热平衡技术在建筑能耗节能中的应用研究

我国建筑能耗现状可以概括为“建筑能源消耗水平低、能源浪费严重、用能效率不高、能耗增长潜力大”。目前，我国城市综合体节能形式非常严峻。这主要表现在：一方面新建公建中城市综合体的比例不断提高，面积越来越大、档次越来越高。另一方面，既有城市综合体经过十几年的运行，相继进入大修改造期，片面的追求技术上“三十年不落后”、理念上“与国际接轨”等，忽视综合体自身在招商、运营等方面的特性，往往会导致能耗的大幅增加而得不偿失。

国内城市综合体的能耗

大量调查研究表明，与采暖能耗不同，公共建筑除采暖外的单位面积能耗跟地域的关系不大，而是跟公共建筑的体量和规模相关￣。统计数据表明，单栋面积超过２万平米、并且采用中央空调的大型公共建筑，其单位建筑面积能耗是单栋建筑面积小、不采用中央空调的小型公共建筑的３-８倍，并且其能耗特点与存在的问题也与小型公共建筑不同ｍ。大型公共建筑单位建筑面积折合电耗指标为7０-300kWh/(m²·a），中小型公共建筑单位建筑面积折合电耗指标为５０-７０kWh/(m²·a）。

办公楼能耗现状

办公类建筑一般每周运行五天，每天运行９-１２小时，平均运行时间约１０小时，全年使用时间约为２００-２５０天。周末时通常只有局部楼层或区域在使用。不同办公类建筑的能耗差异也比较大，产生这种差异的原因是因为办公楼的档次、位置。档次越高的办公楼单位面积能耗越高。而越是靠近市中心的办公楼因为租价高昂，人员密度越高，所以单位面积能耗也明显高于郊区。在办公楼所用电量中，空调系统所占比例最大，达４０％-５０％，其次为办公用电，包括照明和办公设备，如打印机、电脑，电梯在上下班高峰期使用率较高，其它时间使用率并不高。耗能占比不大，一般都在５％以内。

商场能耗现状

商场类建筑一般面积较大，层高５-６ｍ，新建建筑往往有多层挑空空间，屋面采用自然采光，平均每日运行1２小时以上，全年运行，能耗比办公类、酒店类建筑高出较多。商场类建筑通常包括百货商场、超市、书店、服装店、餐饮店、影院、冰场、儿童乐园等功能组成。在各功能区中，以餐饮店的能耗为最高，年每平米耗电量高达３００-５００kWh/(m2·a）。超市都配有大量的冷藏设施、设备，通常也有简单的烹饪摊位，年每平米耗电量也达３００kWh/(m2·a）左右。商场类建筑建筑面积体量较大，通常达５万ｍ２以上，大型商场建筑面积甚至达３０多万ｍ２。

酒店能耗现状

酒店类建筑与的特点与办公类、商场类建筑有非常大的差别。酒店都是２４小时营业的，不同功能区的使用时间差别很大，如客房主要是在晚上使用率较高，宴会厅主要使用时间段为中午和晚上，一般以晚上居多，全日餐则早中晚使用率都比较高。

大多数时间酒店设施设备都是在部分负荷下工作。但不同类型的用能能耗是不同的，如在酒店类建筑的全年能耗中，照明、动力的电耗基本上是稳定的，而供冷、采暖能耗则是随着季节而波动的。

目前国内城市综合体节能技术存在的问题

统设备容量普遍偏大。目前国内城市综合体的机电系统通常是按照每种建筑类型分别配置一套。这种配置存在的问题是每套系统的设备容量均按该类型建筑的最大计算负荷选取，导致综合体设备总容量偏大。

热回收范围应用窄。热回收集中在排风、冷机冷凝热、锅炉烟气余热。在对排风进行热回收时，通常选取客房排风、空调箱排风进行热回收，对变压器房、洗衣房等存在大量排风余热的场所未回收，导致有相当大一部分热量被浪费掉。

免费供冷使用率低。在新建项目中，冷却塔免费供冷得到推广，使用率在逐渐增大，但空气侧免费制冷应用较少，即使是有应用的项目，系统管路设计未按全新风工况进行设计，系统也仅能实现部分新风供冷。

采用多种冷热源结合的复合式能源系统偏低。复合式能源系统是指区别于传统的单一制冷／制热系统，通常由两种或两种以上制冷／制热系统构成，根据不同系统高效运行时段不同进行合理组合以提高能源效率的系统形式。

利用板式换热器作为媒介，把办公楼、酒店、商场之间的余热／余冷进行转移，与常规设计相比，避免了冷热抵消带来的能量损耗，减少了冷水机组的开启时间，从而既节省了冷水机组的运行费用、又节省了冷热抵消的能耗损失，更为节能。

将水环热泵与冷水机组的冷却水联系起来，在已经采用冷凝热回收式冷水机组回收热量的基础上，把冷水机组的冷却水与水环热泵的水环联系起来，对冷水机组的冷凝热进行梯级回收利用。

建筑热平衡理论

在工程热物理中，当物体同外界接触时，其内部各处温度均匀且等于外界温度的状态称之为热平衡。用公式表示为Q_吸=Q_放，即吸收的热量等于放出的热量。

当热平衡处于一个动态变化过程中时，称之为动态热平衡。建筑物的热平衡即是一种动态热平衡。

建筑物为了满足使用要求，必须处于某种温度状态，且这种状态受到内外部因素的影响随时在变化，随着建筑外部温度的变化，建筑内部有些地方内部产生的热量不足以抵消向外散发的热量，这些地方需要供暖；在同一时刻，建筑物内部的另外一些地方则产生的热量大于向外散发的热量，这些地方需要供冷。将建筑物内部按不同分隔空间分别计算，用Ｑ代表分隔空间的冷热负荷，冷负荷为正、热负荷为负。建筑物对外的放热或吸热量表现为下列公式：

∑Q=Q₁+Q₂+····+Q_n  (2-1)

当∑Q＞０时，建筑物整体表现为冷负荷，需要供冷，反之，则表现为热负荷，需要供暖。

设Ｅ代表能耗，ε代表能效比，E₁ε₁、E₂ε₂、····、E_nε_n可以用来代表Ｑ₁、Ｑ_２、…、Ｑ_n，∑Ｅ代表了建筑物的总能耗，即∑Ｅ代表的是各项Ｑ所对应能耗的总和。在以往的建筑机电系统设计中，通常是先对每一个Ｑ进行处理，即如果Ｑ〉０则开启冷源供冷，如果Ｑ＜０则开启热源供暖。此时：

∑Q＝|Q₁|+|Q₂|+....+|Q_n|     (2-2)

而根据热平衡理论，则是先对Q₁+Q₂+····+Q_n求代数和，由此可知：（２－１）的和小于等于（２－２）。

５-１０月Ｑ₁、Ｑ_２、…、Ｑ_n均为正，即建筑物只有供冷需求，当城市综合体处于另外６个月时间段内时，则既有供冷需求、也有供暖需求。这就提示我们是否可以把内部多余的冷量或热量进行回收，转移给需要供冷、或供热的地方。考虑到当外部气温合适时，可以通过空气侧或冷却水供冷，故将包裹在综合体外部的大气与综合体视为一个整体，可将大气视为一个热容量无限大的容器，综合体的吸热、放热都在这个整体范围内进行。这部分余热量较大，还需利用室外温度较低的空气或冷却塔直接供水给内区降温，这样可以避免或降低冷热源能量抵消带来的能量损失。这里所说的内区、外区不仅是针对单一建筑，在冬季时办公楼全楼需要供暖，而商场内区仍需供冷，所以此时的外区就包含了商场的外区、办公楼全楼，甚至可以包括酒店，这种节能理念是建立在综合体的整体和室外大气的热平衡上的。

建筑热平衡技术分类

热平衡就是通过自然冷却或热回收等技术把冷量、热量在建筑内部与室外或建筑内部不同部位或不同建筑之间进行转移的技术。是从整体上先对内部冷热进行平衡后，对不足或多余的冷热量再通过开启冷热源进行补偿的技术。常用的自然冷却有空气自然冷却、冷却塔免费供冷，这两种技术都是在室外气温迖到一定数值时利用室外空气直接或间接向室内供冷的技术。

热回收技术则较多，如排风热回收、空气源热泵、冷凝热回收、地源／水源热泵、水环热泵等，热回收技术就是把室内的冷量或热量通过交换设备进行交换后，再次送回房间内的技术。

从上述分析可以看出，热平衡技术就是那些能够利用自然冷热源或建筑体内热回收的技术，所有的热平衡技术都是节能技术，但节能技术不一定是热平衡技术，如应用变频器可以降低水泵、风机的运行能耗，是一种普遍使用的节能技术，但其不属于热平衡技术，热平衡技术被包含于节能技术中。热平衡技术按热回收技术、自然冷却技术分类如下：