浅析建筑采暖通风空调工程的节能减排系统设计

景燕鹏

1 建筑采暖通风空调工程节能减排的设计方案

1.1 设计思路

建筑采暖通风空调工程的节能减排系统设计思路应遵循系统化、科学化和智能化的原则[1]。具体为：第1，系统化思路。充分考虑建筑结构、朝向、使用功能、外部环境等多个因素之间的相互关系和相互制约，针对性地进行系统设计和优化，实现建筑采暖通风空调工程的整体协调运行。第2，科学化。根据建筑热力学、流体传热学等理论基础，利用数学模型和计算机技术，对建筑采暖负荷、空调负荷、新风回收潜能等进行科学预测和评估，制订系统控制策略，实现精确调节，避免资源浪费。第3，智能化。运用可再生能源技术、自适应和自学习算法等技术手段，持续优化系统运行控制策略，实现对复杂动态建筑环境的主动感知和快速响应，保证系统在复杂环境下仍稳定高效运行，降低人工操作和维护成本。该设计思路立足建筑采暖通风空调工程实际状况，利用系统科学与智能技术的融合，旨在实现建筑舒适性与系统能效之间的平衡和协调运行，实现采暖通风空调工程的节能减排与可持续发展目标[2]。

1.2 设计结构

建筑采暖通风空调工程的节能减排系统主要包括采暖模块、通风模块和空调模块，每个模块都有不同的设计和工作原理（图1）。

图1 建筑采暖通风空调工程节能减排系统设计模块图（来源：作者自绘）

太阳能集热器具有较低的碳排放和环境影响，故系统选用太阳能热水器作为采暖供热的基础设备，通过利用高效的热交换器，最大限度地实现热能传递和热能损失的减少，在此基础上，设计管道系统，以减少管道阻力与热量损失[3]。根据建筑布局需求，在建筑物墙面布置风机，以保证建筑物室内良好的空气流通。根据建筑的使用类型、人员数量和空气质量要求，可计算出合适的通风量，以确保室内空气的新鲜和舒适[4]。通过热交换器与新风供应，可实现室外新风与室内废弃空气的热量交换，减少能量损失并提高能源利用效率。

完成上述设计后，根据建筑的热负荷和设备功率等，得出空调系统所需的制冷或制热状态，并依照建筑不同区域的热负荷和使用需求，将建筑划分为不同的空调分区，实现温度调节的精准控制。

2 工作原理

2.1 采暖供热模块

2.1.1 热源和供热设备布置

采暖供热模块的设计需确定合适的热源和供热设备。因可再生能源的环境友好性，该系统选择太阳能集热器作为主要的热源设备。第1，确定安装位置。根据建筑物的位置和周边环境，选择建筑物北侧墙体中央位置开始布置太阳能集热器，以减少遮阳障碍，保证集热器能最大限度地利用太阳辐射。第2，确定倾斜角度。太阳能集热器表面与水平面所夹角度称为倾斜角，根据不同纬度和季节变化设定最佳倾斜角。在我国北方地区，一般夏季设为15°，冬季设为50°。第3，集热器数量确定。根据建筑采暖负荷预测值，计算出需供热能量。然后根据单位集热器产生热量数据估算所需集热器数量，一般取较保守值。第4，集热循环水系统。集热循环水系统将集热器与热交换器连接，采用自然循环或强制循环。考虑北方冬季气温过低，易出现水管冻裂故障，采用带有防冻液的强制循环系统。第5，安全防护。设备运行过程中，收集箱中的高温水可能引发安全事故。因此，每个集热器组件出口设置温控阀，热水箱设置安全阀，并预留排水和清洗口，确保运行安全。通过对太阳能集热系统的精心设计和合理布置，可充分利用可再生能源，为采暖供热模块提供稳定清洁的热源，降低能耗和污染排放[5]。

2.1.2 热交换器和管道系统设计

采暖供热模块通过热交换器和管道系统将热能传递给建筑物内部，实现采暖和供热功能。热交换器是将太阳能集热器获得的热能传递给供热介质的设备，该系统采用板式热交换器通过堆叠和固定在一起，形成一个紧凑的热交换单元（图2）。

图2 板式热交换器工作流程图（来源：作者自绘）

太阳能集热器收集到的热水从入口处进入板式热交换器，通过在热交换器的进口上方设置连接口，使聚氯乙烯（Polyvinyl Chloride，PVC）管道与热交换器的进口相连接。热交换流体通过板式热交换器中的板间隙流动，沿着平行排列的金属板进行传导和对流。同时，供暖介质也从入口处进入板式热交换器。供暖介质通过板间隙流动，与热交换流体进行热量交换，此时，热量通过板之间的传导和对流进行交换，从热交换流体传递到供暖介质，经过热交换后，冷却的热交换流体和加热的供暖介质分别从出口处排出，排出口下方设置连接口，与PVC 管道连接，在布置管道期间，需考虑流体的压力、流量和温度等因素，以确保管道和热交换器的兼容性和安全性。通过板间隙中的流动，利用板的大面积接触，可实现热量高效传递。

2.2 通风模块

2.2.1 风机及通风量

风机安装在室内，以便于将新鲜空气引入室内或将室内空气排出，保障空气流动的正确方向，实现良好的通风效果，风机与控制系统相连可实现自动控制调节。计算通风量是确定建筑物所需通风量的过程，以确保室内空气的新鲜度和舒适性。通风采用美国采暖，制冷与空调工程师学会（American Society of Heating， Refrigerating and Air-Conditioning Engineers，ASHRAE）标准，针对要计算通风量的特定空间，确定关键参数。在ASHRAE 标准62.1-2019 中，空间通风量计算公式见式（1）：

式（1） 中：Q为 通 风 量（m³/s）；ACH 为空气变化率；V为空间体积（m³）。人员密度通风量计算公式见式（2）：

式（2）中：Q为通风量，N为人员数量，ACH为空气变化率，VR为人员密度（m³/人）。根据通风需求，将通风量转换为换气次数或换气量。换气次数表示单位时间内完全更换空间内的空气次数，而换气量表示单位时间内需输入或排出的空气体积。

2.2.2 新风回收系统设计

在建筑采暖通风空调工程的节能减排系统中，新风回收系统是通风模块的重要组成部分，其能够最大限度地利用室内排出废弃空气中的热能和湿度，并将其转移到新鲜进风中，以减少能量损失和热量浪费，新风回收系统设计（图3）。

图3 新风回收系统设计图（来源：作者自绘）

新风回收系统布置于建筑机房，以确保其易于维护操作。热交换器垂直放置，使得新风和废弃空气能够通过热交换器的板片，新风进口处安装过滤器，以满足空气质量要求。考虑空间限制和安装要求，选择适当的风道尺寸和形状，并确保风道连接顺畅、密封良好，以减少能量损失和风阻。

2.3 空调模块

2.3.1 空调负荷计算

空调负荷是根据建筑物的热特性和使用要求，计算出其所需的制冷或制热能力，为正确选择空调设备提供基础依据。建筑物的传热热负荷计算公式见式（3）：

式（3）中：Qw为墙体传热热负荷，Qf为地板传热热负荷，Qs为天花板传热热负荷，Qg为玻璃传热热负荷。空气传热热负荷计算公式见式（4）：

式（4）中：Qr为人员及灯具的热负荷。冷负荷计算公式见式（5）：

式（5）中：Q为冷负荷。在进行空调负荷计算时，应综合考虑建筑物的特性和使用要求，并利用相应计算公式参数，以保证计算准确性。根据计算结果，选择适宜的空调设备类型，对空调系统进行设计和布局。

2.3.2 空调系统分区

通过合理的分区设计，可以实现不同区域的独立温控和节能运行。根据建筑的功能、使用需求和热负荷特点，将建筑空间划分为不同的区域，确保每个区域具有相似的使用特性和热负荷需求[6]。

评估建筑的热负荷特点，包括日照情况、外部气候条件、建筑围护结构、人员活动和设备使用等因素。这些因素对各个区域的热负荷产生影响，因此在划分区域时需提前考虑。使用热负荷计算方法对各区域的热负荷进行计算。根据热负荷计算结果，评估各个区域的热负荷差异。如果某些区域的热负荷明显高于其他区域，则需将其划分为单独的温控区域，以便更精确地控制温度和节约能源。考虑人员密度和活动水平的差异，将人员密集的区域划分为独立温控区域和常温区域。

2.3.3 温湿度控制

使用进程控制符（Process Identifier，PID）控制算法调节空调系统的制冷或制热能力，维持目标温度。PID控制信号公式见式（6）：

式（6）中：θ为控制信号，Kp为比例增益系数，用于调节比例项的作用强度；e为当前温度与目标温度之间的差异；Ti为积分时间常数，用于调节积分项的作用强度；I为积分项，表示偏差的积分累计；Td为微分时间常数，用于调节微分项的作用强度；D为微分项，表示偏差的变化率。设置Kp、Ti和Td的初始值后，获取当前温度和目标温度计算偏差，将偏差累积到积分项中，计算积分项，考虑微分时间常数Td计算偏差的变化率，结合公式计算出控制信号。根据计算得出的控制信号，可获得调节空调系统的制冷或制热能力。

3 系统测试

进行系统测试前，将所有的设备和控制系统安装并连接好，按照设计要求进行调试和调整。针对系统设计的能耗降低率经测试后，获得数据见表1。根据测试结果可知，系统在实际运行中能耗降低10%，表明系统在测试期间取得了良好的节能效果，验证了设计方案的有效性和可行性。通过优化采暖供热模块、通风模块和空调模块，系统能够更高效地利用能源，减少能源浪费，降低对环境产生的负面影响。

表1 基于建筑采暖通风空调工程的节能减排系统测试数据

4 结语

随着社会的发展，人们逐渐意识到建筑采暖通风空调工程中存在的高能耗问题及其所带来的环境影响，设计节能减排系统已成为建筑领域的重要课题。本文针对建筑采暖通风空调工程的特点，设计了一整套面向节能减排的系统方案。通过对采暖供热模块、通风模块和空调模块的设计与优化，该系统充分考虑太阳能的应用、热交换的效率、新风回收和温湿度控制等多个方面，从而全面提高建筑采暖通风空调工程系统的节能减排效果。测试结果验证了该系统的节能效果显著，可为建筑物的使用提供一种可靠高效的采暖通风空调运行模式。

随着技术的更新和用户需求的变化，建筑采暖通风空调工程的节能减排系统仍有很大的改进空间。未来可考虑将更多新兴技术如人工智能、物联网等引入系统，实现对系统的自主控制与学习优化。另外，还可以继续探索建筑围护结构与该系统的耦合关系，研究不同建筑类型下系统的最优配置。本文为建筑采暖通风空调工程的节能减排提供了一种较为全面的系统化设计方案，也可为业内同行提供有益借鉴与启发。希望通过类似研究的推进，建筑行业能逐步走向可持续发展，共创资源节约和环境友好的美好明天。