【摘要】全球氣候變暖已經(jīng)成為困擾人類的主要環(huán)境問(wèn)題，我國(guó)承諾“2030年實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”，建筑和建造業(yè)占了能源消費(fèi)量三成以上，其中主要是建筑環(huán)境設(shè)備的能耗，隨著人們對(duì)生活環(huán)境要求的提高，建筑物的能耗量有可能進(jìn)一步增大，對(duì)建筑環(huán)境設(shè)備的能效要求將變得尤為重要，建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)是建筑環(huán)境和設(shè)備工程中能耗大戶，通過(guò)選擇能效較高、環(huán)境友好型的設(shè)備和工藝，對(duì)設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，采用更先進(jìn)高效的控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)整體的能效水平得到提高，同時(shí)促進(jìn)被動(dòng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用，根據(jù)建筑物實(shí)際環(huán)境條件應(yīng)用太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源，實(shí)現(xiàn)建筑物整體能耗水平的降低，創(chuàng)造出可觀的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)鍵詞】節(jié)能降耗;暖通空調(diào);電氣節(jié)能;被動(dòng)節(jié)能;整體設(shè)計(jì)

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

引言：

從上個(gè)世紀(jì)開(kāi)始，人類大規(guī)模焚燒化石燃料以獲取能源，導(dǎo)致二氧化碳等溫室氣體大量排放，造成了全球氣候變暖的日益嚴(yán)重，近年氣象災(zāi)難頻仍，應(yīng)對(duì)氣候變化成為世界各國(guó)急需面對(duì)的首要環(huán)境問(wèn)題，2020年9月我國(guó)向世界鄭重承諾“2030年實(shí)現(xiàn)碳排放達(dá)峰，2060年實(shí)現(xiàn)碳中和”。而另一方面，隨著人們對(duì)生活環(huán)境要求不斷提高，建筑物的設(shè)計(jì)也更加注重功能和舒適性的需求，建筑環(huán)境設(shè)備更多地被應(yīng)用在建筑物中，同時(shí)建筑物的能耗也就相應(yīng)的更高，如何解決日益高企的建筑能耗與節(jié)能減排的壓力之間的矛盾，成為了設(shè)計(jì)師們的重要課題。

1、建筑環(huán)境和設(shè)備工程節(jié)能技術(shù)應(yīng)用的現(xiàn)狀

1.1項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中建筑環(huán)境設(shè)備節(jié)能投入不平衡

根據(jù)聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署發(fā)布《2021年全球建筑和建造業(yè)現(xiàn)狀報(bào)告》，2020年建筑和建造業(yè)占全球最終能源消費(fèi)量的36%，占與能源相關(guān)二氧化碳排放量的37%。而建筑物的建造過(guò)程能耗占比較小，約占其中五分之一左右，其余均為建筑物運(yùn)行能耗，這其中又以建筑環(huán)境設(shè)備耗能為主，所以降低建筑環(huán)境設(shè)備能耗對(duì)節(jié)能減排的總體部署意義重大。然而實(shí)際上，在大多數(shù)建設(shè)項(xiàng)目中，關(guān)于建筑環(huán)境設(shè)備工程節(jié)能的投入是失衡的，其體現(xiàn)在：

（1）在建筑節(jié)能設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般設(shè)計(jì)師會(huì)把報(bào)建圖審的政策性要求當(dāng)作重點(diǎn)，而往往缺乏對(duì)項(xiàng)目的深度調(diào)查研究，無(wú)法對(duì)項(xiàng)目的實(shí)地環(huán)境、功能需求、當(dāng)?shù)氐纳鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)狀況進(jìn)行綜合全面的了解，通常相對(duì)于建筑專業(yè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)的大篇幅詳盡設(shè)計(jì)，建筑環(huán)境和設(shè)備各專業(yè)的節(jié)能設(shè)計(jì)則顯得比較簡(jiǎn)略、粗淺，同時(shí)也難以保證設(shè)計(jì)方案適用于當(dāng)?shù)氐膶?shí)際環(huán)境，并能產(chǎn)生理想的效果。例如在中南地區(qū)冬季潮濕寒冷、缺乏日照而夏季日照充足卻炎熱的情況下，為了滿足綠建指標(biāo)采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)則經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性就要大打折扣了。

（2）在施工過(guò)程中，無(wú)論建設(shè)方還是施工實(shí)施方均有控制成本壓縮投資的原始沖動(dòng)，而建筑環(huán)境設(shè)備系統(tǒng)其功能和能效與投資是成反比的，通常在資金壓力下，各方往往會(huì)達(dá)成共識(shí)，犧牲系統(tǒng)設(shè)備的節(jié)能性能，而在低價(jià)中標(biāo)的大市場(chǎng)環(huán)境下，這種現(xiàn)象尤為突出，這使得建筑物難以達(dá)到理想的節(jié)能效果。

1.2建筑物在使用運(yùn)行過(guò)程中因管理欠缺使節(jié)能措施難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)有效果

近年城市化的進(jìn)程飛速發(fā)展，城市規(guī)模日趨龐大，新建的高樓有如雨后春筍，比比皆是，然而整個(gè)社會(huì)卻面臨日益嚴(yán)重的勞動(dòng)力緊缺問(wèn)題，尤其缺乏成熟的技術(shù)工人，而運(yùn)維人員技能水平通常決定了設(shè)備系統(tǒng)的運(yùn)行效能，在運(yùn)維人員不足，技能欠缺的條件下，建筑環(huán)境設(shè)備往往難以實(shí)現(xiàn)其理想節(jié)能功效。

1.3人們對(duì)居住環(huán)境的舒適性和便利性要求越來(lái)越高，帶動(dòng)了建筑能耗的增高

經(jīng)過(guò)幾十年經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們生活水平的不斷提高，對(duì)于建筑物的功能需求早已從最初的遮風(fēng)擋雨，進(jìn)化到現(xiàn)在的要更加智能便利的設(shè)施，要有更舒適健康的室內(nèi)環(huán)境，這需要建筑環(huán)境設(shè)備的更大投入作為支撐，同時(shí)意味著建筑物將消耗更多的能源，為建筑節(jié)能降耗到來(lái)更大的壓力。

2、關(guān)于建筑環(huán)境和設(shè)備工程節(jié)能設(shè)計(jì)的探討

2.1建筑暖通與空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)探索

（1）冷熱源配置和設(shè)備選型

對(duì)于采暖和通風(fēng)空調(diào)工程而言，冷熱源的選擇是整個(gè)系統(tǒng)能耗的決定性因素，在冷熱源選擇及設(shè)備選型時(shí)，除了以國(guó)家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)為主要依據(jù)，還需要對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行深入了解，一方面了解業(yè)主的詳細(xì)使用需求，另一方面要了解當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境和氣候特點(diǎn)，還要了解項(xiàng)目所在地的社會(huì)經(jīng)濟(jì)環(huán)境，以下就是冷熱源選擇及設(shè)備選型在節(jié)能方面值得推薦的幾種探索：

淺層地?zé)崮芾茫阂话阒咐?00米以內(nèi)淺層地下水、地表水或土壤巖層吞吐熱量，為空調(diào)系統(tǒng)提供熱能或散熱，在淺層熱能資源豐富的地區(qū)以及有大量工業(yè)熱（冷）廢水可以利用的地區(qū)，采用地源熱泵作為空調(diào)系統(tǒng)的冷熱源較常規(guī)空調(diào)系統(tǒng)可以節(jié)省約30%左右的能源消耗，而淺層地能系統(tǒng)壽命較長(zhǎng)，能達(dá)30年[1]，雖然初期建設(shè)投入較大，但從包含使用的全壽命過(guò)程來(lái)看，相較于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)有更高的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。

蓄冷技術(shù)的應(yīng)用：蓄冷空調(diào)系統(tǒng)通過(guò)利用夜晚用電低谷制備冷水或冰蓄冷，白天不需制冷，直接釋放蓄冷量供冷，單純從空調(diào)系統(tǒng)的角度考慮，蓄冷空調(diào)技術(shù)熱力損失較大，增大了耗電量被認(rèn)為省錢不節(jié)能，但從電力大系統(tǒng)考慮，用低谷電制冷蓄冷技術(shù)提高了低谷電時(shí)段發(fā)電機(jī)組的負(fù)荷率，使發(fā)電機(jī)組的效率得到提升，降低了低谷電時(shí)段發(fā)電單位煤耗，同時(shí)能降低高峰發(fā)電需求，實(shí)現(xiàn)大系統(tǒng)節(jié)能，參考深圳前海供冷3號(hào)站，根據(jù)等效計(jì)算，采用蓄冷空調(diào)技術(shù)考慮用電削峰填谷的節(jié)能效益，系統(tǒng)能效能夠提高16%，達(dá)到4.91[2]。對(duì)于夏季用電量峰谷差距較大地區(qū)，蓄冷技術(shù)的應(yīng)用能有效平衡電網(wǎng)供需，在為業(yè)主節(jié)省電費(fèi)的同時(shí)，還能創(chuàng)造社會(huì)層面的節(jié)能效益。

空氣源熱泵的應(yīng)用：空氣能是一種儲(chǔ)量非常豐富的低品位能，空氣源熱泵通過(guò)從空氣儲(chǔ)熱獲取低位熱能，經(jīng)系統(tǒng)集熱轉(zhuǎn)化為高溫?zé)崮?，用?lái)取暖或制備熱水，夏季也可以通過(guò)向空氣中散熱轉(zhuǎn)化為制冷工況，因其安裝方便，對(duì)環(huán)境污染較小，可以替代鍋爐和冷卻塔，較傳統(tǒng)的空調(diào)形式更節(jié)能，在南方地區(qū)得到廣泛應(yīng)用。

復(fù)合能源利用：各種不同冷熱源均有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在選擇時(shí)可以揚(yáng)長(zhǎng)避短地選擇不同的冷熱源形式進(jìn)行互補(bǔ)，達(dá)到最佳節(jié)能效果，比如空氣源熱泵在寒冷潮濕的氣候條件下制熱工況惡劣，則可以考慮與太陽(yáng)能熱水或與淺層地?zé)崮芟到y(tǒng)相組合達(dá)到取長(zhǎng)補(bǔ)短的效果;在有工業(yè)廢熱可以利用的情況下，可以利用工業(yè)廢熱作為主要或輔助熱源;建筑內(nèi)部的熱量和冷量也可以創(chuàng)造條件為空調(diào)系統(tǒng)所用，或用來(lái)補(bǔ)充供熱或散熱冷卻，這都是對(duì)能源的最大化利用。

（2）系統(tǒng)平面布置和室內(nèi)氣流組織的節(jié)能優(yōu)化

合理的平面布置有助于提升空調(diào)及通風(fēng)系統(tǒng)的運(yùn)行效率，在具體實(shí)踐中可以合理優(yōu)化空調(diào)主機(jī)房的位置，使空調(diào)主機(jī)到各末端設(shè)備的距離盡可能短，通過(guò)縮短載能介質(zhì)傳輸距離，有效減少介質(zhì)傳輸過(guò)程的能量損耗，尤其對(duì)于現(xiàn)在應(yīng)用比較廣泛的VRV多聯(lián)機(jī)中央空調(diào)系統(tǒng)，當(dāng)其冷媒銅管長(zhǎng)度較大時(shí)，能量的衰減將變得非常嚴(yán)重，且需要注入更多的冷媒，另傳輸載能介質(zhì)的風(fēng)管或水管在平面布置中盡可能地平直也是能減少沿途能量損失的重要措施。

室內(nèi)氣流組織形式的節(jié)能特性主要體現(xiàn)在不同氣流組織形式對(duì)空調(diào)效率的影響，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)空調(diào)系統(tǒng)的具體服務(wù)對(duì)象（人或者設(shè)備等）進(jìn)行分析，選擇合適的送回風(fēng)形式，使服務(wù)對(duì)象工作、活動(dòng)區(qū)域能獲得穩(wěn)定、均勻的風(fēng)速場(chǎng)、溫度場(chǎng)、相對(duì)濕度場(chǎng)，而空間其他區(qū)域可適當(dāng)降低空調(diào)負(fù)荷，從而達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

另一個(gè)值得關(guān)注的方向就是建筑被動(dòng)節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用[3]，最突出的例子就是被稱為建筑物免費(fèi)空調(diào)的“太陽(yáng)煙囪”，這項(xiàng)技術(shù)在很多生態(tài)建筑中得到應(yīng)用，根據(jù)熱空氣自然上浮的“煙囪效應(yīng)”，利用建筑物的室內(nèi)中庭或幕墻內(nèi)側(cè)夾層開(kāi)放空間形成一個(gè)“煙囪”，在吸熱單元吸收日照后，開(kāi)放空間內(nèi)空氣受熱增溫，熱空氣從“煙囪”頂部排出，“煙囪”底部形成低壓區(qū)，吸引室外新鮮的涼風(fēng)自然流入室內(nèi)形成循環(huán)。

圖1

圖1由KPF事務(wù)所設(shè)計(jì)的西班牙馬德里恩德薩公司總部中心，其室內(nèi)中庭應(yīng)用了“太陽(yáng)煙囪”效應(yīng)，上部空氣吸收太陽(yáng)輻射熱，從頂部通風(fēng)口逸散，通過(guò)地下通道冷卻的空氣從中庭下部補(bǔ)充進(jìn)室內(nèi)，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)空氣自然調(diào)節(jié)。

（3）建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）智能群控技術(shù)的應(yīng)用

以水系統(tǒng)中央空調(diào)為例，常用的HVAC集中控制系統(tǒng)采用自適應(yīng)控制方法，通過(guò)采集室外溫濕度參數(shù)、末端負(fù)荷參數(shù)、空調(diào)冷熱源水系統(tǒng)溫度、壓力、流量、負(fù)荷、冷熱量等多種變化參數(shù)，動(dòng)態(tài)控制冷水機(jī)組、鍋爐的啟停臺(tái)數(shù)和加減載，使機(jī)組的制冷、制熱能力與系統(tǒng)負(fù)荷相匹配，同時(shí)利用變頻調(diào)速技術(shù)調(diào)整熱水泵、冷凍水泵及冷卻水泵電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)管路水流量調(diào)節(jié)，還可以調(diào)整冷卻塔啟停臺(tái)數(shù)及通過(guò)變頻調(diào)速實(shí)現(xiàn)冷卻塔風(fēng)機(jī)的加減載。

近年人工智能和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展為建筑暖通空調(diào)系統(tǒng)（HVAC）集中控制技術(shù)的升級(jí)迭代創(chuàng)造了條件，目前已有模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方向的探索，智能化模糊控制技術(shù)通過(guò)對(duì)系統(tǒng)采集的運(yùn)行相關(guān)參數(shù)模糊化處理，建立模糊規(guī)則并進(jìn)行推理和篩選，所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可指導(dǎo)管理人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行分級(jí)管理，可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷和環(huán)境等的變化自動(dòng)尋優(yōu)，主要用能設(shè)備可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期處于低速狀態(tài)下平穩(wěn)運(yùn)行，設(shè)備基本上能做到按需所供，時(shí)刻確?？照{(diào)系統(tǒng)處于高效工作狀態(tài)[4]。而利用長(zhǎng)短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（LSTM）可以構(gòu)建出較為準(zhǔn)確的HVAC系統(tǒng)能耗預(yù)測(cè)模型[5]，LSTM模型隨著預(yù)測(cè)時(shí)間的推移具有良好的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性，在考慮數(shù)據(jù)的時(shí)序性和非線性的前提下，可以從歷史數(shù)據(jù)中得到很多有用的信息，有效地提高預(yù)測(cè)能力，在提高HVAC系統(tǒng)整體運(yùn)行能效方面的潛力不容忽視。

2.2建筑電氣節(jié)能技術(shù)探討

（1）配電系統(tǒng)的常見(jiàn)節(jié)能措施

建筑物配電系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，電氣設(shè)備產(chǎn)生的無(wú)功能耗及電能傳輸過(guò)程中線纜發(fā)熱損耗是配電系統(tǒng)主要的能量損失，在電氣設(shè)計(jì)過(guò)程中通常采用以下措施較少電能損失：

在選擇變壓器時(shí)，通過(guò)對(duì)建筑物的用電設(shè)備負(fù)荷情況的充分了解，合理選擇變壓器的臺(tái)數(shù)和功率，每臺(tái)變壓器所分配的負(fù)荷應(yīng)與變壓器的容量相匹配，確保變壓器能在較高的功率因數(shù)下運(yùn)行，選擇節(jié)能高效的變壓器設(shè)備，對(duì)整個(gè)變配電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，減少配電系統(tǒng)的無(wú)功損耗，同時(shí)也可以相應(yīng)減小變壓器的設(shè)計(jì)容量。

在布置配電房的位置、配電小間的位置時(shí)，需考慮配電房到各配電小間，配電小間到各用電設(shè)備的供電半徑，使供電線路路徑最短，選擇電阻相對(duì)較小的線纜產(chǎn)品，合理選擇線徑，在電纜路徑布置時(shí)盡量平直，均可通過(guò)減小線纜電阻實(shí)現(xiàn)電能傳輸損耗的減小[6]。

（2）照明節(jié)能設(shè)計(jì)

現(xiàn)代建筑在其功能和舒適性方面越來(lái)越完備，對(duì)室內(nèi)光環(huán)境的要求也更多樣化，不同的功能區(qū)、不同的人群對(duì)室內(nèi)光照條件有著不同的要求，照明的節(jié)能設(shè)計(jì)需要在確保照明質(zhì)量的前體下，對(duì)照明系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高照明系統(tǒng)的效率。

選擇合適的光源對(duì)提高照明效率有著重大意義，根據(jù)現(xiàn)行照明設(shè)計(jì)規(guī)范，在照明設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)考慮照明的功率密度（LPD值）的強(qiáng)制性要求，所以一般不宜采用白熾燈和粗管熒光燈等低效燈具，通常普通照明可以選用緊湊型熒光燈、細(xì)管熒光燈（T5）等較經(jīng)濟(jì)的高效燈具，如條件允許可以選用LED光源的燈具，LED燈具有更高的節(jié)能性能及使用壽命，對(duì)于一些高大空間，則可采用高光效、顯色性佳的金屬鹵素?zé)艋蚋邏衡c燈，而無(wú)極燈因其高光效、長(zhǎng)壽命、高顯色性是目前最有發(fā)展前景的綠色節(jié)能照明光源。

照明的控制也關(guān)系到建筑物照明系統(tǒng)的整體能效，通常對(duì)于建筑物內(nèi)的公共空間，可以采用生物感應(yīng)延時(shí)開(kāi)關(guān)、聲控延時(shí)開(kāi)關(guān)等節(jié)能開(kāi)關(guān)，也可以采用定時(shí)控制，條件允許的情況下可以采用智能照明控制系統(tǒng)，結(jié)合使用者使用習(xí)慣、建筑物具體運(yùn)營(yíng)、室內(nèi)自然采光等情況設(shè)置控制程序，使照明系統(tǒng)自動(dòng)、高效地運(yùn)行，提高能源的使用效率，同時(shí)還可以減少管理人工成本。

2.3基于整體設(shè)計(jì)理念的設(shè)備工程節(jié)能設(shè)計(jì)探索

整體設(shè)計(jì)就是要求在建筑設(shè)計(jì)過(guò)程中要持有整體思維，既要考慮建筑物及其所處環(huán)境的整體性，也要考慮建筑物的整個(gè)生命周期，綜合考慮建筑的構(gòu)造形式、建造技術(shù)、藝術(shù)表達(dá)、人文環(huán)境、生態(tài)友好等要素，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益最大化[7]。

基于整體設(shè)計(jì)理念，建筑環(huán)境與設(shè)備各系統(tǒng)的節(jié)能降耗策略可以通過(guò)與建筑專業(yè)設(shè)計(jì)統(tǒng)籌，在保證建筑整體效果的前提下，還能實(shí)現(xiàn)良好的節(jié)能降耗效益。比如增加建筑物圍護(hù)結(jié)構(gòu)的絕熱性能可以減小室內(nèi)空調(diào)冷（熱）負(fù)荷，可以減少空調(diào)設(shè)備功率;增大開(kāi)窗面積和透光屋頂?shù)脑O(shè)置可以增加室內(nèi)自然采光，可以減少照明設(shè)備的投入;通過(guò)一體化設(shè)計(jì)，將光伏系統(tǒng)與屋頂或幕墻結(jié)合，將垂直軸風(fēng)機(jī)發(fā)電系統(tǒng)融入建筑物造型，既不影響建筑外觀效果，又可利用可再生能源。這些都是整體設(shè)計(jì)理念與環(huán)境友好建筑理念的完美結(jié)合，也為未來(lái)綠色建筑設(shè)計(jì)指明了方向。

結(jié)語(yǔ)：

減少碳排放是我們每一個(gè)人的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)，減少建筑能耗對(duì)于我國(guó)早日實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰，碳中和”有著舉足輕重的作用，而減少建筑物能耗的關(guān)鍵在于減少建筑環(huán)境設(shè)備系統(tǒng)的能源消耗。通過(guò)提升建筑環(huán)境設(shè)備系統(tǒng)運(yùn)行效率，運(yùn)用被動(dòng)節(jié)能技術(shù)減少設(shè)備投入，促進(jìn)可再生能源的應(yīng)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看不但能帶來(lái)很好的環(huán)境效益，同時(shí)也能帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡(jiǎn)介：

程馳（1982-），男，漢族，湖南長(zhǎng)沙，本科，建筑工程師，主要從事工程管理工作。