暖通空調系統設計中節能技術的運用

王劉燦

（華誠博遠工程咨詢有限公司 北京 100042）

近年來，我國經濟由粗放型增長模式轉型到了集約型經濟增長模式，需要減少能源消耗，降低資源浪費，有效解決生態環境污染問題。隨著中央空調暖通設備使用數量的增多，能耗問題也越來越突出，受到了社會各界的廣泛關注。由于當前階段中央空調暖通設備生產制造中已經通過應用產業鏈思維，建立了以研發設計、采購運輸、施工建設、訂單處理、市場營銷、售后運維管理為主要內容的產業鏈條，并且形成了設計環節引領、其他環節按部就班實施的模式，因而，需要通過在設計環節增加節能措施，較好地實現系統性節能目標，以此解決能耗問題。

1 節能理念的內涵及應用原則

1.1 內涵

節能理念于1979年由世界能源委員會首次提出，通過后續在全球可持續發展方面的應用，獲得了廣泛研究與推廣應用。我國在1997年通過了《中華人民共和國節約能源法》，并且在后續的歷次修訂中對其進行了完善。我國在提出“雙碳”目標的背景下，進一步深化了對節能理念的研究與在各行業諸領域的應用。從概念界定看，節能主要指在滿足技術、經濟、環境、社會等需求的條件下，采用科學技術、管理技術，合理利用能源與資源，提高生產效率、降低能耗與資源消耗、減少對生態環境污染等，以此保障應用對象使用過程中產生的綜合效益［1］。

1.2 應用原則

在節能理念應用原則方面，主要包括節約性原則、系統性或整體性原則、適應性原則、循環利用性原則。以節約性原則為例，既要使能源、資源獲得節能，也要求將能源、資源的節能手段所需的成本投入降至最低。因此，要求在節約能源、資源使用量的情況下，節約節能成本與應用能源與資源中產生的成本。例如，節能理念在中央空調暖通設計中的應用就能較好地達到節約目標。以整體性原則為例，節能理念的應用需要在整體上實現節能、在局部確保節能的有效性。目前的經驗表明，中央空調應用時屬于一個完整的暖通系統，整體上的節能可以使節能設計與節能減排目標趨于一致，并且從更為宏觀的層面提高暖通系統運行中的節能效用。以適應性原則為例，中央空調作為一種設備，需要借助不同的輔助措施保障其功能的有效應用。

但我國幅員遼闊，不同的地區、不同的中央空調應用對象及應用需求存在差異，所以，應用節能理念時，需要考慮它的適應性。以循環利用性原則為例，無論是能源還是資源，在其應用過程中，如果通過建立一種循環模式，既可以提高能源與資源利用率，也可以由此推動循環經濟的發展。中央空調暖通系統含有不可循環利用原材料，在應用節能理念后，可以借助對材料的選擇與對設備使用后的回收利用，以及在使用過程中產生的能量的循環利用，使其轉向循環利用方向［2］。

2 節能理念下中央空調暖通設計需求

2.1 系統節能需求分析

中央空調暖通設計要求滿足采暖、通風、空氣調節三大基本功能。作為一種分戶使用的中央空調，其中包括了氟利昂系統與水系統，因而，在進行設計時，為了減少能源消耗與資源浪費，需要通過系統節能實現總的節能減排目標。第一，中央空調暖通系統規模大、功能多，具有一定的復雜性（見圖1）。設計師在進行設計時，通常會根據安裝場所的時間—溫度關系、每日平均最高氣溫或最低氣溫等進行折算。可是，由于折算后只有幾小時的最高氣溫與最低氣溫，導致了冷負荷、熱負荷均不能達到最大值，因此容易出現能耗過剩現象。第二，當前，中央空調暖通系統設計過程中，使用的原材料具有多樣性，設計趨于多元化，系統參數需要根據運行情況進行持續監測與調整。但是，在系統設計方面的節能評價相對不足，當中央空調暖通系統經過一些特殊區域時，會產生能源損耗。第三，中央空調系統、冷熱水系統、風系統屬于總系統中的子系統，均具有系統控制特征，在實際使用中，需要將影響它們的因素結合起來，合理地根據季節、溫度、自動控制、風量調節、冷凍水、蒸發耗水、飛水、排污換水等進行節能控制，才能達到系統節能目標。所以，在系統節能設計方面，需要充分考慮系統節能與專項節能需求之間的關聯性，進而保障設計環節全面節能目標的實現［3］。

圖1 中央空調系統原理示意（局部）

2.2 專項節能需求分析

2.2.1 資源節能

在可持續發展戰略目標牽引之下，要將節能理念科學地應用到中央空調暖通設計之中，需要充分考慮資源節能問題。根據現階段的設計經驗來看，在能源節能方面，主要以新能源代替舊能源為主。例如，中央空調暖通系統在使用階段會耗費大量的電能資源，此時，就可以通過太陽能發電、風力發電、熱力發電等新能源取代當前使用的火電能源。為了保障中央空調暖通系統應用的節能性，需要在設計通風系統環節時盡可能做好密封設計，預防溫度散失、風量損耗；在水系統設計方面，則應該盡量采用循環利用設計，減少水資源消耗，以此滿足資源節能需求［4］。

2.2.2 成本節能

中央空調暖通節能設計中，需要投入相應的成本，包括物料成本、設計成本、時間成本、技術成本，以及系統運行階段的使用成本等，此時，需要對系統設計相關的各類成本進行精準核算，才能達到預期的成本節能目標。當前的設計中，主要是按照制定節能設計要素清單、設置設計指標的辦法，運用定額設計方法進行成本節能。例如，在原材料選擇方面，連接管道的設計通常要考慮它環保性能、市場價格、使用壽命、配套的保溫材料與施工技術等，進而確保管道設計環節節約成本。簡單來講，在水系統、風系統、中央空調系統的設計過程中，需要結合材料、工藝、技術、市場、效用等，促進設計成本節能目標的實現［5］。

2.2.3 使用節能

中央空調暖通設計方案在投入使用后，為了保證專項節能目標的實現，通常會在設計環節引領的思路下，于設計環節提高系統控制方面的參數設計。目前的設計中，包括了以人流量調整設計指標、根據實際使用情況設置制冷主機、結合使用環境調節水系統的設計方法。從經驗看，重點集中于相關數據的監測設計、各項指標參數的范圍控制設計等，其中包括了傳感器、數據分析系統設計等。所以，在資源節能設計需求方面，既應該注重能源資源、設備資源，也應該從能源、設備使用的參數著手，作好數據資源節能設計，尤其應該結合中央空調暖通系統運行管理中的各個環節進行設計，保障設計方案在后續使用中的有效性［6］。

3 節能理念下中央空調暖通設計措施

3.1 科學設計機房位置

中央空調暖通設計方案以具體的建筑物為載體，其中包括不同類型的機房，如排風、空調、熱交換、制冷機房。就設計的科學性與合理性而言，冷熱源通常要進行集中布置，空調機房則宜采用分散設置。簡單來講，不同的機房功能及作用存在差異，而且其功能的實現主要通過管道實現，因而，需要盡可能選擇管道短、段面小、節省空間的方案。例如，在現代的高層建筑物中，中央空調暖通系統要借助總管道、分支管道將熱風與冷風輸送到各家各戶，此時，對于處在核心地位的中央空調系統設計而言，既要考慮到管道的占用的空間位置是處于相對較小的范圍，也應該將段面控制到較小范圍，提高輸送能源的最大化，另外，管道長短直接影響了材料的選擇、使用量、成本投入、使用效果。再如：冷凍機、熱交換機房的設計要考慮能量的傳輸方式，盡量將其布置在地下室，使其在能量傳輸時產生較大的效用；而排風機設計時，應該以屋面為準，盡可能使所有的能量在最大使用效用的條件下獲得有效利用后經過最高位置進行排出。由此可見，科學設計機房位置，實際上要求設計師將建筑體、不同機房的功能，以及機房間的資源利用情況結合起來，從而使能源、資源利用達到最大化、能耗達到最小化。

3.2 細化室內設計參數

中央空調暖通系統的應用對象是室內，而集中在辦公區域或居住區域，在公共空間的使用相對受限。從整體上看，系統設計方案在實質上是一個封閉系統，根據系統控制需求看，封閉系統中的節能目標之實現旨在提高系統控制的精準度。首先，室內設計參數取值會對舒適度、造價、運行效率、運行能耗產生實質性影響，因此，在參數設計時，需要考慮參數的實際影響，再結合ASHRAE62標準，適當地降低設計標準。其次，中央空調暖通系統設計方案是為了滿足其應用效用的最大化、投入資源的最小化目標，因而，在室內設計參數取值控制方面，應注重設備使用指標與外部環境之間的關聯性。例如，一天中的溫度有變化，變化具體體現在不同的時間段，而中央空調暖通系統應用中，要做到精準調節具有一定的困難，在這種情況下，應該結合節能評價、外部環節監測數據，合理地設計室內參數調節范圍。

3.3 降低空調運行能耗

首先，在運行能耗控制方面，應該以節能理念為主導，選擇可再生能源，如當前應用較多的太陽能、地源熱泵。利用太陽能時，可以在設計中選擇主動型、被動型兩種方案，考慮到主動型設計方案的應用成本較高，可以選擇被動式方案，借助調整建筑構件與暖通設備位置進行設置。利用地源熱泵時，制冷與供熱均可滿足，工作原理相對簡單。建議在比較成本投入后選擇合適的方案。

其次，在新風量節方面，新風負荷通常占到中央空調總負荷的20%～40%，當滿足室內衛生需求后，可以適度地減少新風量，在該方面應該注重設計風量時的取值范圍控制。由于運行能耗與圍護結構熱工性能、氣候變化、室內空間使用功能相結合，此時，應該結合數據分析方法，先作好預測控制，再根據降低空調運行能耗的目標，進行舒適度、設備容量、運行時間方面的參數控制設計。目前，在中央空調暖通設計中增加了智能控制系統，因此，建議借助傳感器設置、通信關聯、數據分析，將終端的數據采用、PC端的數據分析、管理中心的空調運行控制結合起來，進行系統性設計，確保冷熱源能源控制、中央空調系統控制、室內外空氣狀態參數控制達到最佳節能設計目標。

3.4 降低水系統的能耗

建議在設計階段區分隱性能源的來源，減少水量消耗同時耗費大量電能的情況。例如，當前的隱性能耗主要集中在冷凍水系統、冷卻水系統，其中，冷卻水系統包括了蒸發耗水、飛水消耗、排污換水消耗。此時，可以按照專項設計思路，在冷凍水系統設計方面，加強管路保溫設計，包括保溫材料選擇、保溫方式設計、排污閥與旁通閥控制設計。在冷卻水系統節能設計方面，風機大量送風的設計辦法雖然降低了冷卻塔出水溫度，卻增加了電能損耗，此時，應該考慮冷凝壓力與機組耗電指標間關系進行合理設計。而飛水方面的節能設計，應該從風機葉片的調整設計進行控制；至于排污換水方面的節能設計，建議從清潔水系統方向考慮，能夠減少換水頻率的設計辦法，因此，排污換水過程中的消耗無法規避，只能選擇盡可能小的換水頻率，以此達到降低能耗的目標。

4 結語

總之，節能已經成為了可持續發展戰略中的重要實踐途徑，在中央空調暖通系統設計中應用節能理念，一方面需要在深度、廣度、精度層面加強對節能理念的研討；另一方面則應該結合中央空調暖通設計需求，制訂合理的研發設計應用方案。通過以上初步分析，可以看出，系統節能、專項節能應該體現在中央空調暖通設計的各個層面，因此，建議在機房位置、室內設計參數、空調運行能耗、水系統能耗等方面以節能理念為主導，合理地制定相應的節能措施。