暖通空調節能技術在建筑工程中的應用

羅東光

1 引言

近年來我國建筑工程市場飛速發展，由此導致的大量能源消耗與環境污染問題層出不窮。建筑能耗在我國社會總能耗中占比高達25～30%，且還在不斷增加。在我國民用建筑當中，能源的損耗主要來源于以下幾個方面：照明采暖、空調、通風、生活用水等。相關的統計資料顯示，僅空調、通風以及采暖這三方面的能耗就占能源損耗總量的50～65%。這就提示我們，今后建筑工程的重點之一就是有效利用暖通空調節能技術，并由此降低我國建筑的整體能耗，達到節能減排的目標。

2 暖通空調節能技術的重要性

我國自進入21世紀以來，現代化建設的步伐明顯加快，建筑工程方面，暖通空調系統的廣泛應用導致了大量的能源損耗，使我國原本就存在的資源匱乏情況進一步加深。建筑工程暖通空調設備的正常運轉需要依賴大量的不可再生能源（如煤炭），這些能源的轉化與利用在很大程度上依靠電能的供應。尤其是當夏季來臨，用戶的制冷需求會導致空調負荷的大量投入，此時若不采取有效的節能技術控制空調負荷的用電量，電力緊張的情況勢必會更加嚴重，因此暖通空調節能技術的應用迫在眉睫。

相關資料表明，以我國目前的暖通空調節能技術研究程度來看，現階段我國暖通空調節能技術有著良好的應用前景，預計能使暖通空調設備的能耗降低至現有水平的65～80%，有效改善我國能源損耗現狀。從我國現階段的暖通空調設備的使用情況來看，暖通空調節能技術有著廣闊的優化與改進空間。可以預見的是，隨著對現有技術的不斷完善與升級，暖通空調系統可以在滿足人民生活需求的同時，有效改善我國的生態環境現狀。

3 暖通空調節能新技術

3.1 變頻技術

變頻技術作為一種綜合性技術，被廣泛運用到各行各業的發展中，變頻空調就是變頻技術應用在暖通空調上的產物。壓縮機是暖通空調的重要組成部分，在空調制冷工況下，整個空調系統耗電量的40%都由壓縮機消耗，傳統的暖通空調根據系統預設的工況（即220V、50Hz）條件下工作，當建筑內外溫差不大，溫控需求比較低，空調系統負荷較小的情況下，暖通空調依舊按設定功率工作，不能根據外部環境變化做出相應調整，這就會導致大量電能的浪費。

變頻空調的原理是通過變頻器改變空調制冷壓縮機的供電頻率，從而達到改變制冷功率的目的，其需要的啟動電壓低，當供電電壓或者外部環境溫度較低時，變頻空調可以正常啟動，這就意味著變頻空調可以在一些環境惡劣的地區（如供電電壓不穩定、工作溫度低）持續、可靠地工作。變頻空調可通過內置的傳感器測定室內溫度，進而通過改變空調壓縮機的轉速來調節制冷量，為人們提供舒適的生活、工作環境。變頻技術賦予了暖通空調內置壓縮機無級變速的能力，可以有效應對大面積、大范圍的制冷、制熱需求。變頻空調分為兩種，分別是交流變頻空調和直流變頻空調，交流變頻空調的工作原理是測量工作環境溫度與空調內的預設溫度間的溫度差，將該差值輸入頻率控制器，產生特定的頻率信號，由該信號控制加在壓縮機的電機上的電壓，改變壓縮機的轉速和制冷量。直流變頻空調的工作原理是通過改變加在永久磁鐵上的電壓控制轉子的轉速，進而實現制冷、制熱需求。

表1 變頻空調與傳統空調的比較

目前，國內外的空調均已廣泛采用變頻技術，特別是日本國內非變頻空調的數量只占空調總數的10～20%，變頻技術帶來的節能效益也十分顯著，通過對壓縮機安裝變頻裝置，可以使空調系統的耗電量降低到原水平的70%以下。

3.2 溫濕度獨立控制技術

暖通空調的主要功能有兩個：①降低室內環境溫度；②降低室內環境濕度。一般用于第二種用途的空調負荷占到空調總負荷的40%左右，占比相當高，而這種負荷屬于顯熱負荷，使用低溫冷媒處理規模龐大的顯熱負荷，必然會導致冷源效率的降低。采用溫濕度獨立控制技術的空調可以有效避免這種情況的發生，該技術已成為近年來空調技術領域內的研究熱點。溫濕度獨立控制技術的原理如下：室內環境濕度的降低可以通過向室內送入經過除濕環節后的室外新風達到，這樣一來既滿足了降低濕度的要求，也達到了輸送新鮮空氣的目的；另一方面，室內溫度的降低可以通過獨立的水系統實現，該系統使用的循環水溫度在18～20℃，通過輻射或對流型末端來達到降低室內溫度的目的。這種技術的運用可以達到一舉三得的效果：①可以避免降溫、除濕兩種矛盾需求帶來的冷熱抵消；②可以用獨立水系統中的高溫冷源吸收顯熱，大幅提高冷源效率；③可以提高室內空氣質量，改善室內工作生活的舒適度，因此該技術被普遍認為是未來空調的主流技術。不過該項技術尚處于攻堅階段，一個需要攻克的重點就是如何對室外新風進行高效除濕。我國國內已有高校開發出了一種除濕轉輪，有望發展成為一種濕度獨立控制的室外新風處理方法。

3.3 蓄冷技術

空調蓄冷的原理是在電網負荷處于低谷、電價較低時將冷能儲存起來，當制冷需求較大或電網負荷處于高峰、電價較高時，將預先儲存的冷能釋放出來，以滿足電網負荷較大時人們生活工作的制冷需求，可以簡稱為“削峰填谷”。

蓄冷技術的使用可以達到合理使用能量的目的，一般來說，空調蓄冷系統的制冷設備容量占常規空調系統容量的50～70%，較低的容量意味著制冷劑使用量的降低，也意味著噪音的減少和工作環境的改善等。此外，蓄冷系統的工作時間一般在夜間，此時冷卻水的溫度必白天低，因此冷凝溫度叫白天也有了顯著降低，間接提高了制冷系統的效率，降低了電能的消耗。

3.4 熱泵技術

熱泵的工作原理與制冷原理類似，不同的是與空調中的制冷系統相比，熱泵多了一個四通閥，熱泵是將低溫位的熱量輸送至高溫位，以達到升溫取暖的效果。在耗電量相同的情況下，熱泵產生的熱能可達三倍甚至四倍于電加熱產生的熱能，這充分證明了熱泵是一種高效、節能、環境友好的采暖方式。科學統計表明，煤電的轉化效率約為30%，在這一前提下，熱泵的效率系數必須大于三才能真正意義上成為一種節能的取暖措施。如今熱泵技術已經十分成熟，其應用的難點在于如何盡可能地使效率系數更高。雖然要達到足夠高的效率系數還面臨著很多挑戰，但是熱泵技術已經在無集中供暖、有燃煤限制的諸多地區發揮著它的節能作用。令人欣喜的是，國外研究人員已率先使熱泵的效率系數達到甚至超過了3，比如日本近年來推出的以CO2為工作媒質的熱泵型熱水器的效率系數、最新研制出的空調系統在冬季時供熱狀態下的效率系數都已經突破了3的大關，正在向著“效率系數達到4”這一新目標發展。

3.5 數字化管理節能控制技術

暖通空調的運行管理是一項十分重要的任務，技術參數設計或管理規范存在的缺陷可以通過空調系統的運行節能控制來彌補，運行節能控制的應用可以對設備的運行狀態進行評估和修正，能夠使能源消耗向著更加精確細化的方向進行。實現節能控制的最理想途徑是數字化自動控制系統，其主要功能是對建筑物內的各種設備進行工況監測、功能管理和相關數據測量，能夠以其智能、高效的特點保證建筑物內的設備安全、可靠地運行，最大程度上節省人力和資源。因此，實現建筑智能化和空調的自控管理，是暖通空調的必然發展趨勢。

4 工程實例

本文選取上海某繁華地區商辦樓空調系統作為工程實例。

4.1 冷熱源

根據工程定位需求及節能方面的考慮，空調冷源選用四臺高性能離心式變頻電制冷機組，同時選用一臺水冷螺桿式電制冷機組用以輔助調節，空調系統的熱源選用三臺真空燃氣熱水鍋爐。

4.2 空調水系統

空調水系統采用機械循環四管異程式，一次泵變頻變流量系統。離心式冷水機組配備五臺變頻冷凍水泵；螺桿式冷水機組配備兩臺定頻冷凍水泵，真空鍋爐配備四臺變頻熱水泵。冷凍水、熱水系統均配備有分集水器，分集水器均為三路配備，一路為商業空調，一路為辦公塔樓，一路作為備用。

圖1 冷源水系統示意圖

4.3 冷卻水泵

離心式冷水機組配備五臺變頻冷卻水泵，螺桿式冷水機組配備兩臺定頻冷卻水泵，塔樓屋面層配備八臺開式橫流冷卻塔，各冷卻塔風扇均配備有變頻器及防凍電加熱器。此工程還配備有余熱利用系統，市政給水可以通過容積式換熱器與冷卻水換熱后作為居民用熱水的預熱環節。

由于計算機機房、通訊設備房的空調需求較為特殊，此工程在塔樓屋面層設置24h冷卻水系統，為4～27層辦公樓標準層供應冷卻水。系統配備三臺閉式冷卻塔，其中兩臺投入使用，一臺作為備用。整個冷卻水系統結構為豎向、橫向皆同程，以滿足系統的水力平衡需求。

4.4 空調節能自動控制系統

此工程采用了只能樓宇自動控制系統。系統配備一套設備能耗及效率監測中心，逐時對系統內主要設備的工作狀態參數進行計算，并能在檢測到異常狀態時發出信號，將相關設備的運行頻率修改為指定值，達到不斷優化的目的，以降低空調系統的能耗。

5 結束語

綜上所述，我國正全力推進現代化建設，在這一大背景下，建筑工程也在飛速發展。暖通空調的廣泛應用使得社會各界開始關注暖通空調節能技術研究，暖通空調節能技術的應用不僅可以加快我國的建設步伐，也符合節能減排和可持續發展的要求。隨著暖通空調節能技術的完善和進步，我國建筑工程市場必將再上一個臺階，進一步貫徹落實科學發展觀。

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