综述：节能低碳建筑的新兴暖通空调技术与最佳实践

《Energies》：Emerging HVAC Technologies and Best Practices for Energy-Efficient, Low-Carbon Buildings: A Review Rakesh Kumar, Phalguni Mukhopadhyaya, Thomas Froese, Alex Dekin and Madelaine Prince

　　

本综述论文讨论了建筑供暖、通风和空调（HVAC）系统的技术进步和创新策略。建筑是能源消耗和温室气体（GHG）排放的主要贡献者，约占全球最终能源使用的35%和与能源相关的温室气体（GHG）排放的26%。在加拿大，建筑部门约占能源需求的31%和温室气体（GHG）排放总量的18%，其中暖通空调（HVAC）系统负责此能源使用的40-50%。研究人员系统地回顾了暖通空调（HVAC）及相关技术的当前挑战、新兴趋势和未来前景，以促进建筑的可持续性、可负担性和韧性。文献扫描首先概述了建筑中当前的能源状况、暖通空调（HVAC）技术以及其他法规和政策。本文深入探讨了暖通空调（HVAC）系统在减少能源消耗、最小化环境影响、提高建筑可负担性以及增强居住者健康和生产效率方面的关键作用。研究人员讨论了新兴的技术机遇、能效措施、传感器、智能控制器、物联网（IoT）和基于人工智能（AI）的技术。本文强调了采用新技术和策略的障碍。研究人员提供了暖通空调（HVAC）技术的演变地形、其当前状态和新兴方向，以应对环境挑战，包括净零能耗和零碳建筑目标。本综述表明，尽管暖通空调（HVAC）技术取得了有希望的进展，但仍需进一步研究和创新解决方案的实践示范，以保持在建筑现代化努力中的势头。

1. 引言
建筑消耗全球约三分之一的能源，是仅次于工业部门的第二大能源用户，并负责约四分之一的全球温室气体（GHG）排放。现代建筑通过严格的建筑规范设计，单位面积能耗更低，但人口增长、生活水平提高和快速城市化导致建筑部门能源消耗上升。在加拿大，住房可负担性成为关键挑战，加拿大抵押贷款和住房公司（CMHC）估计到2030年需额外建造约350万套住房。采用节能系统和现场可再生能源可通过降低运营支出、稳定能源成本、提高耐久性和资产价值来改善生命周期经济性。尽管先进暖通空调（HVAC）技术已被广泛评估，但文献很少将生命周期经济影响与住房可负担性整合到统一框架中。加拿大建筑部门的温室气体（GHG）排放持续上升，主要由于建筑面积扩张、老旧低效建筑存量以及依赖天然气供暖。暖通空调（HVAC）系统占建筑能耗的40-50%，用于维持热舒适、湿度和室内空气质量（IAQ）。现有文献通常孤立地研究能效、减排和室内空气质量（IAQ），但实际运营中这些因素深度互联。气候变化显著影响暖通空调（HVAC）系统性能，加拿大变暖速度约为全球平均的两倍，导致极端高温事件增多和冷却季节延长，但许多建筑最初以供暖为主设计，忽视了过热问题。现代建筑越来越多地集成传感器和数字技术以监测温度、湿度和污染物浓度，基于占用率的控制可动态调整暖通空调（HVAC）运行，但技术采用仍有限。政策和监管框架正在变化，如净零能耗建筑规范、电气化政策、基于性能的标准和财政激励，但现有研究未充分整合政策与技术。本综述考察新兴暖通空调（HVAC）技术、策略和政策，以改善建筑能效，包括可再生能源集成和智能数字系统，同时评估推广障碍，并分析法规和政策对可持续性目标的影响，特别是净零能耗建筑（NZEB）和住房可负担性，填补了加拿大背景下技术性能、生命周期经济影响、气候适应、法规影响和住房可负担性之间的综合知识空白。

2. 方法论
本文献综述采用结构化方法收集、评估和综合暖通空调（HVAC）系统信息，重点关注能源使用、温室气体（GHG）排放和室内空气质量（IAQ）。研究问题包括：暖通空调（HVAC）系统设计和性能的当前趋势是什么？新兴技术如何提高能效？采用创新暖通空调（HVAC）解决方案的障碍是什么？法规框架如何影响可持续性目标？使用多个数据库（Google Scholar、Scopus、Web of Science等）进行详细文献检索，重点为2010年后的出版物，关键词包括“暖通空调系统”、“能源消耗”、“温室气体排放”、“室内空气质量”、“能效技术”、“可再生能源与建筑”和“建筑法规”。选择标准优先考虑同行评审文章、技术报告和政府文件，包括加拿大自然资源部（NRCan）、加拿大国家研究委员会（NRC）、国际标准化组织（ISO）、加拿大抵押贷款和住房公司（CMHC）和美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）等机构。综合关键发现，识别知识空白并提出未来研究方向。本综述的新颖性在于采用跨维度综合框架，将技术性能、环境影响、健康影响、经济可行性、社会影响和法规协调性等维度编码，构建合成矩阵以识别相互依赖关系和权衡，从而超越传统孤立分析。

3. 建筑能源使用、暖通空调系统及挑战
3.1. 建筑能源消耗：2018年加拿大终端能源需求达11059拍焦耳（PJ），工业部门占38.6%，交通占29.3%，住宅占16.7%，商业和机构（C&I）建筑占12.1%，建筑部门总计约28.8%。在C&I部门，空间供暖占终端能源的53%；住宅部门中，空间和水供暖合计超过80%，因此提高供暖系统效率是降低能耗和排放的有效途径。

3.2. 室内空气质量（IAQ）与居住者健康：在加拿大寒冷条件下，人们90%以上时间在室内，室内热环境质量对健康、生产力和福祉至关重要。空气中微颗粒占室内颗粒物的90%以上，传统暖通空调（HVAC）过滤系统难以捕获细颗粒和超细颗粒，导致暴露于污染物引发眼睛、鼻子和喉咙刺激、头痛、头晕、疲劳和认知能力下降。湿度不足会导致霉菌生长或干燥，陈旧通风系统难以去除细颗粒和过敏原，脏污过滤器、盘管和管道中的灰尘和细菌滋生会进一步恶化室内空气质量（IAQ），因此需要高质量通风系统和过滤技术。

3.3. 建筑温室气体（GHG）排放：加拿大建筑环境是第三大排放源，约占全国温室气体（GHG）排放的18%，此外还有约4%的隐含排放来自建筑材料和供应链。加拿大建筑人均温室气体（GHG）排放高于美国和欧盟，2020年几乎是欧盟的两倍，比美国高约19%，自1990年以来人均减排仅17%，而美国为29%，欧盟为34%，这凸显了暖通空调（HVAC）系统在排放中的关键作用，尤其是对碳密集型天然气供暖的依赖和冷气候运营需求。

3.4. 建筑暖通空调（HVAC）系统：暖通空调（HVAC）系统可分为集中式（有风管）和分散式（无风管）系统。集中式系统位于控制室或屋顶，通过管道输送空气/水；分散式系统位于或邻近调节区域，无需风管。表2总结了常见暖通空调（HVAC）系统的类型、工作原理和关键挑战。

3.5. 暖通空调系统性能、运营和升级挑战：常见问题包括供暖/制冷不足、空气质量差、温度分布不均、燃料转换效率低、湿度不平衡、短循环或长循环、噪音、制冷剂泄漏、恒温器故障、风管泄漏/潮湿、传感器故障、电气故障、排水问题和手动控制。系统效率的关键障碍包括不当设计、维护不足、设备陈旧、建筑保温不良、运营效率低下和缺乏自动化技术。不适当尺寸的系统导致压缩机频繁启停，浪费能源；设计不良的风管系统导致漏风和温度不均；制冷剂泄漏降低制冷能力；低效控制增加能耗。此外，老旧系统缺乏变速驱动和节能升级，建筑围护结构性能差增加热负荷，通风不当影响能耗和室内空气质量（IAQ）。气候变化挑战：加拿大变暖速度约为全球平均的两倍，导致极端高温和寒冷事件，如2021年不列颠哥伦比亚省（BC）热穹顶事件造成619例热相关死亡。高温增加冷却需求，许多老旧建筑缺乏空调，导致运营成本增加、温室气体（GHG）排放上升、电网压力增大和系统加速老化。湿度升高增加除湿负担。气候适应策略包括高效系统（如逆变驱动热泵和可变制冷剂流量（VRF）系统）、被动措施（如改进保温、遮阳、绿色屋顶和自然通风）以及先进控制（如模型预测控制）。建筑改造挑战：改造涉及升级现有系统以提高能效和降低运营成本，但面临技术限制（如结构空间限制、增加屋顶荷载）、高前期资本成本和法规政策障碍。许多建筑因结构限制难以安装新系统，如绿色屋顶或太阳能板可能增加结构负荷。融资困难，因为贷款机构对长期改造项目的投资回报（ROI）不确定。建筑规范和标准往往未充分考虑改造成本和性能，然而成功的改造可减少能耗和排放、改善舒适度、延长建筑寿命并增加资产价值。

4. 建筑能效的先进暖通空调解决方案
4.1. 新兴技术与系统：现代暖通空调（HVAC）系统集成传感器、物联网（IoT）、云计算和先进控制器，实现实时监控、预测性维护和响应式运行。数据分析和机器学习支持优化能源使用、故障检测和气候适应运行。先进供暖系统如多级热泵的可变制冷剂流量（VRF）系统提供精确控制；智能控制（如可编程温控器和建筑自动化系统）根据活动调节运行；能量回收通风机（ERV）和热回收通风机（HRV）、变速风扇和需求控制通风（DCV）改善室内空气质量（IAQ）并降低能耗。可再生能源如建筑集成光伏（BIPV）提高围护结构效率。余热回收系统可捕获通风系统、灰水和建筑排风中的废热。表3比较了关键技术的性能影响，表4总结了适合冷气候建筑的新兴技术，包括空气源热泵（ASHP）、地源热泵（GSHP）、建筑集成光伏（BIPV）、热能存储、混合双燃料系统和人工智能驱动的预测性维护。

4.2. 热泵系统机遇：约80%加拿大人居住在清洁电网（平均排放因子50 gCO₂e/kWh或以下）连接的家庭，BC省近98%家庭使用水电。热泵使用量增长迅速，2017-2022年增长约80%，2022-2023年热泵安装量首次超过天然气炉。空气源热泵（ASHP）在加拿大迅速增长，但运营成本高于天然气炉，且在寒冷月份可能需要辅助供暖。地源热泵（GSHP）性能稳定但钻井成本高。双燃料切换系统（天然气炉与ASHP组合）通过燃料切换控制器根据温度、成本、排放因子和效率优化运行。

4.3. 先进暖通空调自动化与控制：传统开关控制（如恒温器）无法应对动态热负荷，导致温度波动和能耗增加。现代暖通空调（HVAC）系统集成物联网（IoT）传感器实现实时数据采集、预测性分析和远程操作，从被动维修转向预测性维护。强化学习等最优控制策略通过奖励优化平衡能耗、热舒适、室内空气质量（IAQ）和成本，在冷气候中尤为重要。

4.4. 实施节能暖通空调升级的挑战：采用高效暖通空调（HVAC）升级面临高前期成本、法规合规要求、短期收益与长期投资矛盾、意识不足和政策支持不一致。例如，加拿大冷气候热泵升级费用为8000-20000加元，尽管有联邦补助和免息贷款，年节省可能达1500-4500加元，但投资回收期因地区、能源价格和现有系统而异。建议的克服障碍策略包括税收抵免、退税、低息融资、劳动力培训、公众宣传、加强建筑标准、简化许可程序以及加强大学、行业、监管机构、承包商和业主之间的合作。

4.5. 未来高性能建筑的暖通空调技术：可持续建筑需求增长，暖通空调（HVAC）行业创新趋势包括数据驱动建模、预测性维护、控制数字化、可再生能源集成、需求灵活性和热能/电能存储。最有前景的趋势是热泵和可再生能源电气化。运动传感器、人工智能（AI）/机器学习（ML）技术实现实时监控和调整，物联网（IoT）促进组件间通信。图6概念性地展示了新兴趋势，包括智能数字控制平台、数据驱动性能建模、预测性维护、可再生能源集成、需求灵活性和低成本低碳供暖制冷方案，使建筑从被动消费者转变为主动智能能源系统。

5. 未来展望
节能策略和新兴技术为可持续建筑提供重大机遇，由技术创新、太阳能光伏（PV）扩展、数字技术、法规变化、政策支持和行业研究合作推动。未来趋势包括先进传感器、执行器、物联网（IoT）和云计算，人工智能（AI）/机器学习（ML）算法分析数据以优化运行。图7展示了基于占用率的暖通空调（HVAC）控制策略。可再生能源技术（如太阳能光伏（PV））增长迅速，建筑集成光伏（BIPV）可发电并替代围护结构材料，太阳能集热器预热空气/水/乙二醇，地源热泵提供高效供暖制冷，风能补充发电，智能控制优化与可再生能源的集成。热能存储（TES）可减少暖通空调（HVAC）容量需求，转移高峰负荷，季节性存储如加拿大奥科托克斯的Drake Landing太阳能社区（DLSC）项目通过季节性地下太阳能存储系统减少了90%的空间供暖费用。制造商、集成商、研究人员、政策制定者和能源提供者之间的合作对开发可持续解决方案至关重要，新材料的开发（如大块木材）将改善围护结构效率，未来能效技术将影响绿色建筑认证框架（如LEED、BREEAM）。

5.1. 净零能耗建筑（NZEB）、暖通空调系统和案例研究：净零能耗建筑（NZEB）旨在平衡年能耗与现场可再生能源发电，包括被动太阳能设计、坚固围护结构、高效系统和主动可再生能源技术。改进建议包括使用智能保温材料、太阳能被动设计、三层玻璃窗、墙体/屋顶热能存储和带热回收的先进暖通空调（HVAC）。加拿大维多利亚市的Fernwood净零能耗改造项目（1912年爱德华风格住宅）通过13.5 kW光伏（PV）系统产生年能耗101.7%的电力，消除现场化石燃料使用，包括高性能围护结构改造、空气源热泵（ASHP）、热回收通风机（HRV）和热泵热水器，年减排18.44 tCO₂e，但改造成本超出初始估算的两倍，主要由于劳动力成本和意外现场条件。

5.2. 法规和政策举措：暖通空调（HVAC）系统安装、运营和升级受美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）标准、加拿大国家建筑规范（NBC）和国家建筑能源规范（NECB）等监管，美国采暖、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）标准90.1规定了最低能源性能要求。加拿大联邦政府计划到2030年实施净零能耗建筑规范，并通过修正案18提高设备效率要求。政策举措包括加拿大绿色家园补助金和贷款、石油转热泵可负担性计划、绿色包容性社区建筑计划等，表5总结了主要政策特征，但存在覆盖缺口、行政复杂性和区域不公平性，需要更地区化的改进。

5.3. 未来研究机会：关键领域包括可再生能源与太阳能被动概念的有效集成、物联网（IoT）增强暖通空调（HVAC）性能并解决安全问题、老旧建筑改造的障碍克服和成本效益分析、先进暖通空调（HVAC）系统与居住者健康的直接联系、有效政策框架的建立、居住者行为影响、生命周期环境影响评估以及社区和地方政府对低碳解决方案的支持。

6. 结论
本综述综合了新兴暖通空调（HVAC）技术和策略在推进低碳、节能和气候适应建筑中的作用，建立了连接系统设计、运行性能、政策工具、气候压力、室内环境质量和住房可负担性的综合分析框架。关键发现包括冷气候热泵的有效性、混合燃料切换策略、电网互动控制、基于占用率的通风和热能存储集成。电气化通过热泵、智能数字控制、可再生能源和热能存储是实现净零能耗建筑（NZEB）和深度脱碳的最有前景路径，但高资本成本、复杂改造、严格法规和碎片化市场仍阻碍大规模实施。未来研究方向包括优化冷气候空气源热泵（ASHP）与热能存储、混合双燃料切换算法、人工智能（AI）预测性维护、创新融资模式、综合技术经济环境建模工具、物联网（IoT）暖通空调（HVAC）系统的网络安全框架、量化先进通风过滤的健康协同效益等。