可再生能源驱动下的暖通系统集成优化研究

建筑行业能源消耗大、碳排放强度高，是能源结构优化与低碳发展的重点领域。近年来，太阳能、地热能、生物质能等清洁能源技术快速发展，推动了可再生能源在暖通空调系统中的应用。多能源系统的集成与协同优化，已成为提高能源利用效率、降低建筑能耗与碳排放的有效途径。但受制于资源分布、系统集成复杂性及运行管理水平限制，推广与高效应用仍面临挑战。深入探索集成路径与优化方法，对实现建筑行业绿色低碳转型具有重要意义。

一、可再生能源在暖通系统中的集成现状与发展趋势

（一）可再生能源资源概述

可再生能源作为暖通系统低碳转型的重要支撑，主要包括太阳能、地热能、生物质能以及部分余热回收形式。太阳能资源受地域纬度、气候条件影响较大，中国华北、西北、华南地区年均太阳总辐射量可达 4500～7000MJ/m² ，具备良好开发基础。地热能资源包括浅层地热能与中深层地热能，其中浅层地源热泵系统广泛应用于住宅与公共建筑供暖、制冷领域，系统 COP（性能系数）一般可达 3.5～4.5 。生物质能以农林废弃物、城市生活垃圾、沼气等为主要来源，具备可再生性与碳中和属性，适用于分布式能源补充。

（二）暖通系统集成技术路径

目前，可再生能源暖通系统多采用太阳能热水、太阳能空调、地源热泵、生物质锅炉与余热回收的多能源协同模式[1]。太阳能集热系统广泛用于生活热水与辅助供暖，主流设备为平板集热器与真空管集热器，集热效率可达 60%～75% 。部分高温太阳能热泵系统结合相变储能技术，实现供热与制冷功能。地源热泵通过埋地换热管与地下介质换热，具有高效、环保、稳定的优势，常用于多层建筑和公共设施。生物质锅炉适用于农村或资源丰富地区，燃烧效率可达 85% ，结合余热回收可进一步提高能源利用率。

（三）发展趋势与技术挑战

未来暖通系统集成将向“多能互补、智能协同、一体化设计”方向发展，构建以太阳能、地热能、生物质能为主，辅以余热利用的分布式综合能源系统 [2]。主要挑战包括：一是太阳能、地热能季节性不稳定性对系统连续可靠运行的影响；二是多能源系统复杂度提高，亟需高水平智能控制与动态优化策略；三是初期投资成本相对较高，政策激励与经济性模型尚需完善；四是资源分布差异显著，标准化、模块化集成方案推广受限。

二、可再生能源驱动下暖通系统的集成优化方法

（一）系统优化设计基本原则

系统集成优化需坚持以下原则：一是实现建筑能源需求侧与供能侧的精准匹配，结合建筑热负荷特性、运行工况动态调整能源供应结构；二是优先利用高效、清洁的可再生能源，降低一次能源消耗与碳排放；三是经济性、环境效益与技术可行性综合平衡，避免单纯追求单一性能指标。

（二）多能源系统集成优化模型构建

多能源集成系统需建立多能耦合数学模型，核心包括：建筑动态负荷预测模型，考虑气象条件、人员活动、内部热源影响等多因素，确保冷热负荷计算更贴合实际需求；能源供应系统热力学与经济性模型，涵盖太阳能集热效率方程、地源热泵 cop 动态计算、储能单元热量平衡过程，综合评估各类能源系统的运行特性与经济效益；系统还需设置合理的约束条件，如设备容量限制、能源供应连续性、经济成本上限及运行安全要求，保障系统整体的稳定与高效。基于TRNSYS、EnergyPlus 等仿真平台，结合遗传算法、粒子群优化算法（PSO）等智能优化工具，可实现能源系统在不同工况与外界环境变化下的最优配置与动态运行策略。

（三）智能控制与能源管理技术

智能控制系统通过数据感知、实时监测与自适应调节，显著提升暖通系统响应速度与整体运行效率 [3]。典型技术包括：基于物联网的能源管理系统（EMS），实现数据采集、能耗分析与远程控制，实时掌握系统运行状态与能耗趋势；模糊控制、神经网络、自学习算法在冷热源系统中的优化应用，增强系统适应性与智能水平，提高运行稳定性；多能源协调控制策略，可根据负荷变化动态切换太阳能、地热能、生物质供能模式，保障系统高效、稳定运行；同时结合能源需求侧响应技术，通过用能时段优化与峰谷负荷平衡，进一步提升系统经济性与能源利用效率，实现能源系统的智能化与高效协同。

（四）生命周期成本与环境影响评估

优化设计需综合考虑系统全生命周期成本（LCC），包括初始投资、运行维护费用、能源成本与更新改造费用，确保经济性与可操作性平衡。环境影响评估指标涵盖：单位建筑面积年均碳排放量（ kgCO₂/m²⋅a) ；可再生能源利用率 (% ）；能源利用效率指标（如总系统COP、能源利用率η）等，全面反映系统节能与减排水平。通过多目标优化模型，结合建筑实际工况与区域能源结构，科学权衡经济性、能效与碳减排效果，确保技术方案具备可持续性与广泛推广应用价值。

三、案例研究与优化效果验证

（一）案例项目概述

在我国部分公共建筑与大型综合体中，越来越多暖通系统采用可再生能源集成方案，以实现节能降碳目标。以某高端商务写字楼为例，建筑面积约 5.5 万平方米，综合考虑建筑冷热负荷特性与场地条件，项目配置了太阳能集热系统、地源热泵系统与高效冷热源机房，实现多能源协同供应。太阳能集热面积达 4200 平方米，地源井共计 120 口，单井深度 85 米，系统还配备了储能水箱与能源管理系统，有效保障建筑全年冷热供应的稳定性与经济性。

（二）系统集成方案与实际运行情况

该项目采用“太阳能优先、地源热泵辅助、常规能源兜底”的能源供应策略。夏季，太阳能主要用于生活热水供应，减少电锅炉使用比例；地源热泵系统提供基础冷负荷，联合高效冷水机组满足高峰需求；冬季采暖季，太阳能与地源热泵协同运行，覆盖建筑60% 以上供热负荷，常规锅炉仅在极端低温情况下启动补充供热。实际运行数据显示，系统年平均综合能效比（SCOP）达到 4.3，太阳能实际利用率为 55% 左右，较常规方案显著降低建筑运行能耗。

（三）多能互补系统的经济性与环保效果

根据项目方统计，采用可再生能源集成方案后，建筑单位面积年综合能耗由原方案的 145kWh/m² 降低至 96kWh/m² ，年运行成本降低约 28% ，能源费用支出大幅减少。碳排放方面，基于全年能源使用量测算，建筑年二氧化碳排放总量由 840 吨降低至 510 吨，减排效果明显。该方案的经济回收周期约为 7 年，考虑后期运营成本节约与政策补贴，整体投资具备较强的经济可行性。同时，多能源联合供应模式有效提升了建筑能源系统的稳定性与安全性，降低了对单一能源的依赖，增强了系统对极端气候的适应能力。

总结：可再生能源在暖通系统中的集成与优化是实现建筑领域低碳转型的重要途径。通过多能源协同利用、智能控制与系统优化设计，可有效提升能源利用效率，降低运行成本与碳排放。实际应用表明，合理配置太阳能、地热能、生物质能等资源，具备良好的经济性与环保效益。未来需进一步推动技术集成创新与政策支持，促进暖通系统高效、绿色发展。

参考文献

[1] 赵恩荣 , 陈资 . 绿色理念在建筑暖通空调系统节能设计的应用 [J]. 住宅与房地产 ,2021,(16):57-58.

[2] 王健 . 绿色建筑技术在暖通设计中的应用分析 [C]// 中国智慧城市经济专家委员会 .2023 年智慧城市建设论坛西安分论坛论文集. 浙江大学城乡规划设计研究院有限公司;,2023:95-96.

[3] 章见彬 . 节能减排理念在建筑暖通空调设计中的应用分析[J]. 科技创新与生产力 ,2022,(04):68-70.