关键词：高层建筑；暖通空调；节能设计
1、前言
随着经济的提高，科技水平不断进步的今天，人们对于居住环境的要求也越来越高，对于舒适性的层面考虑，空调是能够调节空气温度、湿度的首选方式。暖通空调的应用则极大程度地在降低能耗的同时满足了人们对于居住环境中空气和温度的要求，为人们更加舒适的居住提供了保障。面对近年来国家提出的对于建筑和生活提出的节能方面的要求。相比于其他类型的建筑，高层建筑普遍有建筑面积偏大的特点。因此，对高层建筑的节能方面的优化更是重中之重。如何更进一步进行高层建筑暖通空调的设计，是我们今天需要更加科学、慎重讨论的话题。
2、高层建筑中暖通空调的系统节能的主要类型
目前，我国城市中的暖通空调系统的能源消耗量占总能源消耗量的近一半，且随着城市居民对生活品质的要求越来越高，暖通空调的能源消耗量呈现出逐年上升的趋势。暖通空调系统的能源消耗主要是指建筑采暖、制冷空调及通风等方面的能源需求。高层建筑暖通空调的能源消耗主要来自三个方面：冷热负荷、新风负荷及输送负荷引起的能耗。暖通空调系统的能源消耗与其他类型能耗相比有很多显著的特点。首先，能耗受空调系统类型、设备选型、运行管理等多方面的影响，如果空调系统设计时存在一些不合理的因素或在运行管理中出现问题，都会降低暖通空调能源的效率；其次，舒适性要求、室内设计温度及相对湿度等也都会对暖通空调的能耗产生一定的影响。同时，我们应尽可能多地利用风能、太阳能等天然资源，提高能源使用率，尽量降低暖通空调的能耗。
2.1冰蓄冷系统
北京国际俱乐部改扩建工程位于北京市朝阳区，建筑面积75726平方米，地下3层，地上23层，建筑高度为99.9米，集办公和酒店于一身。
本项目空调冷源采用串联式蓄冰系统，双工况水冷螺杆式冷水机组在夏季利用夜间电网低谷时段蓄冰，白天用电高峰时段融冰供冷；在全年可通过调配水冷螺杆式冷水机组和蓄冰槽不同运行组合来满足大楼不同的负荷要求，设计工况按融冰优先与优化控制相结合的策略运行，在满足不同用户用冷需求时，又能节省运行费用。
单一从项目的角度来看，冰蓄冷系统并不能节约能源，但是该系统利用了峰谷电的城市电网特点，利用谷电蓄冰，峰电时期融冰为建筑供冷，此举增加了谷电的使用率同时对缓解峰电使用率有帮助，因此从城市供电大环境角度上讲，广泛使用冰蓄冷系统是值得推崇的节能方式。
2.2 毛细管辐射冷板系统。
常规的高层公共建筑更多的采用“空气—水”类型的空调末端系统，如风机盘管系统。此类系统通常结构较为简单，维护和保养工作比较轻松，在对空气进行转换的过程中，除湿效果好，制冷迅速，已经成为越来越多的高层建筑的选择。此种末端是通过对流的方式供冷供热。但此种末端对节能方面没有很大帮助。
毛细管辐射冷板末端系统类似于我们生活中常见的地板辐射采暖系统，毛细管敷设于砌筑墙体上，夏季通过辐射的方式供冷。毛细管中水温需要高于室内露点温度以防止其凝露。如毛细管空调供水温度为18℃，风机盘管空调系统水温供水温度为7℃。在冷源方面制冷机组在制备18℃空调水的时候其cop是远远高于制备7℃空调水的。因此采用毛细管辐射冷板系统对建筑的空调节能是有很大帮助的。
2.3地源热泵空调系统
地源热泵系统，是暖通空调的制冷和供热时候与土壤或地下水做热量交换。夏季对建筑内降温处理时，通过地源热泵将多余的能力排到土壤里相当于土壤就是一个恒温的冷却塔；冬季在需要供暖时，地源热泵的将从土壤内提取热量，由于土壤内温度恒定。所以地源热泵冬夏运行工况都比空气源热泵要好，cop也更高。（如下图）。
作为近几年新兴的可再生能源系统，地源热泵具有高清洁、可再生、能源利用率高等优点，目前已经被国内越来越多的建筑设计所应用。尽管地源热泵本身属于清洁能源，但是在应用的过程中仍然存在着一定的问题：南北所需温度情况不同，导致对土壤收放热量有差异会形成土壤温度的失衡影响到周边的生态平衡，目前通过使用冷却塔散热的方式已经开始逐步解决对地层放热的问题；在建筑过程中，地源热泵本身会受到市场供求关系的影响，通常在地源热泵建设的过程中需要大片的场地来完成地源热泵系统的打井埋管工作，而越来越紧缩的施工场地也成了限制地源热泵发展的一大因素。但总体来说，地源热泵系统能从冷源上节约空调能耗。
3、暖通空调设计中重点节能设计措施
根据以上研究我们认识到暖通空调系统节能的重要性，为了保证暖通空调的节能效果不光需要从系统选择上考虑，还要在设计过程中进行分析研究，把握以下关键点避免能源的浪费。
3.1室内设计计算温度的取值
在一些高层建筑中，部分业主对夏季室内舒适度的标准有较高的要求，作为设计人员应该通过合理的末端布置或选型以满足房间人体使用需求。切忌盲目的
在进行冷热负荷计算时，将室内计算温度取值的标准提高。室内计算温度的高低和能耗有一定的关系。冬季供暖室内温度每下降1℃，空调能耗可以降低5%到10%左右，夏季制冷，室内温度每升高1℃，空调的能耗将减少8%到10%左右。所以，为了实现暖通空调系统的节能效果，在设计室内计算温度时不宜过于保守。《公共建筑节能设计标准》（北京地标）中对建筑供暖以及空调室内设计计算温度的取值都做出了规定。冬季正常工作房间的供暖温度为18±1℃，夏季正常工作房间的空调温度为26±1℃。所以，暖通空调系统节能设计中设计人员要对此高度重视，这是影响空调系统是否节能的重要条件。
需要特别注意的是，冬季在计算地板辐射采暖系统的热负荷时，其室内计算温度取值可以在相应的条件下降低2℃。这对节能也很有帮助。
3.2冷热负荷的计算
空调、供暖系统中最为重要的数据就是冷热负荷。冷热负荷是确定空调冷热源容量以及输送管道尺寸设计的重要依据。当前一些暖通空调系统设计人员在施工图设计过程中，会将估算的建筑面积冷、热负荷指标作为施工图设计过程中空调、供暖冷热负荷的依据，进而使得冷热源设备的容量偏大，输送管道尺寸偏大等，结果使工程的投资、运行费用、能耗等增加，造成很大的损失。
在设计初级阶段，建筑物的设计没有给出详细的围护结构做法，所以不能满足空调、供暖热冷负荷计算的需求，设计师往往会根据自己的经验进行估算。但是由于工程的实际情况各不相同，计算出来的负荷指标会有较大的差异。在施工图设计阶段，负荷计算有了充足的条件，这时按照指标进行负荷计算存在不合理性。国家相关条例中对此有明确的规定，必须进行热负荷计算以及逐项逐时的冷负荷计算。
3.3供暖系统、空调系统的设计合理性
合理设计的暖通空调供暖系统，可以达到节能的效果。不管是对公共建筑还是对居民住宅进行暖通空调供暖系统设计都必须坚持三个原则：
首先，空调供暖系统要保证每个房间都可以独立地进行温度调控。这能保证在局部时段或长期无人的房间，可以关闭其空调仅保留值班采暖，此方法会大大减少能源浪费，对节能很有帮助。
其次，是要实现分户费用的分摊及分业态设置冷热源。高层住宅采暖必须设置分户计量，高层公共建筑一般包含多个业态，各个业态之间如果使用时段不同，应该分别设置独立的冷热源，保证各个时段独立高效运行。
第三，在过渡季节室外焓值低于室内焓值的时候，应多利用自然通风满足室内温度需求。既可以节约电能，又可以将设备的使用寿命延长。
3.4减少输送过程中的能耗
在空调系统的能耗组成中，动力输送过程中的能耗在整个空调系统中占有很重要的地位。输送过程中的能耗主要是在热量的输送过程中风机和水泵的耗能量，因而我们应该努力采取措施减少系统流量的输送阻力，提高风机和水泵的效率，降低耗能量。具体措施可以从以下三个方面进行：
首先，增大供回水的温差，增大空调系统的供回水温差可以减小供回水流量，从而减少水泵耗电量，在节能上起到很好的控制效果。但同时要注意大温差对制冷机组及末端风盘都会有影响，所以不能盲目的增大温差。传统空调系统一般保证5℃温差（7~12℃）。对于高层建筑，输出距离比较长时，可以采用7℃温差（6~13℃）。
其次，应尽量采用变频水泵或风机使部分时段避免浪费。空调系统运行过程中，会有大量的部分负荷时段，而我们制冷主机通常都是根据最大负荷选取的，这就导致部分负荷时段，空调系统不需要最大的循环水量即可满足室内设计温度。这时如果采用变频水泵或者二级泵系统，则可以更好的达到节约水泵耗电量同时节能的目的。
最后，应尽量少的使用平衡阀等高阻力阀门。总所周知，水泵耗电量除了和流量有关还和扬程有密切关系，平衡阀负责调节各个环路的水力平衡，但其自身阻力较大，如系统过多的配置平衡阀则水泵的扬程也会相应的变大，导致水泵耗电量增加，我们在设计过程中，应主动通过制冷机房位置、各个环路长度、管道管径等等因素调整环路之间的平衡，尽量避免依赖平衡阀。
3.5热回收装置的设置
建筑暖通空调系统在实际运行过程中，往往会出现余热大量浪费的现象。由于这部分余热可以进行回收利用，因此可以设置相应的热回收装置，采取状态不同、载热不同的流体，并采用热交换装置来传递总热或者是湿热，便可以降低冷热源能耗。这在有效满足暖通空调系统所需湿热变化的同时，也达到了降低建筑物整体能耗的目的。暖通空调系统在具体运行时，为了保证室内空气清新，往往会将室内的一部分空气排出，而且在处理新风时，又需要消耗相应的能量，这便在一定程度上增加了空调系统的具体运行能耗。我们通过在暖通空调系统之中设置热回收装置，便可以将空调系统的排风能量进行回收，处理新风时又可以将这部分能量运用上，这就提高了暖通空调系统的经济性和节能性。
4、案例分析
4.1设计参数
某酒店办公项目最高6层，其业态包含了酒店及办公，由于使用时段不同所以分别设置冷热源。办公由于其分层出租，因此采用多联机分体空调，每层独立一个系统互不干涉，保证租户任何时段可以单独使用。酒店区域采用风冷模块机组。酒店行业不同于其他行业，本身存在淡旺季，淡季时住客较少，旺季则会出现供不应求的情况，这就需要酒店暖通空调系统具备季节性，设计时确保系统稳定；酒店空调系统既要满足客房基本需求，也要满足娱乐、会议等方面的需求，致使系统构成较为复杂。具体室内设计参数如表1所示。
表1 室内设计参数分析
4.2暖通空调节能方案
4.2.1围护结构设计
围护结构节能设计时，主要考虑三方面内容，即：墙体、窗户与屋顶。通过计算分析，夏季时透过窗户的热量甚至可以达到冷机负荷的30%，确定室内采光比的基础上对窗墙比进行合理确定。确定节能方案时，采取相应的节能设计方法：保证制冷与采暖效果
4.2.2计算空调负荷
通过计算得出，酒店区域最大负荷值达到1368.06kW，单位面积冷负荷指标为118W/㎡。办公区域最大负荷值达到581.69kW，单位面积冷负荷指标为93.4W/㎡。
4.2.3节能设备选型
暖通空调设计方案中酒店的冷热源设备选择3台各468 KW供冷量的风冷模块机组。办公区域选择4台各145KW供冷量的多联机室外机。这两种设备可冬季供热，夏季供冷。调节方便，可在15%~100%负荷范围内实现无级调节等。
4.2.4空调风系统节能设计
酒店餐厅区域选择全空气空调的系统，冬季供热，夏季供冷，过渡季节以最大新风量70%的风量送风，保证室内温度的同时节约能源。
酒店客房、会议室等小空间选择风机盘管加新风的方式，风盘均独立启停，保证在酒店客未满情况下不浪费能源。
4.2.5做好水系统节能设计
至于空调水系统，依据实际需求选择一次泵变流量两管制，设置在屋顶的膨胀水箱完成系统定压，水泵采用变频水泵，系统采用同程式设计并做好详细的水力平衡，尽量避免使用平衡阀以减少扬程。
5、结语
总而言之，高层建筑暖通空调在应用时会消耗大量能源，严重影响到高层建筑工程的成本，所以对高层建筑暖通空调进行设计至关重要。设计人员在进行暖通空调设计时需要严格按照资源可持续性、方案可行性原则进行设计，并对暖通空调的各个设计要点进行严格把握，从而保证高层建筑暖通空调的的运行质量，进一步促进高层建筑的可持续发展。
参考文献：
[1]刘超，李自强.高层建筑暖通空调节能设计探析[J].城市建设理论研究：电子版，2014（8）.
[2]胡勋.关于高层建筑暖通空调节能设计的探析[J].工程技术：全文版，2016（9）
[3]于海鲲.高层建筑中暖通空调节能设计分析[J].建筑工程技术与设计，2015（23）.
[4]曹树桃.高层建筑暖通空调设计要点之我见[J].建筑工程技术与设计，2015（13）：449.
[5]杜长城.高层建筑暖通空调设计要点分析[J].企业技术开发（下半月），2016（10）：149～150.
[6]王娟，刘步月.高层建筑暖通空调设计要点分析[J].城市建设理论研究（电子版），2014（33）：1593～1594.
论文作者:李恩
论文发表刊物:《建筑细部》2018年第26期
论文发表时间:2019/7/20
标签：空调系统论文; 负荷论文; 暖通空调论文; 节能论文; 系统论文; 高层建筑论文; 温度论文; 《建筑细部》2018年第26期论文;