熱平衡技術(shù)在建筑能耗節能中的應用研究

我國建筑能耗現狀可以概括為“建筑能源消耗水平低、能源浪費嚴重、用能效率不高、能耗增長(cháng)潛力大”。目前，我國城市綜合體節能形式非常嚴峻。這主要表現在：一方面新建公建中城市綜合體的比例不斷提高，面積越來(lái)越大、檔次越來(lái)越高。另一方面，既有城市綜合體經(jīng)過(guò)十幾年的運行，相繼進(jìn)入大修改造期，片面的追求技術(shù)上“三十年不落后”、理念上“與國際接軌”等，忽視綜合體自身在招商、運營(yíng)等方面的特性，往往會(huì )導致能耗的大幅增加而得不償失。

國內城市綜合體的能耗

大量調查研究表明，與采暖能耗不同，公共建筑除采暖外的單位面積能耗跟地域的關(guān)系不大，而是跟公共建筑的體量和規模相關(guān)￣。統計數據表明，單棟面積超過(guò)２萬(wàn)平米、并且采用中央空調的大型公共建筑，其單位建筑面積能耗是單棟建筑面積小、不采用中央空調的小型公共建筑的３-８倍，并且其能耗特點(diǎn)與存在的問(wèn)題也與小型公共建筑不同ｍ。大型公共建筑單位建筑面積折合電耗指標為7０-300kWh/(m²·a），中小型公共建筑單位建筑面積折合電耗指標為５０-７０kWh/(m²·a）。

辦公樓能耗現狀

辦公類(lèi)建筑一般每周運行五天，每天運行９-１２小時(shí)，平均運行時(shí)間約１０小時(shí)，全年使用時(shí)間約為２００-２５０天。周末時(shí)通常只有局部樓層或區域在使用。不同辦公類(lèi)建筑的能耗差異也比較大，產(chǎn)生這種差異的原因是因為辦公樓的檔次、位置。檔次越高的辦公樓單位面積能耗越高。而越是靠近市中心的辦公樓因為租價(jià)高昂，人員密度越高，所以單位面積能耗也明顯高于郊區。在辦公樓所用電量中，空調系統所占比例最大，達４０％-５０％，其次為辦公用電，包括照明和辦公設備，如打印機、電腦，電梯在上下班高峰期使用率較高，其它時(shí)間使用率并不高。耗能占比不大，一般都在５％以?xún)取?o:p>

商場(chǎng)能耗現狀

商場(chǎng)類(lèi)建筑一般面積較大，層高５-６ｍ，新建建筑往往有多層挑空空間，屋面采用自然采光，平均每日運行1２小時(shí)以上，全年運行，能耗比辦公類(lèi)、酒店類(lèi)建筑高出較多。商場(chǎng)類(lèi)建筑通常包括百貨商場(chǎng)、超市、書(shū)店、服裝店、餐飲店、影院、冰場(chǎng)、兒童樂(lè )園等功能組成。在各功能區中，以餐飲店的能耗為最高，年每平米耗電量高達３００-５００kWh/(m2·a）。超市都配有大量的冷藏設施、設備，通常也有簡(jiǎn)單的烹飪攤位，年每平米耗電量也達３００kWh/(m2·a）左右。商場(chǎng)類(lèi)建筑建筑面積體量較大，通常達５萬(wàn)ｍ２以上，大型商場(chǎng)建筑面積甚至達３０多萬(wàn)ｍ２。

酒店能耗現狀

酒店類(lèi)建筑與的特點(diǎn)與辦公類(lèi)、商場(chǎng)類(lèi)建筑有非常大的差別。酒店都是２４小時(shí)營(yíng)業(yè)的，不同功能區的使用時(shí)間差別很大，如客房主要是在晚上使用率較高，宴會(huì )廳主要使用時(shí)間段為中午和晚上，一般以晚上居多，全日餐則早中晚使用率都比較高。

大多數時(shí)間酒店設施設備都是在部分負荷下工作。但不同類(lèi)型的用能能耗是不同的，如在酒店類(lèi)建筑的全年能耗中，照明、動(dòng)力的電耗基本上是穩定的，而供冷、采暖能耗則是隨著(zhù)季節而波動(dòng)的。

目前國內城市綜合體節能技術(shù)存在的問(wèn)題

統設備容量普遍偏大。目前國內城市綜合體的機電系統通常是按照每種建筑類(lèi)型分別配置一套。這種配置存在的問(wèn)題是每套系統的設備容量均按該類(lèi)型建筑的最大計算負荷選取，導致綜合體設備總容量偏大。

熱回收范圍應用窄。熱回收集中在排風(fēng)、冷機冷凝熱、鍋爐煙氣余熱。在對排風(fēng)進(jìn)行熱回收時(shí)，通常選取客房排風(fēng)、空調箱排風(fēng)進(jìn)行熱回收，對變壓器房、洗衣房等存在大量排風(fēng)余熱的場(chǎng)所未回收，導致有相當大一部分熱量被浪費掉。

免費供冷使用率低。在新建項目中，冷卻塔免費供冷得到推廣，使用率在逐漸增大，但空氣側免費制冷應用較少，即使是有應用的項目，系統管路設計未按全新風(fēng)工況進(jìn)行設計，系統也僅能實(shí)現部分新風(fēng)供冷。

采用多種冷熱源結合的復合式能源系統偏低。復合式能源系統是指區別于傳統的單一制冷／制熱系統，通常由兩種或兩種以上制冷／制熱系統構成，根據不同系統高效運行時(shí)段不同進(jìn)行合理組合以提高能源效率的系統形式。

利用板式換熱器作為媒介，把辦公樓、酒店、商場(chǎng)之間的余熱／余冷進(jìn)行轉移，與常規設計相比，避免了冷熱抵消帶來(lái)的能量損耗，減少了冷水機組的開(kāi)啟時(shí)間，從而既節省了冷水機組的運行費用、又節省了冷熱抵消的能耗損失，更為節能。

將水環(huán)熱泵與冷水機組的冷卻水聯(lián)系起來(lái)，在已經(jīng)采用冷凝熱回收式冷水機組回收熱量的基礎上，把冷水機組的冷卻水與水環(huán)熱泵的水環(huán)聯(lián)系起來(lái)，對冷水機組的冷凝熱進(jìn)行梯級回收利用。

建筑熱平衡理論

在工程熱物理中，當物體同外界接觸時(shí)，其內部各處溫度均勻且等于外界溫度的狀態(tài)稱(chēng)之為熱平衡。用公式表示為Q_吸=Q_放，即吸收的熱量等于放出的熱量。

當熱平衡處于一個(gè)動(dòng)態(tài)變化過(guò)程中時(shí)，稱(chēng)之為動(dòng)態(tài)熱平衡。建筑物的熱平衡即是一種動(dòng)態(tài)熱平衡。

建筑物為了滿(mǎn)足使用要求，必須處于某種溫度狀態(tài)，且這種狀態(tài)受到內外部因素的影響隨時(shí)在變化，隨著(zhù)建筑外部溫度的變化，建筑內部有些地方內部產(chǎn)生的熱量不足以抵消向外散發(fā)的熱量，這些地方需要供暖；在同一時(shí)刻，建筑物內部的另外一些地方則產(chǎn)生的熱量大于向外散發(fā)的熱量，這些地方需要供冷。將建筑物內部按不同分隔空間分別計算，用Ｑ代表分隔空間的冷熱負荷，冷負荷為正、熱負荷為負。建筑物對外的放熱或吸熱量表現為下列公式：

∑Q=Q₁+Q₂+····+Q_n  (2-1)

當∑Q＞０時(shí)，建筑物整體表現為冷負荷，需要供冷，反之，則表現為熱負荷，需要供暖。

設Ｅ代表能耗，ε代表能效比，E₁ε₁、E₂ε₂、····、E_nε_n可以用來(lái)代表Ｑ₁、Ｑ_２、…、Ｑ_n，∑Ｅ代表了建筑物的總能耗，即∑Ｅ代表的是各項Ｑ所對應能耗的總和。在以往的建筑機電系統設計中，通常是先對每一個(gè)Ｑ進(jìn)行處理，即如果Ｑ〉０則開(kāi)啟冷源供冷，如果Ｑ＜０則開(kāi)啟熱源供暖。此時(shí)：

∑Q＝|Q₁|+|Q₂|+....+|Q_n|     (2-2)

而根據熱平衡理論，則是先對Q₁+Q₂+····+Q_n求代數和，由此可知：（２－１）的和小于等于（２－２）。

５-１０月Ｑ₁、Ｑ_２、…、Ｑ_n均為正，即建筑物只有供冷需求，當城市綜合體處于另外６個(gè)月時(shí)間段內時(shí)，則既有供冷需求、也有供暖需求。這就提示我們是否可以把內部多余的冷量或熱量進(jìn)行回收，轉移給需要供冷、或供熱的地方?？紤]到當外部氣溫合適時(shí)，可以通過(guò)空氣側或冷卻水供冷，故將包裹在綜合體外部的大氣與綜合體視為一個(gè)整體，可將大氣視為一個(gè)熱容量無(wú)限大的容器，綜合體的吸熱、放熱都在這個(gè)整體范圍內進(jìn)行。這部分余熱量較大，還需利用室外溫度較低的空氣或冷卻塔直接供水給內區降溫，這樣可以避免或降低冷熱源能量抵消帶來(lái)的能量損失。這里所說(shuō)的內區、外區不僅是針對單一建筑，在冬季時(shí)辦公樓全樓需要供暖，而商場(chǎng)內區仍需供冷，所以此時(shí)的外區就包含了商場(chǎng)的外區、辦公樓全樓，甚至可以包括酒店，這種節能理念是建立在綜合體的整體和室外大氣的熱平衡上的。

建筑熱平衡技術(shù)分類(lèi)

熱平衡就是通過(guò)自然冷卻或熱回收等技術(shù)把冷量、熱量在建筑內部與室外或建筑內部不同部位或不同建筑之間進(jìn)行轉移的技術(shù)。是從整體上先對內部冷熱進(jìn)行平衡后，對不足或多余的冷熱量再通過(guò)開(kāi)啟冷熱源進(jìn)行補償的技術(shù)。常用的自然冷卻有空氣自然冷卻、冷卻塔免費供冷，這兩種技術(shù)都是在室外氣溫迖到一定數值時(shí)利用室外空氣直接或間接向室內供冷的技術(shù)。

熱回收技術(shù)則較多，如排風(fēng)熱回收、空氣源熱泵、冷凝熱回收、地源／水源熱泵、水環(huán)熱泵等，熱回收技術(shù)就是把室內的冷量或熱量通過(guò)交換設備進(jìn)行交換后，再次送回房間內的技術(shù)。

從上述分析可以看出，熱平衡技術(shù)就是那些能夠利用自然冷熱源或建筑體內熱回收的技術(shù)，所有的熱平衡技術(shù)都是節能技術(shù)，但節能技術(shù)不一定是熱平衡技術(shù)，如應用變頻器可以降低水泵、風(fēng)機的運行能耗，是一種普遍使用的節能技術(shù)，但其不屬于熱平衡技術(shù)，熱平衡技術(shù)被包含于節能技術(shù)中。熱平衡技術(shù)按熱回收技術(shù)、自然冷卻技術(shù)分類(lèi)如下：