基于数值模拟的建筑暖通系统节能设计优化

一、建筑暖通系统节能现状分析

1.1 设备陈旧与效率低下

尽管暖通系统的节能技术取得了一定进展，但仍存在技术滞后和应用不足的问题。尤其在诸多年代久远的建筑中，暖通设备普遍呈现出较为老旧的特征。我国能源利用领域尚存在技术短板，未能充分应用先进的节能技术。设备的老化现象显著降低了系统的运行效能，能源消耗量有所提升，对陈旧设备进行保养所需的费用相对较大。在技术迭代升级之际，资金筹集面临挑战，众多建筑物未能及时采纳先进的节能设施，节能潜力尚未得到充分挖掘与发挥。以冷水机组为例，其核心换热部件因长期运行，内壁易形成氧化层、水垢及微生物膜，垢层热阻显著增加。实测数据显示，运行 15 年以上的机组，传热管结垢厚度普遍达 0.3-0.5mm ，传热系数较新机组下降 20%-25%, 。风机盘管的老化则表现为风机叶轮磨损、电机效率降低及盘管表面积灰。运行 12 年以上的风机盘管，实际风量仅为设计值的 70%-80% ，盘管表面积灰 0.3mm 时，换热量下降约 15%-20% 。设备效率下降直接推高能耗 [1]。

1.2 系统设计缺陷与运行维护不当

暖通空调系统设计的科学性与合理性直接影响运行能耗，但当前设计环节普遍存在重速度、轻节能的倾向。据中国建筑节能协会 2021 年调研，超 60% 的公共建筑暖通设计周期不足 45 天，远低于《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》建议的 60-90 天，导致设计深度不足。不合理的设计构成了当前暖通系统节能领域的一大关键问题。诸多设计规划未能充分融入节能优化的理念，未能对源头进行科学合理的布局与配置。系统效能与能源消耗比率呈现较低水平，暖通管网的设计层面普遍未能充分达到精细化的设计要求，管道长度超出常规，遭遇显著阻力，系统的能耗水平进一步提升。运行维护不当进一步加剧能耗问题。过滤器、表冷器等关键部件长期未清洗，积灰厚度超 0.2mm 时，风阻增加 30% ，风机电耗上升 15% ；冷却塔填料结垢 1mm 时，换热效率下降10% ，导致冷水机组冷凝温度升高 2-3°C ，COP 降低 8%-10% 。

二、数值模拟在暖通系统节能设计中的应用

2.1 热负荷计算与预测

热负荷占优型的建筑物，地源热泵长期运行会导致土壤温度下降。针对这个问题，考虑在原有单一地源热泵的基础上增加空气源热泵辅助供暖，两种热泵系统共同承担热负荷，而夏季则由地源热泵单独制冷。供暖工况运行时，部分时段开启空气源热泵与地源热泵机组联合供暖；制冷工况运行时，仅地源热泵开启承担全部冷负荷。数值模拟通过综合考虑建筑围护结构导热、室内外空气对流及太阳辐射换热等多维度热传递过程，可实现逐时、逐空间的动态负荷预测，为设计提供科学依据。具体而言，围护结构的导热热流密度受材料导热系数与室内外温差共同影响；空气对流则通过自然通风或机械通风实现热量传递；太阳辐射换热需结合建筑朝向、外遮阳系数及太阳得热系数等参数计算。以夏热冬冷地区为例，数值模拟软件（如 DeST ）通过输入当地气象参数、材料热工性能及人员设备散热指标，可输出典型日逐时热负荷曲线。与传统稳态计算相比，动态模拟的负荷误差可从 15%～20% 降至 5% 以内，更准确反映昼夜温差、太阳辐射波动对负荷的影响，为冷热源容量按峰值负荷 +10% 冗余的精准配置提供支撑[2]。

2.2 系统配置优化

暖通系统配置的合理性直接影响能源利用效率与运行成本，传统设计多依赖经验选择单一冷热源形式，难以兼顾节能性与经济性。具体模拟过程需涵盖三类核心参数：一是设备性能参数如地源热泵的土壤换热系数 λ=1.5-2.0W/ (m⋅K) 、空气源热泵冬季制热 COP=2.0-2.5 、太阳能集热器效率 ΠΠΠ1=40%-50% ；二是系统运行参数如地埋管循环流量、太阳能集热系统集热时长；三是环境变量如全年逐时室外温度、太阳辐射强度。以某地区为例，模拟对比地源热泵、空气源热泵 + 电锅炉、太阳能 + 空气源热泵三种配置的全年能耗：地源热泵因土壤恒温特性，COP 稳定在 3.5-4.5，年综合能耗较空气源热泵 + 电锅炉降低25%-30% ；太阳能 + 空气源热泵系统在日照充足时段可利用太阳能承担 30% -40% 的负荷，虽初投资增加 15%-20% ，但年运行能耗较单一空气源热泵降低18%-22%. 。通过模拟还可分析不同配置的负荷匹配度，地源热泵因土壤换热不受气候波动影响，负荷响应更平稳；太阳能辅助系统则需结合储能装置平衡昼夜热负荷差异。最终，数值模拟通过量化能效比（EER）、投资回收期等指标，为设计提供节能优先、经济适配的配置方案。

三、基于数值模拟的建筑暖通系统节能设计优化过程

3.1 设定边界条件

边界条件是数值模拟的基础输入，其准确性直接决定模拟结果与实际工况的吻合度。在暖通系统节能设计中，需重点设定建筑围护结构、室外环境及室内初始状态三类边界条件，确保模拟环境与真实场景高度一致。建筑围护结构边界条件的设定需结合材料热工性能与实际构造。例如，墙体边界需明确各层材料的厚度及导热系数，并根据《民用建筑热工设计规范》校核传热系数；门窗边界需输入玻璃类型及密封性能。室外环境边界需基于当地气象数据，参考《建筑气候区划标准》选取典型气象年数据，包括逐时气温、风速、太阳辐射照度等参数，确保模拟覆盖全年极端与典型工况。室内初始状态边界需反映建筑非空调时段的实际温度分布，如办公建筑夜间初始温度夏季取 28-30℃、冬季取 15-18^∘C ，避免因初始条件偏差导致模拟误差。

3.2 运行数值模拟软件

数值模拟软件的选择与运行是暖通系统节能设计优化的核心环节，需结合模拟目标与精度要求选定适配工具。目前主流软件包括 EnergyPlus、TRNSYS及DeST，三者均支持多物理场耦合计算，可满足不同设计场景需求。

模拟前需将构建的传热模型与边界条件完整输入软件。传热模型以建筑几何信息为基础，结合围护结构热工参数、EPS 保温板 λ=0.038-0.041W/(m⋅K) ；门窗传热系数 K 值 ⩽2.0W/(m²⋅K) 、遮阳系数 SC⩽0.5 ），通过软件内置的建筑构造库完成三维模型搭建。软件运行时基于传热学与流体力学基本原理，对建筑内外热环境及系统运行状态进行逐时迭代计算。例如，计算室内温度场时，软件会综合墙体导热、空气对流及太阳辐射的耦合作用，输出各房间每小时的温度分布；计算能耗时，会统计冷热源、输配设备及末端装置的逐时能耗数据。

结语：基于数值模拟的建筑暖通系统节能设计优化，通过热负荷动态预测、系统配置多方案比选及边界条件精细化设定，实现了冷热源容量精准匹配与输配效率提升。研究证实，该方法可降低系统综合能耗，投资回收期控制在3-5 年，兼具技术可行性与经济合理性。未来随着模拟软件国产化率提升与算法精度优化，数值模拟技术将在既有建筑改造与新建工程中广泛应用，为建筑领域实现双碳目标提供重要技术保障。

参考文献：

[1] 沈金宝 . 基于数值模拟的建筑暖通系统节能设计优化 [J]. 中国新技术新产品 ,2025,(08):101-104.

[2] 周苗苗.建筑设计中暖通节能设计分析[J].四川建材,2025,51(01):238-240.