电时段发电单位煤耗,同时能降低高峰发电需求,实现大系统节能,参考深圳前海供冷3号站,根据等效计算,采用蓄冷空调技术考虑用电削峰填谷的节能效益,系统能效能够提高16%,达到4.91[2]。对于夏季用电量峰谷差距较大地区,蓄冷技术的应用能有效平衡电网供需,在为业主节省电费的同时,还能创造社会层面的节能效益。

空气源热泵的应用:空气能是一种储量非常丰富的低品位能,空气源热泵通过从空气储热获取低位热能,经系统集热转化为高温热能,用来取暖或制备热水,夏季也可以通过向空气中散热转化为制冷工况,因其安装方便,对环境污染较小,可以替代锅炉和冷却塔,较传统的空调形式更节能,在南方地区得到广泛应用。

复合能源利用:各种不同冷热源均有不同的优缺点,在选择时可以扬长避短地选择不同的冷热源形式进行互补,达到最佳节能效果,比如空气源热泵在寒冷潮湿的气候条件下制热工况恶劣,则可以考虑与太阳能热水或与浅层地热能系统相组合达到取长补短的效果;在有工业废热可以利用的情况下,可以利用工业废热作为主要或辅助热源;建筑内部的热量和冷量也可以创造条件为空调系统所用,或用来补充供热或散热冷却,这都是对能源的最大化利用。

(2)系统平面布置和室内气流组织的节能优化

合理的平面布置有助于提升空调及通风系统的运行效率,在具体实践中可以合理优化空调主机房的位置,使空调主机到各末端设备的距离尽可能短,通过缩短载能介质传输距离,有效减少介质传输过程的能量损耗,尤其对于现在应用比较广泛的VRV多联机中央空调系统,当其冷媒铜管长度较大时,能量的衰减将变得非常严重,且需要注入更多的冷媒,另传输载能介质的风管或水管在平面布置中尽可能地平直也是能减少沿途能量损失的重要措施。

室内气流组织形式的节能特性主要体现在不同气流组织形式对空调效率的影响,在设计过程中,通过对空调系统的具体服务对象(人或者设备等)进行分析,选择合适的送回风形式,使服务对象工作、活动区域能获得稳定、均匀的风速场、温度场、相对湿度场,而空间其他区域可适当降低空调负荷,从而达到节能降耗的目的。

另一个值得关注的方向就是建筑被动节能技术的应用[3],最突出的例子就是被称为建筑物免費空调的“太阳烟囱”,这项技术在很多生态建筑中得到应用,根据热空气自然上浮的“烟囱效应”,利用建筑物的室内中庭或幕墙内侧夹层开放空间形成一个“烟囱”,在吸热单元吸收日照后,开放空间内空气受热增温,热空气从“烟囱”顶部排出,“烟囱”底部形成低压区,吸引室外新鲜的凉风自然流入室内形成循环。

图1

图1由KPF事务所设计的西班牙马德里恩德萨公司总部中心,其室内中庭应用了“太阳烟囱”效应,上部空气吸收太阳辐射热,从顶部通风口逸散,通过地下通道冷却的空气从中庭下部补充进室内,实现室内空气自然调节。

(3)建筑暖通空调系统(HVAC)智能群控技术的应用

以水系统中央空调为例,常用的HVAC集中控制系统采用自适应控制方法,通过采集室外温湿度参数、末端负荷参数、空调冷热源水系统温度、压力、流量、负荷、冷热量等多种变化参数,动态控制冷水机组、锅炉的启停台数和加减载,使机组的制冷、制热能力与系统负荷相匹配,同时利用变频调速技术调整热水泵、冷冻水泵及冷却水泵电机转速,实现管路水流量调节,还可以调整冷却塔启停台数及通过变频调速实现冷却塔风机的加减载。

近年人工智能和物联网技术的发展为建筑暖通空调系统(HVAC)集中控制技术的升级迭代创造了条件,目前已有模糊控制和神经网络控制方向的探索,智能化模糊控制技术通过对系统采集的运行相关参数模糊化处理,建立模糊规则并进行推理和筛选,所产生的数据可指导管理人员对设备进行分级管理,可根据系统负荷和环境等的变化自动寻优,主要用能设备可实现长期处于低速状态下平稳运行,设备基本上能做到按需所供,时刻确保空调系统处于高效工作状态[4]。而利用长短期记忆神经网络技术(LSTM)可以构建出较为准确的HVAC系统能耗预测模型[5],LSTM模型随着预测时间的推移具有良好的预测稳定性,在考虑数据的时序性和非线性的前提下,可以从历史数据中得到很多有用的信息,有效地提高预测能力,在提高HVAC系统整体运行能效方面的潜力不容忽视。

2.2建筑电气节能技术探讨

(1)配电系统的常见节能措施

建筑物配电系统在运行过程中,电气设备产生的无功能耗及电能传输过程中线缆发热损耗是配电系统主要的能量损失,在电气设计过程中通常采用以下措施较少电能损失:

在选择变压器时,通过对建筑物的用电设备负荷情况的充分了解,合理选择变压器的台数和功率,每台变压器所分配的负荷应与变压器的容量相匹配,确保变压器能在较高的功率因数下运行,选择节能高效的变压器设备,对整个变配电系统进行无功补偿,减少配电系统的无功损耗,同时也可以相应减小变压器的设计容量。

在布置配电房的位置、配电小间的位置时,需考虑配电房到各配电小间,配电小间到各用电设备的供电半径,使供电线路路径最短,选择电阻相对较小的线缆产品,合理选择线径,在电缆路径布置时尽量平直,均可通过减小线缆电阻实现电能传输损耗的减小[6]。

(2)照明节能设计

现代建筑在其功能和舒适性方面越来越完备,对室内光环境的要求也更多样化,不同的功能区、不同的人群对室内光照条件有着不同的要求,照明的节能设计需要在确保照明质量的前体下,对照明系统进行优化,提高照明系统的效率。

选择合适的光源对提高照明效率有着重大意义,根据现行照明设计规范,在照明设计过程中应考虑照明的功率密度(LPD值)的强制性要求,所以一般不宜采用白炽灯和粗管荧光灯等低效灯具,通常普通照明可以选用紧凑型荧光灯、细管荧光灯(T5)等较经济的高效灯具,如条件允许可以选用LED光源的灯具,LED灯具有更高的节能性能及使用寿命,对于一些高大空间,则可采用高光效、显色性佳的金属卤素灯或高压钠灯,而无极灯因其高光效、长寿命、高显色性是目前最有发展前景的绿色节能照明光源。

照明的控制也关系到建筑物照明系统的整体能效,通常对于建筑物内的公共空间,可以采用生物感应延时开关、声控延时开关等节能开关,也可以采用定时控制,条件允许的情况下可以采用智能照明控制系统,结合使用者使用习惯、建筑物具体运营、室内自然采光等情况设置控制程序,使照明系统自动、高效地运行,提高能源的使用效率,同时还可以减少管理人工成本。

2.3基于整体设计理念的设备工程节能设计探索

整体设计就是要求在建筑设计过程中要持有整体思维,既要考虑建筑物及其所处环境的整体性,也要考虑建筑物的整个生命周期,综合考虑建筑的构造形式、建造技术、艺术表达、人文环境、生态友好等要素,实现经济效益和社会效益最大化[7]。

基于整体设计理念,建筑环境与设备各系统的节能降耗策略可以通过与建筑专业设计统筹,在保证建筑整体效果的前提下,还能实现良好的节能降耗效益。比如增加建筑物围护结构的绝热性能可以减小室内空调冷(热)负荷,可以减少空调设备功率;增大开窗面积和透光屋顶的设置可以增加室内自然采光,可以减少照明设备的投入;通过一体化设计,将光伏系统与屋顶或幕墙结合,将垂直轴风机发电系统融入建筑物造型,既不影响建筑外观效果,又可利用可再生能源。这些都是整体设计理念与环境友好建筑理念的完美结合,也为未来绿色建筑设计指明了方向。

结语:

减少碳排放是我们每一个人的责任和担当,减少建筑能耗对于我国早日实现“碳达峰,碳中和”有着举足轻重的作用,而减少建筑物能耗的关键在于减少建筑环境设备系统的能源消耗。通过提升建筑环境设备系统运行效率,运用被动节能技术减少设备投入,促进可再生能源的应用,从长远来看不但能带来很好的环境效益,同时也能带来可观的经济效益。

参考文献:

[1]张小芹,万磊,王维,等.浅议湖北省浅层地能在建筑中的应用[J].四川建材,2015,41(2):17-18.

[2]马建波,王朝晖,旷金国,等.蓄冷供冷系统的节能效益分析[J].暖通空调,2021,51(12):33-37.

[3]美:大卫.伯格曼,著.徐馨莲,陈然,译.可持续设计[M].南京:江苏凤凰科学技术出版社,2019.

[4]李彩云.基于模糊控制技术的医院中央空调系统节能的实效分析[J].财金界,2021(4):25-26.

[5]廖文强,王江宇,陈焕新,等.基于长短期记忆神经网络的暖通空调系统能耗预测[J].制冷技术,2019,39(1):45-50.

[6]李筱华.建筑电气设计中的节能措施探讨[J].工程建设与设计,2020(24):40-41.

[7]谢双.建筑整体设计方法及原则[J].城市住宅,2021(11):164-165.

作者简介:

程驰(1982-),男,汉族,湖南长沙,本科,建筑工程师,主要从事工程管理工作。

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