基于超高层建筑暖通空调的节能减排设计

引言

超高层建筑因高度高、功能复杂、人员密集等特点，对暖通空调系统的舒适性、安全性和稳定性提出了严苛要求。然而，传统暖通空调系统在满足这些需求的同时，往往存在能耗过高、能源利用效率低等问题，不仅增加了建筑运营成本，还加剧了能源短缺与环境污染。

一、超高层建筑暖通空调系统的能耗特点

负荷波动大，超高层建筑功能分区复杂，不同区域的空调负荷随时间、人员密度、使用功能的变化差异显著。垂直分区能耗差异显著，由于高度效应，建筑不同楼层的室外环境参数差异较大，导致空调负荷垂直分布不均。低区受室外空气渗透影响明显，高区则因风压、热压作用加剧空气交换，增加了空调系统的附加能耗。新风能耗占比高，超高层建筑人员密集，为保障室内空气质量，新风需求量大，而新风处理能耗通常占空调系统总能耗的 30% 以上，是节能的重点环节。

二、现有系统存在的能耗问题

2.1 负荷计算不准确

传统负荷计算未充分考虑超高层建筑的垂直气候差异、气流组织特性及功能分区的动态变化，导致设备选型偏大，“大马拉小车” 现象普遍，造成能源浪费。低区楼层因室外空气渗透量随高度增加而变化，若按固定渗透率计算，易高估负荷；高区楼层受高空强风影响，热交换效率与低区存在显著差异，传统计算方式往往忽略这一因素，导致冷热源设备容量冗余达 15%-20% ，不仅增加初期投资，还使设备长期处于低效运行状态。

2.2 设备能效偏低

部分项目仍采用低能效比的冷水机组、水泵、风机等设备，未结合负荷特性选择变频设备或高效热泵技术，运行效率低下。如一些老旧超高层建筑仍在使用能效等级为 3 级的活塞式冷水机组，较一级能效机组年耗电量高出 40% 以上；水泵和风机多为定频设备，在负荷仅为 50% 的工况下，能耗仍维持在满负荷的 80% 左右，而变频设备可根据负荷动态调节输出，显著降低无用功消耗，这种设备选型的滞后性直接制约了系统节能潜力的发挥。

2.3 系统设计不合理

空调水系统、风系统未进行合理分区，导致高区与低区、不同功能区域的水力失衡，增加了输送能耗；新风系统缺乏热回收装置，排风中的能量未被有效利用。某超高层写字楼未按高度分区，高区末端需克服近 100 米的静水压力，水泵能耗比分区系统高出 30% ；办公区日均新风量达 5 万立方米，但排风直接排入大气，冬季排风中的热量未被回收，相当于每天浪费 400kWh 电能用于加热新风，系统设计的粗放性造成了严重的能源流失。

2.4 控制方式落后

多数系统采用传统的定流量控制或简单的温控方式，无法根据实时负荷变化动态调节设备运行参数，导致系统在部分负荷工况下能耗过高。如商业裙楼在夜间客流减少时，空调箱仍以满负荷运行，风机能耗浪费达 50% ；办公区下班后，冷水机组未及时降低负荷，仍维持较高制冷量，造成冷量过剩。传统控制系统缺乏与室外气象参数、室内人员密度的联动，调节滞后且精度低，使系统全年运行效率较智能控制系统低 25%-30% 。

三、超高层建筑暖通空调节能减排设计策略

3.1 优化空调负荷计算与分区设计

结合超高层建筑的垂直气候特征，采用动态负荷模拟软件，考虑太阳辐射、室外风速、空气渗透等因素对不同楼层负荷的影响。例如，高区楼层需强化外窗保温与遮阳设计，减少冷热负荷；低区楼层则需重点计算人员密集区域的散热与新风负荷，确保负荷数据的准确性，为设备选型提供科学依据。垂直与功能分区设计，根据建筑高度和功能特点，将空调系统划分为多个垂直分区，每个分区设置独立的冷热源和水循环系统，减少系统阻力和输送能耗。

3.2 采用高效节能设备与可再生能源利用

采用能效比（COP）高的变频离心式冷水机组（ COP⩾6.0 ）或磁悬浮冷水机组（ COP⩾7.0 ），适应部分负荷工况高效运行；在过渡季节或有余热的区域，采用空气源热泵或地源热泵替代传统电加热，降低化石能源消耗。例如，在超高层建筑裙楼中设置地源热泵系统，利用地下土壤的恒定温度，为系统换热，可节能 30% 以上。末端选用低噪声、高换热效率的风机盘管和空气处理机组，其能效等级不低于 2 级；水泵与风机采用变频调速技术，根据系统负荷变化动态调节水泵与风机的流量与风压，减少输送能耗，由数据可得变频泵比定频泵可节能 20%～40% 。结合建筑高度和场地条件，在建筑屋顶或幕墙装置太阳能光伏板，为空调系统辅助设备供电；在有条件项目中，采用太阳能集热器提供生活热水与空调预热热源，减少常规能源消耗。

3.3 创新空调系统设计与能量回收技术

办公区排风中的余热通过新风处理机组中设置的全热交换器进行预热或预冷，减小新风处理能耗，如夏季可降低制冷量，冬季可减少加热量，年节能率可达 15%-20% 。采用一次泵变流量系统，以压差控制调节水泵转速，水系统实现流量与负荷动态匹配；垂直分区水系统中设置板式换热器，降低高区系统静水压力，减小设备承压要求和能耗。采用大温差设计，减小循环水量，减小水泵能耗。高大空间采用分层空调，仅对人员活动区域 2-3 米高度的区域进行空调调节，降低无效空间的能耗；通过CFD 模拟优化送风口位置及送风参数，采用下送风、置换通风，提高空调效率，降低空调负荷 10%-15% 。

3.4 应用智能控制与能源管理系统

将建筑信息模型（BIM）与暖通空调系统控制相结合，构建可视化的智能管理平台，实时监测各分区的温度、湿度、能耗数据，实现设备运行状态的动态显示与故障预警。通过平台可远程调节冷水机组、水泵、风机的运行参数，确保系统在最优工况下运行。采用模糊控制、PID 控制等智能算法，根据室内外环境参数（温度、湿度、光照）和人员密度的实时变化，自动调节空调设备的输出功率。例如，办公区下班后自动降低空调负荷，仅维持最小新风量；酒店客房无人时自动切换至节能模式，关闭部分末端设备。建立能源监控系统，对空调系统的能耗进行分项计量，分析能耗异常点并优化运行策略。利用冷水机组的冷凝热制备生活热水，实现能源的梯级利用，提高综合能源效率。

结论

超高层建筑暖通空调系统的节能减排设计是一项系统工程，需要从负荷计算、设备选型、系统优化到智能控制进行全流程创新。通过精细化的分区设计、高效节能设备的应用、能量回收技术的集成及智能控制系统的落地，可有效降低系统能耗 30% 以上，显著提升建筑的绿色低碳水平。未来，随着可再生能源技术与智能算法的进一步发展，超高层建筑暖通空调系统将向 “零碳” 目标迈进。设计人员应结合建筑特点，不断优化节能减排方案，推动超高层建筑实现可持续发展，为城市 “双碳” 目标的达成贡献力量。

参考文献

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