我國暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計與運行階段的節(jié)能探討

劉文青

（江蘇省建筑設(shè)計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

隨著經(jīng)濟的發(fā)展，我國的總社會能耗不斷攀升。在我國能耗體系中，建筑能耗和工業(yè)能耗、交通能耗并稱為“三大能耗”，其中建筑能耗約占總能耗的35%，而在建筑能耗中，空調(diào)能耗占比最大，約為65%～70%。城鎮(zhèn)化進程的推進帶來了建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，建筑能耗不斷增加，其占社會總能耗已達30%左右。暖通空調(diào)能耗的增加，勢必帶來社會總能耗的增加，同時也會帶來二氧化碳排放增多等環(huán)境問題。因此，對暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究顯得尤其必要。本文分析了暖通空調(diào)能耗的組成，并分別就設(shè)計和運行階段提出了節(jié)能措施。

1 空調(diào)系統(tǒng)能耗的構(gòu)成

一般對于大型水冷空調(diào)系統(tǒng)而言，能耗由制冷主機、末端和輸送系統(tǒng)的3 部分能耗組成。對于暖通空調(diào)系統(tǒng)而言，其能耗最大的部分是冷水機組。冷水機組的額定功率從100～1000kW 不等，其提供的冷凍水（7℃）為建筑提供冷量，供水溫度的高低直接影響機組的負荷；末端為空氣處理設(shè)備，通過空氣間的冷熱交換在夏季帶走熱量，在冬季供給熱量。如回水溫度高，則會增加機組負荷；輸送設(shè)備一般包括水系統(tǒng)的水泵能耗和空氣系統(tǒng)的風(fēng)機能耗，水泵功率從10～100kW，風(fēng)機一般從1～10kW，雖然單體功率相較于冷水機組較小，但數(shù)量較多，帶來的總體能耗在空調(diào)系統(tǒng)中占有相當(dāng)比例。

2 設(shè)計階段的節(jié)能措施

2.1 冷熱源的優(yōu)化設(shè)計

在空調(diào)系統(tǒng)的能耗中，冷熱源可以占到系統(tǒng)總能耗的60%以上，所以冷熱源的設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的重中之重。一般而言，空調(diào)系統(tǒng)的主機都按最大負荷進行設(shè)計，而空調(diào)系統(tǒng)在不同工況時有一條最佳曲線，滿足此曲線時，

系統(tǒng)的運行效率最高，這一點往往被設(shè)計師在設(shè)計階段被忽略。在設(shè)計時，應(yīng)控制主機盡可能滿足特性曲線，還應(yīng)注意合理選擇主機功率，如根據(jù)使用負荷去選擇大小結(jié)合的主機，這樣當(dāng)系統(tǒng)處于小負荷時，可以切換到小容量主機的運行，達到明顯的節(jié)能效果。

此外，室內(nèi)參數(shù)的選取對主機負荷的影響較大。在設(shè)計時，應(yīng)避免夏季采用過低溫度和冬季采用過高溫度。設(shè)計時避免送風(fēng)溫度過低。假設(shè)同樣的室溫條件下，送風(fēng)溫度由18℃降低為14℃的話，新風(fēng)負荷會增加1/4左右，這樣會帶來系統(tǒng)總能耗的攀升。從健康、舒適和節(jié)能的角度，夏季室內(nèi)設(shè)計溫度應(yīng)比室外低5%～8%。

2.2 合理的自控系統(tǒng)設(shè)計

暖通空調(diào)的自控不僅可以節(jié)約人力，還可以保證室內(nèi)各參數(shù)處于設(shè)定值，達到節(jié)能運行的目的。隨著計算機和自控技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)應(yīng)采用先進的軟件對系統(tǒng)運行和能耗進行實時監(jiān)控，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和上傳，保證系統(tǒng)處于節(jié)能運行的狀態(tài)。

對于舒適性空調(diào)而言，空氣溫度、濕度、風(fēng)速、環(huán)境溫度等參數(shù)都會對居住者的身體健康帶來影響。現(xiàn)有的控制系統(tǒng)往往只是監(jiān)測空氣溫濕度，甚至僅僅監(jiān)測溫度，是不全面的。熱濕環(huán)境的研究結(jié)果為我們采用新的控制方法提供了依據(jù)，如可以采用舒適性評價指標(biāo)，即體感指標(biāo)來作為新的控制參數(shù)，這樣既滿足了室內(nèi)居住者的健康，又可以達到節(jié)能的目的。

2.3 熱回收的利用

在夏季，如室內(nèi)排風(fēng)溫度低于室外新風(fēng)溫度，這一部分冷量可以回收。具體而言，是通過新風(fēng)交換機將排風(fēng)的冷量加以交換傳遞給室外新風(fēng)，室外新鮮的空氣在進入室內(nèi)之前得到預(yù)冷，而較污濁的冷風(fēng)在排出之前將部分冷量“留在室內(nèi)”，從而達到節(jié)能的目的。現(xiàn)有設(shè)備有板翅式換熱器和轉(zhuǎn)輪式冷量回收等方式。如板翅式為紙質(zhì)的，可以實現(xiàn)傳熱的同時傳質(zhì)，即全熱交換；如果板翅式為鋁片，則只能傳熱，即實現(xiàn)顯熱交換。

2.4 可再生能源的利用

隨著空調(diào)能耗的增加，一方面導(dǎo)致不可再生能源的大量消耗，另一方面帶來嚴(yán)重的環(huán)境污染。可再生能源、清潔能源用于暖通空調(diào)系統(tǒng)，在近年來得到長足的發(fā)展。地源熱泵系統(tǒng)為其中之一，其原理是利用土壤或地下水這樣的天然巨大的冷源，在夏季將熱量排至土壤或地下水中，在冬季再從中吸取熱量。一方面土壤或地下水的比熱大于空氣，換熱效果較好，二來此種方式可以減小城市的熱島效應(yīng)，從而進一步減少整個城市的能耗。另一種可再生能源利用——太陽能熱泵技術(shù)，在近年來也得到了較多的應(yīng)用。在供熱時，熱泵的效率永遠大于1，從這一點來看，該系統(tǒng)的節(jié)能性明顯好于電制熱，太陽能和儲能技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，進一步提升了熱泵的節(jié)能性，在有條件的地區(qū)，該系統(tǒng)應(yīng)該加大推廣力度。

3 運行階段的節(jié)能措施

3.1 主機節(jié)能運行

因為空調(diào)主機的能耗在系統(tǒng)中占比最大，所以其節(jié)能性運行不可忽視。目前有的系統(tǒng)采用多臺主機并聯(lián)的方式，在對建筑不同場所的空調(diào)負荷進行調(diào)查分析后，尋求最佳的啟停控制方式。在此過程中，有些細節(jié)需要注意，如多臺機組并聯(lián)時，應(yīng)先關(guān)閉不開啟主機的進水閥門，否則壓力降增大時，操作員往往選擇加大關(guān)閉主機的閥門，這樣會造成冷量的浪費。對于采用變頻技術(shù)的主機，當(dāng)系統(tǒng)處于部分負荷時，有研究顯示2 臺50%負荷運行的主機的能耗小于單臺主機100%負荷運行下的能耗。此種主機的節(jié)能運行方式值得借鑒。

3.2 冷卻塔的節(jié)能運行

影響冷卻塔冷卻能力的因素有循環(huán)水量、水溫、風(fēng)量以及當(dāng)?shù)乜諝獾母蓾駵囟取Ｄ壳斑\行方式有：

（1）運用溫度控制的手段。當(dāng)熱負荷變化時，熱敏電阻連接溫度調(diào)節(jié)器，控制冷卻塔風(fēng)機的啟停。當(dāng)熱負荷低于某一值時，冷卻塔風(fēng)機停機，熱負荷上升時，冷卻塔風(fēng)機開機。

（2）當(dāng)冷卻塔風(fēng)機并聯(lián)時，負荷的變化可以通過風(fēng)機啟停數(shù)量來控制。

（3）變頻運行。溫度傳感器將出水溫度值傳遞給內(nèi)置的PID 控制器后，送出速度并控制輸出，最終調(diào)節(jié)冷卻塔風(fēng)機的轉(zhuǎn)速。此種運行方式要注意的是冷卻塔風(fēng)機的慣性一般較大，要預(yù)留出30～50s 的加減速時間。此外還應(yīng)防止冷卻風(fēng)機出現(xiàn)特定轉(zhuǎn)速下的機械共振現(xiàn)象。

3.3 水泵、風(fēng)機的變頻運行

目前，很多中央空調(diào)系統(tǒng)對水泵、風(fēng)機采用的控制方式為舊有方式，即改變水泵、風(fēng)機的啟停臺數(shù)來調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。該方式在設(shè)備全開全閉輪流運行時，電能的浪費較大，此外會帶來較大的電流沖擊，影響設(shè)備壽命。如采用變頻設(shè)備，則可以帶來如下好處：一是軟啟動的電機帶來設(shè)備壽命的增加。二是輸送系統(tǒng)因為變頻帶來能耗的明顯下降。三是系統(tǒng)的舒適性較好。需注意的是，變頻系統(tǒng)較之于定頻系統(tǒng)，在運行時更加復(fù)雜，要根據(jù)現(xiàn)場的實際情況選擇控制方式。

4 結(jié)語

暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能關(guān)系到降低建筑能耗和社會總能耗的實現(xiàn)，還關(guān)系到人們對健康、舒適、安全的室內(nèi)環(huán)境的需求，因此暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能研究應(yīng)給予足夠的重視。文中介紹了空調(diào)系統(tǒng)能耗的組成，認為運行階段和設(shè)計階段對于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能同等重要。給出了近年來設(shè)計和運行方面可以采用的節(jié)能手段和措施，這些措施的實施會使得暖通空調(diào)系統(tǒng)更好地發(fā)揮其經(jīng)濟、節(jié)能、安全、舒適的作用，以促進國民經(jīng)濟發(fā)展和人們生活水平的提高。