淺析空調系統設計和運行過程中的節能措施

摘 要：本文主要分析了影響空調能耗的幾個因素，并提出了空調節能的若干措施和建議，供參考。

關鍵詞：空調能耗；影響因素；節能措施

1 引言

由于我國建筑物的保溫節能性能差、空調運行效率低、大部分居民尚未形成良好的節能習慣等原因，我國的空調節能潛力非常大。據分析，到2020年全面實現小康社會時，我國空調高峰負荷節電空間約9000萬千瓦，相當于5個三峽電站的滿負荷容量，是規劃中2020年的全國核電總裝機容量的2～3倍，相應可減少電力建設投資4000億元以上。因此，采用合理的措施和策略來節約空調能耗，對我國來說可以節約資源、保護環境，而且可避免不必要的電力建設投資；對用戶來說則可減少空調運行費用的開支，其經濟性是顯見的。在某種程度上，綜合利用各種技術措施達到空調節能，有利于國民經濟的可持續發展，是一件利國利民的好事。

2 影響空調能耗的因素

影響空調能耗的因素有很多，例如，室內溫濕度設定值、室外空氣量、空調方式、空調系統的控制運行和維護管理等。建筑物的朝向和平面布置、建筑圍護結構的保溫性能、窗戶隔熱和建筑遮陽等也對空調能耗產生很大影響，因此，在空調設計運行時應綜合考慮各個因素的影響，力求在最大程度上降低空調能耗。

一般可將空調系統的能耗可分為兩大部分：

（1）供給空氣處理設備冷（熱）量的冷熱源耗能。

（2）動力耗能：克服空調系統工作介質循環阻力的耗能。

空調系統總能耗的計算一般有以下幾種方法：度日法（degree days）、電子計算機模擬計算法、當量滿負荷運行時間（τE）法和負荷頻率表法。

3 空調節能的若干措施

空調系統通常由多個環節組成，其總能耗受諸多因素影響，因而節能是一個綜合系統工程。有效可行的節能措施和策略可有多種，設計和使用空調系統應對各節能方法綜合利用以趨利避害。

3.1建筑物及其圍護結構

建筑物及其圍護結構對節能的影響主要有如下方面：

（1）建筑物的朝向 同樣形狀的建筑物，南北朝向比東西朝向冷負荷小。對一個長寬比為4∶1的建筑物，東西向比南北向冷負荷約增加70%。因此，選擇合理的建筑物朝向是一項重要的節能措施.

（2）體形系數 建筑物體形系數S=F/V

其中，F—建筑物與室外大氣接觸的外表面積，外表面積不包括地面、未采暖的樓梯間隔墻和戶門的面積；V—建筑物所包圍的體積。

對于相同體積的建筑物，S越大，則其外表面積越大，通過圍護結構的傳熱越多，空調冷負荷也越大。為節能起見，在建筑設計時應盡量控制S，如果出于造型和美觀的要求需要采用較大S時，應盡量增加圍護結構的熱阻。

（3）外窗面積

從建筑物的圍護結構（窗、墻、樓板、屋蓋、地板等）傳入室內的熱量中，外窗的傳熱量和太陽輻射占圍護結構的總傳熱量比例很大。因而要盡量減少外窗面積，并采取有效的遮陽措施，如選用特種玻璃、雙層玻璃和窗簾或遮陽板等。

（4）圍護結構保溫性能

建筑圍護結構的保溫性能直接影響空調房間的冷熱負荷。有關文獻指出，圍護結構傳熱系數每增大1W/m2·k，在其他工況不變條件下空調系統設計計算負荷約增加30%。因此，提高建筑物保溫性能是減少空調系統能耗的重要措施之一。以下措施可有效降低圍護結構的傳熱系數，從而降低能耗。

3.2 合理利用和控制室外新風量

在人員長期停留的空調房間，人們呼出CO2的增加會逐漸破壞室內空氣的正常成分，對人體健康產生不良影響。從滿足室內人員衛生要求出發，必須保證每人有一定的室外新風量。在空調系統總冷（熱）負荷中，新風冷（熱）負荷占較大比例，例如，在我國主要空調地區的商場中，隨客流密度的變化，新風冷負荷占總冷負荷的比例高達21%～42%。因此，在滿足室內人員衛生要求的前提下，減少新風冷（熱）負荷是空調系統的重要節能措施。

一般地，舒適性空調設計均是根據建筑物的使用功能及設計規范來確定新風標準（每人每小時所應供給的新風量）的。用這一新風標準乘以室內人數即得空調系統的設計新風量。可見，新風量與室內人數是緊密相關的。在空調設計階段不可能有室內人數的確切數據，設計人員只能根據設計資料及經驗選取一個數據，這一數據代表了正常情況下室內人數的最大值。在空調系統運行過程中，室內人數是經常變化的，實際室內人數經常少于設計值，例如，商場室內人數的變化范圍為0.1～1.5人/m2，辦公樓室內人數的變化范圍為0.03～0.25人/m2。隨著室內人數的變化，若能相應地調節新風量，則可大幅度減少新風冷（熱）負荷以降低空調系統能耗。

為了控制新風量，可在回風管道上設置CO2檢測儀，根據CO2氣體濃度的變化自動控制新風量；也可根據星期或時刻不同室內人數的變化，手動控制新風量。空調系統一般按以下三種方式運行：

（1）新風閥門一直固定在設計新風量的開度上。

（2）根據顧客的變化情況，手動控制新風閥門，平日半開，節假日全開。

（3）根據顧客的多少，用CO2氣體濃度儀比例調節新風閥門的開度，使室內CO2氣體濃度保持在0.08%～0.1%之間。

這三種運行方式能耗比較如表1所示：

表1 控制新風量所消耗的能量（109J/季）

供冷（6、7、8、9月）

供暖（1、2、3、12）

閥門情況

固定

自動

固定

自動

室內負荷

7886

7886

423

423

新風負荷

8150

4156

11447

3423

合 計

16036

12042

11870

3846

節約率%

0

24.9

0

67.6

由此可見，自動控制新風閥門調節新風量與固定新風量的情況相比，在最熱月系統冷負荷約減少25%，在最冷月系統熱負荷約減少68%。對于周邊負荷影響小而內區發熱量較大的建筑物（大型商場、影劇院等），過渡季或冬季室內仍需供冷，此時，由于室外空氣焓值低于室內空氣焓值，應充分利用室外新風所具的冷量，加大新風使用量直至全部使用室外新風向空調房間送風。這樣不僅可減少人工冷源的使用時間、降低人工冷源的能耗和運行費用，還可改善室內空氣品質。

4.3 減少輸送系統的動力能耗

動力能耗主要是指空調系統運行中風機和水泵所消耗的電能，采用科學的方法使之降低對整個空調系統的節能有十分重要的意義。在工程設計與實踐中常采用以下方法減少動力能耗：

（1）大溫差

若系統中輸送冷（熱）量的載冷（熱）介質的供回水溫差采用較大值，則當它與原溫差的比值為N時，從流量計算式可知，采用大溫差時的流量為原來的流量的1/N，管路損耗即水泵或風機的功耗則減小為原來的1/N2，節能效果顯著。故應在滿足空調精度、人體舒適度和工藝要求的前提下盡可能加大溫差，但供回水溫差一般不宜大于8℃。

（2）低流速

水泵和風機的功耗與管路系統中流速的平方成正比，采用低流速能取得較好的節能效果，且有利于提高水力工程的穩定性。

（3）采用輸送效率高的載能介質

一般情況下，用水輸送冷（熱）量的耗能量比空氣輸送要小，且輸送相同的冷（熱）量所用水管管徑要小于風管，所占空間相應也小得多。

4.4 變頻調速

目前，空氣—水系統在我國空調系統中所占比例較大，因而空調水系統的運行管理也是影響空調節能的一個重要因素。在一個綜合性建筑物內各空調系統不可能同時使用，為此可將其劃分為不同的空調系統，但空調水系統在滿足設備承壓的情況下一般不分區不分設系統，只采用閥門控制各系統的開關。但循環水泵的流量是無法控制的，只能在用戶末端設三通調節閥將多余的水流量通過旁通閥流回系統。當空調系統低負荷運行時，水泵卻在滿流量下運轉，能源耗費相當嚴重。一般水系統通過閥門節流，風系統通過再加熱以適應部分負荷運行的需要，此種調節方式耗能嚴重。有資料統計表明，此類調節方式中，定速泵和風機所耗電能有60%～70%消耗于調節閥、截流控制壓降等處。

圖1 變頻調速示意圖

將變頻技術應用到空調水系統中（如圖1），通過改變循環水泵的轉數使水泵在變流量變揚程下運行。而水泵轉數的改變并不影響其特性曲線的形狀，在管道特性曲線不變時，水泵始終在高效率下工作，可代替節流調節，是一種可行有效的節能方法。空調系統的水泵和風機的工作點隨空調負荷的變化而變化，根據相似理論可得如下關系式：

G/G′=n/n′，N/N′=（n/n′）3

其中，G—設計工況流量，N—軸功率，n—轉速

G′—實際工況流量，N′—軸功率，n—轉速。

當空調負荷下降時，可通過變頻裝置調節水泵（風機）的轉速，從而減小水（風）量，節省電機的耗電量，達到節能目的。例如，若泵轉速降至額定轉速的90%，流量下降10%，而軸功率可下降27.1%，節能效果較明顯。變頻調速解決了空調水系統循環水泵冬夏流量不等的矛盾，同時增加了工程初投資，但可通過節約運行費用在短時間內加以回收。

4.5 從排風中回收熱量

在建筑空調負荷中，新風負荷所占比例較大。在國外，新風負荷一般占總負荷的20～30%，因此，利用熱交換器回收排風中的能量，節約新風負荷是空調節能的一項有力措施。如果在排風中設置熱交換器（如轉輪式全熱交換器），最多可節約70～80%的新風能耗，相當于節約10～20%空調負荷。據日本空調學會提供的計算資料表明，若以單風道定風涼空調系統為基準，加裝全熱交換器后，冬季1月份可節省加熱量約50%，夏季8月份可節省冷量25%。

4.6 利用冷卻塔供冷

當建筑物在冬季或過渡季仍需供冷時，對于全空氣空調系統，可按全新風方式運行以降低系統能耗；但對于風機盤管空調方式，由于其新風量無法增加，因而不能以全新風方式運行，可采用冷卻塔供冷。理論上冷卻塔出水溫度最低值為當地當時室外空氣的濕球溫度，在過渡季和冬季，隨著室外氣溫逐漸下降，室外空氣的濕球溫度也相應降低，因而冷卻塔出水水溫也隨之降低。當室外濕球溫度降至某個值以下時，冷卻塔出水溫度與空調末端裝置（如風機盤管）所需水溫接近，此時可關閉人工冷源，以流經冷卻塔的循環冷卻水向空調系統供冷，從而達到節能的目的。

5 結論

空調節能涉及到諸多因素，是一項系統工程，對國民經濟的發展產生很大影響。隨著新技術和新材料的誕生與應用，關于空調節能的研究與應用技術也將不斷發展。在此，變頻調節、水源熱泵、冰蓄冷、太陽能和空調系統的智能控制等在空調節能方面將得到更深入的應用。