- 文献综述
1.研究及设计背景及意义
我国建筑分为民用建筑与工业建筑，而民用建筑又分为居住建筑(绝大部分为住宅)及公共建筑。公共建筑包括商业用途建筑，办公建筑，用于科教文卫用途的建筑，以及邮电、通讯和交通运输建筑等。根据一些大城市的能耗实测资料，特大型高档公共建筑的单位面积能耗约为城镇普通居住建筑能耗的10～15倍，一般公共建筑的能耗也会是普通居住建筑能耗的5倍[1]。随着人民生活的改善，建筑耗能量及其所占比例不断增加，尤其是公共建筑，随着中国经济的发展和第三产业的扩大，其能耗量高速增长。对于一座大型、配置全年供暖通风和空调系统的公共建筑来说，暖通空调的能耗往往会占到该建筑全部能耗的60%左右[2]。同时，暖通空调系统的运行大大加剧夏季和冬季的电力高峰负荷。公共建筑节能不但具有很大的潜力，而且对于整个社会的节能意义重大。其中，提高公共建筑暖通空调系统的能效则是重中之重［3］。
重庆位于长江中上游，气候属中亚热带湿润季风气候，冬季阴冷湿度大、日照率低，夏季连晴高温少风，是典型的夏热冬冷地区。年平均温度为18.3℃，与武汉、南京并称长江流域三大“火炉”，建筑环境恶劣。随着重庆市成为长江上游地区综合性大都市、经济中心地位的确定，重庆的第三产业所占比重还会继续增加。［4］可以估计，未来相当长一段时期内，写字楼、宾馆酒店、商场、会展中心等公共建筑数量还会继续增加。总之重庆市的经济迅速发展，随之而来带来了能源消耗和环境破坏两方面的压力，作为在能源消耗中占据较大部分的公共建筑，更是随着重庆市产业结构的调整数量日益增多，而且也是节能潜力较大的部分。
本文针对重庆市的气候特点，以教学楼等公共建筑为主要研究对象。首先阐述了BIM技术在暖通空调工程中的应用；而后以节能为目的，进行了冰蓄冷空调系统在重庆市教学楼中的应用分析；之后，设备选型以及运维管理的角度，进一步提出节能降耗的方案分析；最后，介绍了地源热泵目前的研究情况。
2.国内外研究现状
BIM技术在建筑工程领域有广泛的应用［5］，除了常见的教学楼与办公楼这样的场所外，还有餐厅、图书馆以及宿舍等区域。该技术与暖通空调设计在技术、知识方面有着紧密的联系.另外，BIM技术中涉及的供热、空调体系在暖通空调系统设计中效果最好。在与二维设计的比较方面［6］，在暖通空调系统设计中经常采用二维设计方式，该方式与BIM技术之间有着较大的不同，从运作方式角度讲，BIM技术运用点、面衔接的方法，规划体系更加完整可靠；而二维规划运用线组合的方法，即使在表达设施与管线投影联系上表达形式多样，但是规划体系常常缺乏整体性，影响暖通空调的运行效果；从表达角度讲，BIM技术在模型构建方面存在较大的优势，其能够构建三维数据信息模型，该模型具备极高的精确度，有利于展现相关数据的高度与尺寸。同时，将BIM技术运用［7］于暖通空调系统设计中，能够确保模型信息的完整性与联系的紧密性，使管径、大小与尺寸达到设计要求；能够实现工作流程与模型的数字化与可视化，进而得到模拟特性，利用各个学科知识提升建筑信息的实际价值。另外，通过BIM技术构建的三维模型能够为预算阶段提供准确的数据，便于后续维修工作的顺利开展。
刘盼盼［8］等人针对对重庆市某科研教学楼进行冰蓄冷空调系统的设计与分析，科研教育类建筑通常涵盖教室、会议厅、展厅、办公室、实验室等多种用途形式。由于其使用功能和条件的特殊性，科研教育类建筑和单一的办公建筑相比，其能耗特征往往存在较大差异。由于寒暑假的存在导致教育建筑年运行时间相对较短，同时建筑内部用能设备单一，使大型教育建筑总能耗相对较低。和其他类型的公共建筑相比，大型教育建筑的单位面积空调能耗适中。其中，空调能耗约占大型教育建筑总能耗的50%。冰蓄冷空调系统具有移峰填谷、均衡电网负荷、提高电力建设投资效益及为用户节省空调运行费用等优点，在每年空调用电量以20%～30%速度猛增长的情况下，这对均衡城市电网负荷，改善日益尖锐的电量供需矛盾是一项有利的措施。
系统中设备选型过程以及系统进一步优化，能够提高系统运行性能，降低运行费用，达到节能减排的效果。冷冻水系统能耗占整个空调系统总能耗的主要部分，因此，空调冷冻水系统的节能应为首要任务。调查显示，当冷冻水泵扬程均低于水泵的设计扬程时，会使系统工作在大流量小温差状况下从而导致电力浪费[9]，因此在选型时水泵扬程不宜选择过大。研究表明，目前中央空调系统节能改造的最有效途径之一便是采用变频技术对水泵、空调主机、末端送风进行控制，将变频调速技术引入中央空调控制系统来控制空调机组及水、风调节系统，节能效果可达到30%，使建筑物的能耗大幅度降低[10]，因此，在中央空调系统中可适当选择变频机组，使能耗降低。
空调系统运行过程中，正确地维护管理，同时优化运行调控系统，可以使空调系统地节能效果大大提升。目前，中央空调系统对冷水系统流量的控制一般是基于温度的，而且控制是瞬时的。然而，真正决定建筑内部温度的是空调系统的累加冷量。中央空调系统存在较大的时滞性，为了提高中央空调系统的运行效率，需要改变控制策略[11]。例如，采用VAV系统对室温进行控制，可大大节省能源[12]。在设备运行中，还可以通过添加传感器的方式进行控制，以此来改善公共建筑因其面积大，而造成的能耗大的问题。具体为将平面图的总体区域划分为几个面积较小的区域，每个区域的空调系统是分开控制的，因此每个区域都有其完整的温度、氧气、湿度传感元件。此外，可利用PIR传感器监测每个控制区内的占用情况，进行监测调节[13]。
目前空调种类众多，地源热泵系统(简称GSHPS)利用地表浅层的蓄热量作为热源，因此其在能源利用方面是一种高效、节能、环保的冷热源系统。徐伟、刘志坚[14]通过目前现有的状况进行分析，全面介绍了地源热泵系统的分类、技术等方面的研究进展状况，并指出了此技术存在主要问题以及技术上存在的难点，并且点明了地源热泵技术在中国未来的发展趋势。目前大部分研究人员都认为由于地源热泵系统的特点，即地源侧出水温度变化波动较小，其受环境影响因素较低。Hepbasli等[15]人对地源热泵系统进行了㶲分析研究，针对不同形式的地源热泵系统提出了不同的㶲分析的计算方式，并比较了其㶲效率的区别。孙燕[16]利用FLUENT软件，对济南市某大型公共建筑高大中庭的分层空调气流组织及热舒适性进行了数值模拟研究，并对结果进行了分析，证明了用CFD方法模拟高大中庭空调气流组织的可行性。邓祺等人[17]利用建筑能耗分项计量系统(BMSII)中的实际数据，分析了多种节能控制技术对末端空调效果和系统运行能耗的影响。介绍了利用现代通讯科技对系统设备进行控制的效果。王晓军[18]在该文中浅显的叙述基于模糊控制的中央空调节能群控系统的研发，阐述了和为模糊控制以及目前国内群控系统的应用现状，对群控系统的研发具有借鉴意义。武佳琢等人[19]指出在夏季，冷水机组与地源热泵系统根据负荷变化分阶段运行有利于整体制冷工况下节能，而且土壤层不会出现热积累现象；针对地源热泵系统，在夏季高峰时段优先运行，在低峰时段或者夜间制冷时，地源热泵采用问歇式运行，此控制方式下可有效的减少能源的利用。
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