暖通空調節能技術研究

劉春杰，陳正剛

（1.蘭州瑞興達投資有限公司，甘肅 蘭州 730037；2.蘭州空間技術物理研究所 真空技術與物理重點實驗室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著我國人民生活水平的提高，建筑面積逐漸增大，從而造成建筑能耗增加。建筑耗能已與工業耗能、交通耗能并列，成為我國能源消耗的三大“耗能大戶”。尤其是建筑耗能伴隨著建筑總量的不斷攀升和居住舒適度的提升，呈急劇上升趨勢。建筑的能耗（包括建造能耗、生活能耗、采暖空調等）約占全社會總能耗的30%，其中最主要的是采暖和空調，占到20%以上[1-3]。以房間空調為例，2006年的裝機量就是2000年的3.7倍，近年來空調的裝機量增速遠大于建筑能耗的增速。空調作為能耗大戶，與能源緊張局勢特別是電力緊張局勢有著密切關系，到2008年底空調能耗已占全國城鎮用電能耗的20%以上，尤其是在夏季用電高峰時段，空調用電負荷甚至高達城鎮總體用電負荷的44%。因此，降低空調系統能耗對于降低建筑系統的能耗，緩解當前電力緊張，優化能源結構，提高能源利用效率等方面都有著非常重要的意義。

1 節能暖通空調系統

空調制冷系統[4]主要由壓縮機、冷凝器、膨脹閥、蒸發器以及輔助部件組成，如圖1所示。其工作過程如下：壓縮過程-制冷劑（氣態）通過壓縮機受壓后，壓力增大且溫度上升；冷凝過程-高溫高壓制冷劑氣體通過管路輸送至冷凝器，通過冷凝器換熱（放熱），制冷劑溫度降低壓力不變，此時制冷劑由氣態轉化為液態；減壓過程-在制冷劑通過膨脹閥（或節流部件）時，制冷劑壓力降低，制冷劑膨脹，此時制冷劑為低溫低壓狀態（液態）；蒸發過程-膨脹后的制冷劑進入蒸發器，在蒸發器內與外界換熱（吸熱）即制冷，制冷劑吸收熱量由液態向氣態轉化；蒸發后的制冷劑再次被吸附壓縮機，從而實現整個制冷過程。

圖1 空調制冷系統

2 優化設計

2.1 暖通空調的節能設計

在空調工程設計中，因地制宜的選擇設計合適的空調系統，可以有效節約能源。我國幅員遼闊，各地在氣候狀況等方面存在巨大差異，比如：南方夏季高溫高濕，冬天低溫高濕；北方夏季高溫干燥，冬天低溫干燥；南方晝夜溫差小，北方晝夜溫差大，采用同樣的暖通空調系統顯然并不合適。應當依據當地氣候特點，以適宜技術為主，技術集成，形成適合項目特征、地域氣候特點的設計理念。目前，隨著綠色建筑的推廣，節能暖通空調新的設計思路不斷涌現，如：漢堡“被動房”，倫敦“零碳館”，“滬上生態家”等[5]，為暖通空調節能設計提供了借鑒意義。

空調的設計不是簡單的選取空調系統，而是與建筑的許多因素相關。因此，在空調設計中應注意以下要點：（1）對于各類地區氣候特征、建筑類型、建筑用途、人群特點、建筑布局等細節，建立統計數據；（2）對建筑中的維護結構要進行細致的熱計算分析；（3）選擇合理的設計參數指標，包括室內溫度、濕度、新風量、用水量以及照度等；（4）較精確的計算建筑供冷、供熱量需求，為空調系統選擇提供合理參數；（5）因地制宜地選擇合適空調系統，避免機組閑置，浪費能源。

2.2 暖通空調的方案選擇

空調系統按照空氣調節范圍可以分為[6]：集中式空調、分體式空調和室內空調。集中式空調（又稱中央空調）采用集中整體式供冷的方式為多個房間或整棟樓房，甚至是整個小區進行冷氣供應。集中式空調一般采用冷水，這樣可以極方便的在整個系統中循環。集中式空調的優點是效率高、能耗小，整體占用面積小，適用于一些大型設施、辦公場所、住宅小區。缺點是系統較為復雜，需要專人管理；初期需要投入一筆較大費用；整個系統工程需要專門設計。室內空調是指采用獨立機組對室內部分空氣進行調節的空調，這種機組大多都非常小巧，一般適合于零散住戶使用，優點是：安裝靈活；缺點是：噪音較大，效率低。分體式空調一般采用一個機組對1個或多個房間進行空氣調節的制冷系統，這主要是因為隨著技術發展，壓縮機效率的提高，壓縮機系統可以帶動多個蒸發器制冷，同時滿足多處空氣調節的功能。優點是：安裝靈活，使用方便，其效率大于室內空調。目前，多數住戶采用這種方式。無論是從節能等各方面比較，集中式空調性能最佳，遠優于分體式空調和室內空調，從節能的角度考慮，應盡可能的采用集中式空調方式。

2.3 冷水機組的選擇

冷水機組是集中式空調的核心部件，其能耗占整個空調系統的90%以上。冷水機組有兩種基本類型：壓縮循環冷水機組和吸收式冷水機組。目前，市面上共有四種壓縮循環冷水機組，分別為：往復式壓縮機冷水機組、渦旋式冷水機組、螺桿式冷水機組和離心式冷水機組。往復式壓縮機冷水機組是常規冷水機組，采用往復活塞式壓縮機，優點是技術成熟度高，缺點是結構比較復雜，其單機制冷量一般為50～500 kW。渦旋式冷水機組采用渦旋式壓縮機，其特點是變容積壓縮，渦旋式冷水機組優點是：噪聲小、體積小、重量輕、運動部件少。其單機制冷量一般為20～200 kW，適合于小工況工程使用。在較大工況情況下，一般采用螺桿式冷水機組，它采用螺桿壓縮機，屬于高壓制冷劑的大容量冷水機，優點是：運動部件少，可靠性高。螺桿式冷水機組（如圖2所示）單機容量一般150～2 000 kW，適合大工況空調工程使用。冷水機組可采用并聯模式，滿足空調工程使用。目前，暖通空調工程中一般采用前三種，從節能的角度考慮螺桿式冷水機組稍高些，具體采用何種冷水機組，可根據具體工程選擇。

圖2 螺桿式冷水機組

吸收式冷水機組是一種采用熱驅動的制冷系統，其原理與上面四種完全不同。當某種熱源量大且便宜時（如：鋼廠廢熱或地熱豐富），或是某種生產過程中有熱源副產品時，采用吸收式冷水機組將是非常節能的空調制冷方案。

2.4 蒸發器

當溫度相對較高的液態制冷劑通過節流組件（膨脹閥或節流閥）時，一部分液相制冷劑閃蒸為制冷劑蒸氣，然后部分液相和氣相組成的制冷劑經過蒸發器，最后全部轉化為氣態制冷劑。蒸發器的重要的功能是實現制冷劑液體通過吸熱轉化為制冷劑氣體。在這一過程中，有一個非常重要的溫度點-蒸發溫度。要使蒸發器高效運行，蒸發器盤管內的制冷劑盡可能在全液態下運行，同時又不允許在盤管出口出現液態制冷劑。這是因為，蒸發器出口的液滴會對壓縮機造成傷害，所以需要對蒸發器設定一定的過熱度。蒸發器的過熱度越高，壓縮機的進口制冷劑的蒸氣壓力越低，不利于壓縮機的運行。另外，對于蒸發溫度的設定要依據空調運行工況，研究表明在冷凝溫度不變的條件下，蒸發溫度降低，壓縮機的制冷效率降低，排氣溫度升高。蒸發器中制冷劑，蒸發溫度降低1℃，要產生相同的冷量，耗電量約增加4.5%，而保證較高的蒸發溫度有利于節省能耗。因此需要在設計空調制冷系統時，選用適當的蒸發器進行匹配。

2.5 冷凝器

冷凝器是類似蒸發器的熱交換裝置，承擔為系統排熱的重任。其排熱能力決定了整個制冷系統運行的排氣壓力，排熱量越大（即冷凝器內制冷劑的溫度越低）制冷劑在蒸發器內吸收的熱量越大。對于常規冷凝器主要功能有：消除制冷劑過熱、制冷劑冷凝和制冷劑過冷。研究表明，冷凝器的過冷度每降低1℃，制冷效率提高2%。因此，選擇好的冷凝器有利于空調系統的節能。目前，冷凝器一般有兩種類型：水冷式冷凝器和風冷式冷凝器。水冷式冷凝器優點是換熱效果好，缺點是水管結垢的可能性大；風冷式冷凝器優點是結構緊湊，風冷式冷凝器之所以非常普及，是因為風冷式冷凝器幾乎不需要維護。因此，在大型的空調系統中選擇水冷式冷凝器比較合適，有利于節能；而在小型空調系統中，節能要求不高，通常采用風冷式冷凝器。

2.6 冷凝器的熱回收

冷凝器在工作過程中排出大量熱量，可以利用過熱排氣管線回收裝置進行熱量收集，排氣管線的溫度一般情況可達100℃，根據制冷量的不同，通過此裝置均可獲得60℃的水，且系統規格越大獲得的熱量越多，熱回收原理如圖1所示。利用熱回收裝置可回收能源達到30%以上。因此，在較大空調系統中安裝熱回收裝置可以有效進行節能。

3 暖通空調新技術的應用

3.1 變頻技術

變頻空調是通過變頻調節器來改變壓縮機供電頻率，從而實現制冷功率的調節，實現了連續低速的運轉，避免了壓縮機的頻繁啟動，實現了高效節能。

對于活塞式壓縮機，制冷量為公式（1）：

式中：Q0為活塞壓縮機制冷量，kW；λ為活塞壓縮機輸氣系數；qv為單位容積制冷量，kJ/m3；s為轉差率；f為頻率，Hz；Z為汽缸數；P為交流旋轉磁場的極對數。

對于螺桿式壓縮機，制冷量為公式（2）：

式中：Q0為螺桿壓縮機制冷量，kW；λ為螺桿壓縮機輸氣系數；qv為單位容積制冷量，kJ/m3；Cn為齒輪系數；L為轉子的工作長度，m；f為頻率（Hz）；s為轉差率；P為交流旋轉磁場的極對數。

從公式中可以看出，無論是活塞式壓縮機，還是螺桿式壓縮機，其產生的制冷量都與頻率成正比，只要電源頻率確定，在某一工況下壓縮機產生冷量就基本確定了。

變頻技術在現代空調中的應用越來越廣泛，在日本變頻空調的應用已超過80%，相關研究表明，通過對壓縮機、風機以及泵上使用變頻調速裝置，可以達到節電30%以上。

3.2 溫濕度獨立控制技術[3]

空調系統中共有兩部分功能：（1）對室內空氣進行降溫；（2）對室內進行除濕。一般除濕負荷占到空調負荷的30%～50%，這樣大量的顯熱負荷也用低溫冷媒處理，導致冷源效率低下。近年來此領域的一個重要方向就是采用溫度濕度獨立控制的空調方式。將室外新風除濕后送入室內，可用于消除室內產濕，并滿足新鮮空氣的要求，而獨立的水系統使用18～20℃的冷水循環即可滿足要求，通過輻射或對流型末端來消除室內顯熱。這一方面可以避免采用冷凝式除濕時為了調節相對濕度進行再熱而導致的冷熱抵消，還可以用高溫冷源吸收顯熱，使冷源效率大幅度提高。同時這種方式還可以改善室內空氣質量，因此普遍認為是未來主流空調方式。不過該項技術尚有難點，如新風的高效除濕。華南理工大學近年來開發的除濕轉輪[7]，可以進一步發展成為濕度獨立控制的新風處理方式。

3.3 蓄冷技術

蓄冷技術是一種利用晝夜電力負荷差異，在夜間或電力不緊張時用制冷機組制冰，使水的潛熱以冰的形式存貯起來，在白天電力緊張時，進行融冰釋放冷量，從而達到削峰填谷的目的。雖然整個制冷過程并不能節能，但是在一定程度上可以有效緩解用電高峰時期電力緊張的狀況，在地區電力價格為階梯電價時，可以節約用電費用。

3.4 數字化管理節能控制技術

運行管理對于暖通空調具有重要的作用，系統的運行節能控制可以彌補能源設計或管理模式存在的缺陷，通過對設備的運行控制，可以促進能源精確合理的消耗。最理想的狀態是通過數字化自動控制系統實現節能控制。自動控制系統主要的功能是進行監測、管理和測量建筑物內的各種設備以保證設備可靠安全運行，節省人力和能源。因此，實現建筑智能化，加強空調的自控系統管理，對空調節能有著重要的作用。

3.5 熱泵技術

熱泵是把處于低溫位的熱量輸送至高溫位的設備，其工作原理與制冷原理相同，與普通制冷空調系統相比較，增加了1個四通閥。如果說電加熱產生的熱能為1，那么熱泵可以產生的熱能為3～4，由此可以看出熱泵是非常節能且環保的產熱方式。由于煤電的轉化效率約為30%，這就意味著，熱泵的效率系數COP大于3，才具有真正的節能價值。熱泵技術是一項成熟技術，其真正難點在于提高效率系數COP大于3。即使這樣，熱泵技術在許多場合應用都能起到節能作用，如：有電無集中供暖的地區；對燃煤限制的地區等。

另外，隨著近年來國外技術的發展，熱泵技術的效率系數已逐漸突破3，例如：日本推出的以二氧化碳為工質的熱泵型熱水器，其效率系數超過3接近4；研制的空調系統在冬季供熱時其效率系數已接近4。

4 建筑節能技術

4.1 優化建筑設計

建筑造型及圍護結構形式對建筑物的性能有決定性的影響。直接的影響包括建筑物與外環境的熱交換、自然通風狀況和自然采光等，這三方面的內容構成70%以上建筑供暖通風空調能耗[3]。不同的建筑形式會造成能耗的巨大差別，建筑物是復雜系統，很難簡單的計算熱負荷的變化情況，采用動態的熱模擬技術進行不同建筑方案的熱狀態模擬，選擇適宜的建筑方案，可以有效節約暖通空調能源損耗。此類軟件有美國開發的EnergyPlus[8]、英國的 ESP[9]、日本的 HASP[10]等。

4.2 新型建筑圍護結構材料

采用新型圍護材料，能更好的滿足保溫、隔熱、透光、通風等需求[11]。主要涉及的產品：外墻保溫隔熱、屋頂保溫與隔熱、外窗和玻璃墻透光、智能遮陽裝置和調濕型飾面材料等。這些新型材料的應用，可以調節室內空氣溫濕狀態，減輕暖通空調熱負載。

5 總結與展望

通過優化設計提高暖通空調系統的節能效果，避免人為的能源浪費。采用空調新技術，如：變頻技術、熱回收技術等，提高能源的利用效率。提出建筑節能技術應用是解決建筑能耗的有效途徑，通過建筑節能技術應用降低建筑對暖通空調熱負荷的需求。

目前，暖通空調系統節能成為建筑節能的重點，尤其是對占建筑能耗50%～70%的空調系統能耗，節能設計的研究是建筑系統節能的基礎。所以要重視暖通空調系統的設計，加快新技術的開發應用。提高建筑的舒適度、成為低能耗的新型建筑。

[1]馬建堂，張為民，羅蘭，等.中國統計年鑒2013[M]，北京：中國統計出版社，2013.

[2]徐偉.中國建筑能耗現狀與節能技術對策[R].中國建筑科學研究院，2013.

[3]江億.我國建筑能耗狀況及有效的節能途徑[J].暖通空調，2005，35（5）：30-40.

[4]解國珍，姜守忠，羅勇，等.制冷技術[M].北京：機械工業出版社，2008.

[5]羅繼杰.節能減排-暖通空調（設計）行業面臨的機遇和挑戰[J].暖通空調，2012，42（1）：1-7.

[6]Willian C Whitman，Willian W Johnson，John A Tomczyk.Re?frigeration & Air Conditioning Technology[M].Cengage Learn?ing，2008.

[7]左遠志，丁靜，丁云輝，等.太陽能驅動除濕轉輪輔助中央空調系統的設計[J].節能技術，2005，23（1）：50-53.

[8]Crawley D B，Lawrie L K，Winkelmann F C，et al.Energy?Plus:creating a new-generation building energy simulation program[J].Energyandbuildings，2001，33（4）:319-331.

[9]Clarke J A.Energy Simulation in Building Design[M].Oxford:Butterworth-Heinemann，2001.

[10]松尾陽.空調設備動態熱負荷計算入門[M].日本:日本建設協會，1980.

[11]王起霄，劉淑靜，汝長海.淺談節能空調制冷系統分析[J].哈爾濱商業大學學報（自然科學版），2001，29：（3）：69-71.

[12]楊昌智.暖通空調工程設計方法與系統分析[M].北京:中國建筑工業出版社，2001.