超低能耗建筑中通风与空调系统的协同优化策略

一、引言

建筑行业是能源消耗和碳排放的重点领域，在全球积极应对气候变化、推动绿色发展的背景下，发展超低能耗建筑已成为建筑行业实现可持续发展的必然选择。超低能耗建筑通过采用高性能的围护结构、高效的能源设备以及合理的能源管理策略，能够显著降低建筑的能源消耗，减少对环境的影响。通风与空调系统在建筑能耗中占比较大，其运行效果直接影响着建筑的室内环境质量和能源消耗水平。因此，实现通风与空调系统的协同优化，对于提高超低能耗建筑的能源效率和室内舒适度具有重要意义。

二、超低能耗建筑中通风与空调系统耦合原理

2.1 通风系统与空调系统的功能及相互关系

通风系统的主要功能是实现室内外空气的交换，引入新鲜空气，排出室内的污浊空气、异味、二氧化碳和湿气等，以保证室内空气质量满足人体健康和舒适度的要求。同时，通风过程还能在一定程度上调节室内温度和湿度。空调系统则主要用于精确调节室内的温度、湿度、空气流速和洁净度等参数，为室内人员提供舒适的热环境。在超低能耗建筑中，通风系统和空调系统相互关联、相互影响。一方面，通风系统引入的室外空气状态会影响空调系统的负荷，例如，夏季高温高湿的室外空气进入室内，会增加空调系统的制冷和除湿负荷；冬季寒冷的室外空气则会增加空调系统的制热负荷。另一方面，空调系统对室内空气参数的调节结果也会影响通风系统的运行策略，例如，当室内温度和湿度通过空调系统调节到适宜范围后，通风系统可根据室内空气质量等因素合理调整通风量。

2.2 系统耦合的关键环节

①能量交换环节：通风系统和空调系统之间存在能量交换的耦合点。例如，在热回收新风系统中，通过热交换器利用排风的热量对新风进行预热或预冷，减少空调系统对新风处理的能量消耗。这种能量交换可以在显热和潜热两个方面进行，显热回收主要是回收排风与新风之间的温差能量，潜热回收则是回收排风中的水分所携带的能量。高效的能量交换设备和合理的热交换流程设计是实现这一耦合环节优化的关键。②负荷匹配环节：准确匹配通风系统和空调系统的负荷是协同优化的重要环节。超低能耗建筑的围护结构性能优良，室内负荷特性与传统建筑有所不同，冷、热负荷尤其是显热负荷大大降低。通风系统在承担部分室内负荷（如新风负荷、部分显热负荷和除湿负荷）时，需要与空调系统的负荷分配进行合理协调，以确保整个系统既能满足室内环境要求，又能实现能源的高效利用。例如，在一些低负荷区域，可优先利用新风系统的调节能力，减少空调系统的开启时间或降低其运行强度。 ③ 控制调节环节：通风与空调系统的协同运行需要精准的控制调节。通过智能控制系统，实时监测室内外环境参数、人员活动情况以及系统设备的运行状态，根据预设的控制策略对通风设备（如风机、风阀）和空调设备（如压缩机、蒸发器、冷凝器等）进行调节。例如，当室内人员增加导致二氧化碳浓度升高时，自动增加通风量；同时，根据室内温度和湿度的变化，动态调整空调系统的制冷、制热和除湿模式，使两个系统协调工作，达到最佳的运行效果。

三、夏热冬冷地区通风与空调系统协同优化分析

3.1 夏热冬冷地区气候特点对系统的影响

夏热冬冷地区夏季气温较高，湿度较大，室外空气焓值高，空调系统需要承担较大的制冷和除湿负荷，以维持室内舒适的热湿环境。在这种气候条件下，通风系统若引入过多的室外新风，会显著增加空调系统的负荷；但如果通风量不足，则无法有效改善室内空气质量。冬季该地区气温较低，且无集中供暖，室内需要制热以保持温暖。然而，由于湿度相对较高，单纯的制热可能会导致室内空气干燥，影响舒适度。同时，室外低温的空气进入室内也会增加空调系统的制热能耗。因此，夏热冬冷地区的气候特点对通风与空调系统的协同运行提出了较高的要求，需要在保证室内舒适度的前提下，合理平衡通风与空调系统的能耗。

3.2 针对该地区的协同优化策略

1. 夏季优化策略

①合理控制新风量：采用变新风比控制策略，根据室内外空气参数和人员活动情况动态调节新风量。在早晨或夜间等室外空气温度较低、湿度较适宜时，适当增大新风量，利用室外新风的自然冷量对室内进行预冷，减少空调系统的制冷负荷。而在中午等室外气温较高、湿度较大时，适当降低新风量，以降低空调系统的处理负荷。②强化热回收与除湿：选用高效的全热回收新风机组，提高排风与新风之间的能量回收效率，不仅回收显热，还能回收潜热。同时，在空调系统中采用高效的除湿技术，如溶液除湿、转轮除湿等，与制冷系统协同工作，实现对室内湿度的精准控制。例如，可将经过全热回收后的新风先送入溶液除湿装置进行除湿，再进入空调系统进行进一步的温度调节，这样既能降低空调系统的除湿能耗，又能保证室内湿度在舒适范围内。 ③ 优化气流组织：通过合理设计室内送风口和回风口的位置、形式和风速，优化室内气流组织，提高空调系统的制冷效果和通风系统的换气效率。采用置换通风等气流组织形式，使新鲜空气从底部缓慢送入室内，在人员活动区域形成较为均匀的温度场和湿度场，同时将污浊空气从顶部排出，有效提高室内空气质量和舒适度，减少空调系统的能耗。

2. 冬季优化策略

①充分利用新风预热：利用热回收新风系统对新风进行预热，提高新风进入室内的温度，减少空调系统的制热负荷。可采用板式热交换器、热管式热交换器等设备，将排风中的热量传递给新风。同时，结合太阳能等可再生能源，对新风进行辅助加热。例如，在建筑屋顶安装太阳能空气集热器，将预热后的新风送入室内，进一步降低空调系统的能耗。②控制湿度与舒适度平衡：在制热过程中，注意控制室内湿度，避免因过度干燥影响舒适度。可采用加湿装置对室内空气进行适当加湿，同时结合空调系统的运行模式调整，保证室内温度、湿度的平衡。例如，采用温湿度独立控制系统，将温度调节和湿度调节分开进行，通过独立的加热设备调节温度，利用加湿设备控制湿度，既能提高舒适度，又能实现节能运行。③优化围护结构保温性能：加强建筑围护结构的保温性能，减少冬季室内热量的散失。采用高性能的保温材料，如外墙外保温系统、保温门窗等，降低围护结构的传热系数。良好的围护结构保温性能可以减少空调系统的制热时间和能耗，同时也能减少通风系统因引入室外冷空气而导致的室内热量损失。

四、协同优化政策支持

4.1 政策制定的必要性

超低能耗建筑中通风与空调系统的协同优化涉及到多个技术领域和利益主体，需要政府通过制定相关政策来引导和推动。政策可以为企业和科研机构提供明确的发展方向和目标，促进技术创新和产业升级。同时，政策还能协调各方利益，解决协同优化过程中可能遇到的市场失灵、技术推广困难等问题，保障协同优化策略的有效实施。

4.2 夏热冬冷地区的相关政策示例

1. 激励政策

①财政补贴：政府设立专项财政资金，对采用通风与空调系统协同优化技术的超低能耗建筑项目给予补贴。补贴标准可根据项目的节能效果、技术先进性等因素进行确定。例如，对于节能率达到一定标准的项目，按照每平方米建筑面积给予一定金额的补贴，鼓励开发商和建设单位积极采用先进的协同优化技术。②税收优惠：对从事超低能耗建筑通风与空调系统研发、生产和应用的企业，给予税收减免政策。如减免企业所得税、增值税等，降低企业的运营成本，提高企业参与技术创新和产业发展的积极性。同时，对购买采用协同优化技术的超低能耗建筑的消费者，给予一定的契税优惠，刺激市场需求。

2. 技术标准与规范政策

①制定地方标准：夏热冬冷地区的地方政府结合本地区的气候特点和建筑实际情况，制定专门的超低能耗建筑通风与空调系统协同优化技术标准和规范。明确系统设计、设备选型、施工安装、调试运行以及验收等各个环节的技术要求和指标，为建筑设计、施工和运营管理提供技术依据。例如，规定在该地区的超低能耗建筑中，通风系统的热回收效率应达到一定数值，空调系统的能效比应符合更高的标准等。②强制实施要求：将通风与空调系统协同优化的相关技术标准纳入建筑工程建设的强制性规范，要求新建、改建和扩建的建筑项目必须严格执行。对于不符合标准的项目，不予通过施工图审查和竣工验收，确保协同优化技术在建筑项目中的广泛应用。

3. 科研与产业支持政策

①科研项目资助：政府加大对超低能耗建筑通风与空调系统协同优化技术的科研投入，设立相关科研项目，鼓励高校、科研机构和企业开展产学研合作。支持对新型热回收技术、高效空调制冷制热技术、智能控制系统等关键技术的研发，提高我国在该领域的技术水平和创新能力。业园区建设：规划建设超低能耗建筑产业园区，吸引相关企业集聚发展。在园区内提供基础设施配套、政策优惠等支持，打造完整的产业链，从原材料生产、设备制造、系统集成到工程设计与施工，形成产业集群效应，促进通风与空调系统协同优化技术的产业化应用和推广。

五、实际案例分析

以上海建科中心项目为例，该总部办公楼建筑面积 58600 平方米，地处夏热冬冷地区。建筑外墙采用 80mm 厚石墨聚苯板保温系统，传热系数 0.28W (m²⋅K) ；外窗为三玻两腔断桥铝合金Low-E 中空玻璃，窗墙比0.38，单位面积空气渗透量 ⩽0.5m³/(m²⋅h) ，有效降低能耗。

项目采用多项协同优化技术。热回收新风系统配备显热回收效率 75% 、潜热回收效率70% 的全热回收新风机组，夏季预冷使新风温度降 5-7% ，冬季预热提温 4-6% ，减轻空调负荷。温湿度独立控制系统通过溶液除湿机组与干式风机盘管，在黄梅季将新风含湿量从20g/kg 降至 12g/kg ，保障室内湿度 40%-60%_⨀ 智能控制系统实时监测环境参数，当二氧化碳浓度达800ppm 或温湿度偏离设定值（ 24±2^∘C 、 40-60% ），5 分钟内自动调节设备运行。

经评估，与传统建筑相比，该项目建筑能耗降低约 38% ，通风与空调系统能耗降低42% ，夏季空调日耗电量减少约 1200 度。室内温度稳定在，湿度 40%-65% ，二氧化碳浓度低于 700ppm ，噪声≤ 40dB（A），办公人员对环境舒适度表示满意，实现节能与舒适双赢。

六、结论与展望

本文通过对超低能耗建筑中通风与空调系统协同优化策略的研究，分析了系统耦合原理，探讨了夏热冬冷地区的协同优化策略及政策支持，并通过实际案例验证了协同优化技术的有效性。通风与空调系统的协同优化能够显著降低建筑能耗，提高室内环境质量，是实现超低能耗建筑目标的关键。在未来的发展中，应进一步加强相关技术的研发和创新，不断完善政策支持体系，推动超低能耗建筑在更大范围内的应用。同时，随着人工智能、大数据等新兴技术的发展，将其与通风与空调系统的协同优化相结合，有望实现更加智能化、高效化的建筑能源管理，为建筑行业的可持续发展做出更大贡献。在实际应用中，还需要根据不同地区的气候特点、建筑类型和使用需求，灵活调整协同优化策略，确保其在不同场景下都能发挥最佳效果。此外，加强对建筑从业人员的培训，提高其对超低能耗建筑和通风与空调系统协同优化技术的认识和应用能力，也是推动相关技术广泛应用的重要环节。

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