零能耗建筑的暖通節(jié)能設(shè)計研究

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隨著經(jīng)濟的發(fā)展與社會的進步，人們的生活水平日益提升，對當(dāng)前建筑住宅的居住需求也在不斷提升。為滿足人們的基本居住需求，符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的建筑理念，越來越多的建筑施工技術(shù)人員開始著力研究零能耗建筑，并對其中的暖通系統(tǒng)進行節(jié)能設(shè)計，以此提升人們的居住舒適感及生活幸福感。同時，在一定程度上降低房屋的碳排放，改善生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，推動實現(xiàn)綠色建筑及健康生活的可持續(xù)發(fā)展。

1零能耗建筑概述

零能耗建筑也被稱為零能源建筑，是一種消耗非常規(guī)能源的建筑，其運行能源主要依靠太陽能及其他可再生能源。應(yīng)用該建筑的主要目的是最大限度降低二氧化碳的實際排放量，很多西方發(fā)達(dá)國家早已對其進行研究，如瑞士、德國和加拿大等[1]。零能耗建筑在實際運行過程中，一般不會消耗石油、煤炭以及電力等常規(guī)的不可再生能源，其圍護結(jié)構(gòu)一般為被動式節(jié)能設(shè)計，這也是該建筑的最大特點之一。同時，零能源建筑會將風(fēng)能、太陽能以及生物質(zhì)能等可再生能源作為運行能源，改善建筑周圍的生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，滿足人們?nèi)找嬖鲩L的生態(tài)住宅需求，以實現(xiàn)人與自然的和諧共處。零能耗的設(shè)計理念十分符合我國推行的節(jié)能減排戰(zhàn)略，由該理念設(shè)計出的建筑也十分符合當(dāng)前我國社會發(fā)展需求的建筑形式。零能耗建筑設(shè)計及其實踐應(yīng)用，是推動我國可持續(xù)生態(tài)文明建筑發(fā)展的強大理論支持。隨著零能耗建筑設(shè)計理論的完善與普及，我國很多地區(qū)都已經(jīng)開始推行零能耗建筑，在切實提高建筑項目自身建設(shè)性能的基礎(chǔ)上，借助熱源節(jié)能技術(shù)及變頻技術(shù)有效降低建筑項目的總體能源消耗，為人們提供一個綠色健康的居住環(huán)境，有效提高人們的生活幸福感及居住滿意度，進一步促進我國社會的和諧發(fā)展。自2000年以來，我國建筑領(lǐng)域便開始著力研究以可持續(xù)發(fā)展為核心技術(shù)的住宅科技，秉持可持續(xù)發(fā)展原則，對國外的建筑科學(xué)進行引進、消化、吸收和創(chuàng)新。一些建筑學(xué)家曾指出，我國的建筑形式多為高能耗建筑，往往會帶來一定的環(huán)境污染問題。我國人口眾多，資源緊張，高能耗建筑已不符合當(dāng)前可持續(xù)發(fā)展的基本原則。不管是從環(huán)境資源角度，還是居民的長久利益角度，都需要切實研究與發(fā)展零能耗建筑，為我國的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

2零能耗建筑的設(shè)計現(xiàn)狀

2.1循環(huán)水泵設(shè)計問題在當(dāng)前的零能耗建筑中，暖通空調(diào)系統(tǒng)的循環(huán)水泵普遍存在著設(shè)計問題。通常情況下，零能耗建筑中所使用的循環(huán)水泵實際容量相對較大，已超出建筑的實際使用需求。出現(xiàn)這種設(shè)計錯誤的主要原因在于，零能耗建筑設(shè)計中的熱負(fù)荷參數(shù)不夠精準(zhǔn)；同時，將暖通空調(diào)系統(tǒng)中的靜水壓力參數(shù)計算到循環(huán)系統(tǒng)的阻力數(shù)值中，造成計算失真，使循環(huán)水泵的容量計算失誤，導(dǎo)致零能耗建筑中的資源分配出現(xiàn)失衡，整體的節(jié)能運行效率受到嚴(yán)重影響[2]。

2.2防火與防煙閥設(shè)計問題在零能耗建筑中，經(jīng)常存在一些防火與防煙閥設(shè)計不夠精準(zhǔn)的問題，且兩種閥門還存在混合使用的情況，從而導(dǎo)致暖通系統(tǒng)出現(xiàn)一定的通風(fēng)問題。此外，一些暖通系統(tǒng)的設(shè)計人員業(yè)務(wù)水平相對有限，對防火以及防煙閥的設(shè)置不夠嚴(yán)謹(jǐn)，在設(shè)計過程中缺少相應(yīng)的保護措施，從而導(dǎo)致無法有效發(fā)揮出通風(fēng)系統(tǒng)的實際作用。

2.3暖通系統(tǒng)設(shè)計問題在以往的暖通系統(tǒng)設(shè)計過程中，其溫度調(diào)節(jié)設(shè)備一般都會應(yīng)用在燃?xì)庑图叭加托驮O(shè)備中，從而造成暖通系統(tǒng)的建設(shè)成本相對較高。若設(shè)計方案存在問題，不僅會導(dǎo)致零能耗建筑存在一定的安全隱患，也會進一步提高運行成本。例如，如果地源熱泵系統(tǒng)不能滿足含水層的回灌要求，將會導(dǎo)致無法有效控制其制冷調(diào)節(jié)劑，進而對建筑室內(nèi)的熱冷負(fù)荷造成影響。此外，在設(shè)計零能耗建筑的暖通系統(tǒng)過程中，其施工設(shè)計流程相對較為嚴(yán)格，所需資金數(shù)量較大，同時還存在施工難度大以及施工質(zhì)量有待提高等問題。

3零能耗建筑的暖通節(jié)能設(shè)計要點

零能耗建筑的設(shè)計理念能在科學(xué)合理的范圍內(nèi)全方位利用自然資源，有效降低建筑環(huán)境的污染與破壞，從而可以更好地為當(dāng)?shù)爻鞘刑峁┤媪Ⅲw的可持續(xù)發(fā)展規(guī)劃。在零能耗建筑設(shè)計過程中，設(shè)計人員應(yīng)最大限度減少不可再生能源的使用，以全方位降低城市中的二氧化碳排放量。絕大多數(shù)的零能耗建筑都是坐北朝南，這樣設(shè)計有助于建筑更好地吸收太陽能，從而有效降低暖通系統(tǒng)的使用功率，減少電力能源的消耗。從零能耗建筑的設(shè)計全局來看，其設(shè)計目的還涵蓋了降低城市電力供應(yīng)，減少城市中發(fā)電站的建設(shè)數(shù)量，真正推動了當(dāng)前城市環(huán)境的綠色健康與可持續(xù)發(fā)展。

3.1工程概況為了更好地闡述零能耗建筑的設(shè)計理念，本文以我國南方某城市的零能耗建筑工程項目為案例，對其進行分析與研討。案例工程位于某市的光伏產(chǎn)業(yè)園，總建設(shè)資金投入約為2億元，建筑項目地上為7層；玻璃幕墻高度約為37m，面積約為1.8萬m2。在實際建設(shè)中，建筑單位首次引進零能耗的建設(shè)施工概念，主要使用光伏幕墻為建筑項目提供太陽能電力；同時，借助地?zé)岷涂諝鉄岜玫扰ü?jié)能技術(shù)，真正實現(xiàn)零能耗的建筑目標(biāo)。該建筑工程設(shè)計容量為1MW，全年發(fā)電量預(yù)計70萬kW·h，可以為當(dāng)前建筑提供約80%的耗電量，若以使用25年為例，產(chǎn)生的電量大約為1737.5萬kW·h。經(jīng)計算，每年可代替煤炭資源約為為240t，減少碳排放量約432t[3]。

3.2熱源節(jié)能設(shè)計在當(dāng)前的零能耗建筑中，暖通空調(diào)系統(tǒng)的熱源設(shè)計需要與建筑中其他設(shè)施相匹配，不能出現(xiàn)互相影響的情況。針對暖通空調(diào)的熱源設(shè)計，其最為關(guān)鍵之處就是對熱源泵的甄選。設(shè)計人員在選擇熱源泵的過程中，應(yīng)全方位考量零能耗建筑的實際情況，同時了解與掌握熱源泵市場的基本情況，特別是要了解一些較為常見的熱源泵的規(guī)格及性能。設(shè)計人員可以優(yōu)先選擇地源熱泵作為熱源泵，其節(jié)能性相對較好，但是對零能耗建筑的熱源系統(tǒng)要求也相對較高。值得注意的是，由于地質(zhì)條件及環(huán)保工作的要求，地源熱泵的實際應(yīng)用也存在一定的局限性。在可持續(xù)發(fā)展的原則下，空氣源泵等多元化的熱泵形式應(yīng)運而生，該種熱泵最大的特點就是可以有效吸收自然界的能量，并且在熱量供應(yīng)的過程中不會產(chǎn)生污染物質(zhì)。其生態(tài)效益和環(huán)保效益都相對較高，但是也存在一定的缺陷，如熱量轉(zhuǎn)換效率相對較低。因此，設(shè)計人員需要全面調(diào)研零能耗建筑的實際熱量使用情況，甄選出最為合適的熱源形式，以切實提升暖通系統(tǒng)的節(jié)能性，保證設(shè)計方案的客觀與精準(zhǔn)[4]。隨著熱源節(jié)能設(shè)計的不斷完善與發(fā)展，零能耗建筑中循環(huán)水泵的設(shè)計也將得到有效完善，不僅可以最大限度提高熱負(fù)荷參數(shù)的計算精準(zhǔn)度，還可以有效、合理分配零能耗建筑中的資源。熱泵作為一種經(jīng)濟性與技術(shù)性都占據(jù)優(yōu)勢的暖通節(jié)能技術(shù)，與以往的電鍋爐相比，不僅用能手段相對清潔，而且熱泵空調(diào)系統(tǒng)的電能消耗也僅為傳統(tǒng)電鍋爐的1/3，能夠極大地幫助建筑節(jié)約運行成本。熱泵節(jié)能還可以充分滿足居民的熱水供應(yīng)需求，并利用制冷的余熱對水源進行加熱，無需再消耗其他能量。熱泵所利用的低溫?zé)嵩匆话銥榄h(huán)境中的多元化廢熱，屬于典型的可再生能源；當(dāng)使用熱泵對零能耗建筑進行供熱時，可以最大限度降低對不可再生能源的消耗，減少碳排放。風(fēng)能也是熱源節(jié)能設(shè)計中不可或缺的重要組成部分，當(dāng)零能耗建筑外部的空氣溫度低于室內(nèi)時，設(shè)計人員可以充分利用室外的自然冷空氣滿足當(dāng)前室內(nèi)的冷負(fù)荷需求。由于借助自然風(fēng)能有效滿足了當(dāng)前零能耗建筑的冷負(fù)荷需求，且在運行過程中減少了電力能源的使用，因此在一定程度上節(jié)約了能源，降低了環(huán)境污染，并有效改善了居民的室內(nèi)空氣質(zhì)量。此外，太陽能也是零能耗建筑熱源節(jié)能設(shè)計中的關(guān)鍵一環(huán)。太陽能的主要利用形式分為主動式和被動式，其中被動式是指零能耗建筑可以通過墻體及窗戶等集熱組件來收集太陽能。例如，案例工程中的玻璃幕墻，雖然集熱形式較易受到外部溫度的影響，但是其運行成本相對較低。主動式涵蓋了太陽能采暖及太陽能制冷，其中太陽能采暖是指使用電力能源作為輔助，以此驅(qū)動由太陽能加熱的水源，在管道中進行循環(huán)流動，從而對室內(nèi)房間進行供熱。而太陽能制冷是將收集到的太陽能轉(zhuǎn)化成為電能，并將轉(zhuǎn)化后的電能傳輸至零能耗建筑的制冷系統(tǒng)，通過電能驅(qū)動制冷系統(tǒng)。太陽能作為熱源節(jié)能設(shè)計的重要內(nèi)容，能夠有效完善當(dāng)前的暖通系統(tǒng)設(shè)計，特別是溫度調(diào)節(jié)設(shè)備，不僅可以降低暖通系統(tǒng)的建設(shè)成本，還可以科學(xué)控制制冷調(diào)節(jié)劑。

3.3變頻技術(shù)設(shè)計在當(dāng)前的暖通系統(tǒng)中，變頻技術(shù)已成為其主要的發(fā)展趨勢之一，該技術(shù)的優(yōu)勢很多，使其在諸多領(lǐng)域中都有著廣泛的應(yīng)用。將變頻節(jié)能技術(shù)充分應(yīng)用于暖通節(jié)能設(shè)計中，不僅可以有效降低暖通系統(tǒng)的能耗量，而且還能根據(jù)用戶的實際需求甄選最為合適的系統(tǒng)運行模式，操作靈活，并能在一定程度上節(jié)約系統(tǒng)的運行成本。同時，變頻節(jié)能技術(shù)可以彌補暖通系統(tǒng)中的不足，優(yōu)化與升級系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。目前，在暖通系統(tǒng)的實際設(shè)計過程中，不可避免會出現(xiàn)一定的設(shè)計冗余，使暖通設(shè)備無法滿負(fù)荷工作，并且暖通設(shè)備在運行過程中會受到室外溫度的影響，導(dǎo)致發(fā)生相應(yīng)的變化。另外，暖通設(shè)備的運行還會受到用戶使用情況的影響，變頻節(jié)能技術(shù)可以最大限度降低不必要的浪費。暖通設(shè)備可以借助變頻節(jié)能技術(shù)，調(diào)節(jié)自身的實際工作頻率，在滿足居民基本使用需求的同時，降低暖通設(shè)備的能源消耗[5]。變風(fēng)量技術(shù)及變水量技術(shù)可以在一定程度上調(diào)節(jié)暖通設(shè)備的送風(fēng)量及送水量，從而起到節(jié)能的作用。其中，變風(fēng)量技術(shù)是通過暖通設(shè)備的末端裝置感應(yīng)室內(nèi)的負(fù)荷變化，以此調(diào)節(jié)補償暖通設(shè)備的送風(fēng)量，使得室內(nèi)溫度可以保持在一個體感舒適的范圍內(nèi)。與以往的暖通設(shè)備送風(fēng)量調(diào)節(jié)設(shè)備相比，其可以節(jié)約一半的能源消耗量。在變風(fēng)量技術(shù)的控制下，零能耗建筑中的防火及防煙閥設(shè)計將得到有效優(yōu)化，切實提高其通風(fēng)性。變水量技術(shù)則是利用暖通風(fēng)機的盤管控制暖通設(shè)備的水流，從而實現(xiàn)對溫度的把控。與以往的定流調(diào)節(jié)系統(tǒng)相比，變水量技術(shù)可以根據(jù)暖通設(shè)備的實際使用情況，自由調(diào)節(jié)送水量，最大限度節(jié)約了能耗[6]。

4結(jié)語

切實做好零能耗建筑的暖通節(jié)能設(shè)計，不僅可以最大限度降低零能耗建筑的二氧化碳排放量，還可以有效改善生態(tài)環(huán)境，提高居民的生活舒適度及居住幸福感，促進社會和諧。因此，有關(guān)設(shè)計人員需要切實掌握好暖通節(jié)能的設(shè)計要點，并在實際施工中全面落實，使其可以充分發(fā)揮應(yīng)有的作用，有效提高建筑的節(jié)能性，從而促進我國建筑領(lǐng)域的健康可持續(xù)發(fā)展。

作者:楊帆 單位:甘肅省建材科研設(shè)計院有限公司職工