關(guān)于暖通設(shè)計中綠色節(jié)能技術(shù)的實踐

◎張文超

為解決建筑暖通系統(tǒng)能耗相對較高的問題，在介紹暖通系統(tǒng)分類及現(xiàn)階段常用變風量與變水量系統(tǒng)原理特點的基礎(chǔ)上，提出暖通設(shè)計可供參考與使用的綠色節(jié)能技術(shù)與方法。

隨著目前全球氣候變化對人類社會構(gòu)成重大威脅，越來越多的國家將“碳中和”上升為國家戰(zhàn)略，提出了“無碳未來”的愿景。2020 年，我國政府提出了“碳達峰”和“碳中和”的目標愿景。目前中國建筑能耗約占全社會能耗的45%，而在建筑能耗中暖通空調(diào)系統(tǒng)又是不折不扣的“大戶”，特別是公共建筑中空調(diào)系統(tǒng)能耗占比為30%~50%不等。在這種情況下有必要在掌握暖通系統(tǒng)類型及原理的基礎(chǔ)上，在暖通設(shè)計中引入合理可行的綠色節(jié)能技術(shù)。

一、暖通系統(tǒng)概述

暖通系統(tǒng)有很多類型，也有很多分類方法，以下就幾種常用方法進行分析：

1.若按照負擔室內(nèi)熱濕負荷所用介質(zhì)，可將暖通系統(tǒng)分成以下幾種：其一，全空氣空調(diào)，該系統(tǒng)中空氣必須經(jīng)冷卻和去濕處理后送入室內(nèi)。至于房間的采暖可以用這同一套系統(tǒng)來實現(xiàn)，即在系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)空氣加熱和加濕（也可以不加濕）設(shè)備；也可以用另外采暖系統(tǒng)來實現(xiàn)。集中式全空氣空調(diào)系統(tǒng)是用得最多的一種系統(tǒng)形式，尤其是空氣參數(shù)控制要求嚴格的工藝性空調(diào)大多采用這種系統(tǒng)。傳送冷（熱）量的主要媒介是空氣。其二，空氣與水相結(jié)合的空調(diào)，即室內(nèi)所有負荷均由處理過的空氣與水負擔；其三，全水空調(diào)，即室內(nèi)所有負荷均由水作為介質(zhì)負擔。其四，制冷劑系統(tǒng)，即室內(nèi)負荷由制冷劑負擔，

2.若按照空氣處理裝置，可將暖通系統(tǒng)分成以下幾種：定風量系統(tǒng)、變風量系統(tǒng)與風機盤管系統(tǒng)。其中，定風量與變風量系統(tǒng)均為全空氣空調(diào)，兩者的區(qū)別在于前者送風量恒定，如果空調(diào)負荷減小，則系統(tǒng)風機轉(zhuǎn)速保持恒定，造成一定程度的能量浪費；對于變風量系統(tǒng)，主要借助變風量裝置對房間送風量進行調(diào)整，使房間溫度得以有效控制，其風機利用變頻器控制，如果空調(diào)負荷產(chǎn)生變化，則變頻器能自動控制風機，使其轉(zhuǎn)速與負荷相適應(yīng)，使系統(tǒng)表現(xiàn)出良好節(jié)能效果；對于風機盤管系統(tǒng)，目前比較常用，盤管負責輸送冷凍水，而風機負責將冷卻或加熱處理后的空氣輸送至室內(nèi)，以此實現(xiàn)降溫或升溫。

3.若按照水量特性，可將暖通系統(tǒng)分成以下兩種：其一，定水量系統(tǒng)，即系統(tǒng)中冷凍水量保持恒定，如果空調(diào)負荷減小，則水泵轉(zhuǎn)速保持恒定，導(dǎo)致一定程度的能量浪費；其二，變水量系統(tǒng)，采用變頻控制方式，能根據(jù)負荷的實際情況對冷凍水送水量進行控制，以此提高整個機組的運行效率，從而節(jié)約電能。

對于以上空調(diào)系統(tǒng)，以變風量與變水量系統(tǒng)為當前較為先進和節(jié)能水平較高的類型，以下對這兩種系統(tǒng)進行深入分析。

變風量系統(tǒng)屬于全空氣空調(diào)，以單風道定風量系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來。當空調(diào)服務(wù)區(qū)域負荷變化較大，多個房間或者區(qū)域合用一個空調(diào)系統(tǒng)，且需要分別調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度時，尤其是需要長年送冷的內(nèi)區(qū)空調(diào)房間，這種情況下適宜采用變風量全空氣系統(tǒng)。通過設(shè)置在空調(diào)服務(wù)區(qū)域內(nèi)的獨立調(diào)節(jié)風門及恒溫控制器，能通過對房間送風量的適當調(diào)節(jié)適應(yīng)負荷實時變化。從七十年代開始，全球能源危機促使人們的思想觀念發(fā)生巨大變化，提高空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能水平逐漸引起人們的重視，這在很大程度上促進了變風量空調(diào)的發(fā)展。目前，該系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)較為普遍。變風量系統(tǒng)也有很多種類型，但無論何種類型，都包含以下四個組成部分：變風量末端裝置、空氣處理與輸送設(shè)備、風管系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)。對于變風量末端裝置，它是該系統(tǒng)的核心所在，能以房間顯熱負荷為依據(jù)，對送入到房間中的風量進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)對房間溫度的有效控制；對于空氣處理與輸送設(shè)備，負責處理并輸送空氣，其中，空氣處理包含熱處理與濕處理；對于風管系統(tǒng)，同樣輸送并分布空氣；對于自動控制系統(tǒng)，負責實時監(jiān)控系統(tǒng)各項參數(shù)，如溫濕度、風量和壓力，通過適當?shù)目刂剖瓜到y(tǒng)運行保持穩(wěn)定。該系統(tǒng)的原理為通過對送風量的控制適應(yīng)負荷變化要求，使房間空調(diào)參數(shù)保持在理想范圍內(nèi)。對定風量系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)有以下兩層含義：第一，系統(tǒng)的總風量可以發(fā)生變化；第二，末端裝置對應(yīng)的一次送風量也可發(fā)生變化。該系統(tǒng)的核心控制內(nèi)容為風量控制，如果室內(nèi)負荷改變，則末端設(shè)備自動對室內(nèi)風量進行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)風量改變，由變頻器對風機轉(zhuǎn)速予以調(diào)整。系統(tǒng)具體原理為：如果房間內(nèi)的負荷變小，則系統(tǒng)送入到房間內(nèi)的一次風量也變小，對系統(tǒng)提出的風量要求降低，系統(tǒng)控制器采用適當?shù)目刂品椒ń档拖到y(tǒng)風量；相反，如果房間內(nèi)的負荷變大，則送入到房間內(nèi)的一次風量變大，對系統(tǒng)提出的風量要求升高，系統(tǒng)控制器采用適當?shù)目刂品椒ㄉ呦到y(tǒng)風量。該系統(tǒng)常用風量控制方法包括以下幾種：定靜壓法、變定靜壓法、總風量法與變靜壓法。

和變風量系統(tǒng)不同，變水量系統(tǒng)無需改變風機風量，與冷凍水泵為主要控制點，該系統(tǒng)按照一定供水溫差供應(yīng)空調(diào)機，能顯著提升運行效率，同時采用變頻調(diào)速水泵對冷凍水送水量進行控制，以此節(jié)省水泵電能。該系統(tǒng)的出現(xiàn)與發(fā)展也和全球能源危機有關(guān)，從九十年代開始，依托于計算機技術(shù)不斷發(fā)展，該系統(tǒng)也得到很快的發(fā)展。截至目前，我國在變水量系統(tǒng)方面取得了良好的應(yīng)用成效，尤其是在對定水量系統(tǒng)進行改造方面。在暖通系統(tǒng)中，冷凍水系統(tǒng)可分成一次泵、二次泵與三次泵三種，變水量系統(tǒng)據(jù)此也可分成一次泵變水量系統(tǒng)（圖1）、二次泵變水量系統(tǒng)和全變速一次/加壓泵系統(tǒng)三種。

圖1 一次泵變水量系統(tǒng)

變水量系統(tǒng)原理為通過對冷凍水實際供水量的適當改變來適應(yīng)房間負荷變化要求，使房間空調(diào)參數(shù)始終保持在理想范圍內(nèi)。對于一次泵定流量系統(tǒng)，流量根據(jù)最大負荷確定，當系統(tǒng)負荷側(cè)冷負荷減少時，空調(diào)水系統(tǒng)處于大流量、小溫差的狀態(tài)，水泵的無效能很大，不利于節(jié)約水泵的能耗。而變流量系統(tǒng)能根據(jù)負荷變化對水泵流量進行調(diào)節(jié)，在保證溫差不變的同時，適當改變流量，以此減少水泵能耗。該系統(tǒng)控制核心內(nèi)容為水量控制，定流量系統(tǒng)通過對多臺水泵的并聯(lián)對流量進行階梯式調(diào)節(jié)，該方法不僅調(diào)節(jié)范圍較小，而且能耗很高。而通過變頻調(diào)速水泵的引入，除了能增大調(diào)節(jié)范圍，提高效率，還能提高節(jié)能效果。該系統(tǒng)的原理為：如果房間負荷變小，則冷凍水的溫差降低，控制器采用適宜的控制方式降低冷凍水的流量；相反，如果房間負荷變大，則冷凍水的溫差升高，控制器采用適宜的控制方式增加冷凍水的流量，以此確保冷凍水溫差始終處于理想范圍[5]。一次泵變流量常用2種方法：一方面是在負荷側(cè)通過調(diào)節(jié)電動兩通調(diào)節(jié)閥的開度改變流經(jīng)末端設(shè)備的冷凍水流量，以適應(yīng)末端用戶空調(diào)負荷的變化；另一方面是在冷源側(cè)采用可變流量的冷水機組和變頻冷凍水泵，使蒸發(fā)器側(cè)流量隨負荷側(cè)流量的變化而變化，從而最大限度地降低冷凍水泵的能耗。需注意：在常規(guī)設(shè)計中，會考慮冷水機組的最小流量不宜低于設(shè)計流量的30%~50%，會采用一次泵定流量，二次泵變流量。該系統(tǒng)常用水量控制方法包括以下幾種：溫差控制、改進后溫度控制、變壓差控制與回水溫度預(yù)測控制。

二、暖通系統(tǒng)節(jié)能

建筑能耗包含多個方面，暖通空調(diào)作為建筑主要組成部分之一，其能耗在建筑總能耗中占據(jù)很大比重，因此在暖通設(shè)計中采用合理可行的節(jié)能技術(shù)對當前的節(jié)能環(huán)保有重要現(xiàn)實意義，必須引起暖通專業(yè)設(shè)計人員的高度重視，根據(jù)以往相關(guān)經(jīng)驗，在實際的暖通設(shè)計過程中，可從以下幾個方面入手實現(xiàn)綠色節(jié)能：

1.圍護結(jié)構(gòu)方面。采取使用的遮陽與隔熱措施，建筑屋頂、外墻及外窗是室內(nèi)外熱量交換發(fā)生的主要部位，對此應(yīng)采取有效的遮陽及隔熱措施，如在建筑外墻設(shè)置遮陽板，采用雙層玻璃，在屋頂設(shè)置遮陽棚或采用屋頂花園，建筑外墻砌體采用有較好保溫效果的材料，以此減少室內(nèi)外熱量交換，從而降低夏季空調(diào)房間制冷負荷與冬季空調(diào)房間制熱負荷。

2.空調(diào)參數(shù)設(shè)置方面。適當降低空調(diào)房間的溫度設(shè)定標準，在不影響舒適度的基礎(chǔ)上，提高夏季空調(diào)房間溫度，并降低冬季空調(diào)房間溫度，在沒有特殊要求的情況下，夏季制冷時建議將空調(diào)房間溫度設(shè)定為不低于26℃，而在冬季制熱時建議將空調(diào)房間溫度設(shè)定為不高于20℃。對于空調(diào)房間相對濕度，一般沒有統(tǒng)一要求，但在不影響舒適度的情況下降低其設(shè)定標準，也能起到減少能耗的作用，一般而言，夏季制冷時空調(diào)房間相對濕度設(shè)定值應(yīng)不超過70%，而冬季制熱時空調(diào)房間相對濕度設(shè)定值應(yīng)不低于30%。除此之外，還應(yīng)對空調(diào)的新風量予以合理控制，研究表明，當新風量增加時，系統(tǒng)能耗升高，所以在夏季制冷與冬季制熱時應(yīng)將新風量控制在滿足衛(wèi)生和人員活動要求的水平，而在過渡季節(jié)，應(yīng)最大限度利用自然通風，在滿足過渡季節(jié)空調(diào)效果的情況下，降低新風比，以縮短新風機組持續(xù)運行時間。在滿足衛(wèi)生要求的前提下，應(yīng)采取合理可行的方式控制新風量，如降低房間換氣頻次、于新風入口處增設(shè)旁通，采用雙風機模式、盡可能利用室外自然風、根據(jù)室內(nèi)人員活動規(guī)律，采用適宜的風閥控制方法。

3.空調(diào)風系統(tǒng)方面。通過適當增加溫度差和減少送風量可起到降低系統(tǒng)能耗的作用，但要注意保證最小新風量，避免過多的減少送風量，影響舒適度；按照溫濕度控制要求，結(jié)合房間的具體朝向進行空調(diào)區(qū)域劃分，以此防止過熱過冷與冷熱低效；將定風量系統(tǒng)替換為變風量系統(tǒng)，采用變頻方式控制風量，根據(jù)負荷變化情況進行自動調(diào)節(jié)；采用變頻風機，并根據(jù)實際需求確定工作頻率，防止其始終處在全負荷狀態(tài)；充分利用空調(diào)系統(tǒng)的回風；做好風管的保溫與防潮；當條件允許時，可減小風管風速。

4.空調(diào)水系統(tǒng)方面。通過閉式循環(huán)降低水泵能耗，并延長設(shè)備壽命；優(yōu)先考慮變水量系統(tǒng)，確保換熱設(shè)備實際供水量及整個系統(tǒng)的實際循環(huán)水量都能伴隨空調(diào)負荷的變化而變化，從而減少能量的消耗；采用變頻水泵，并根據(jù)實際需求確定工作頻率，以防止水泵始終處在全負荷狀態(tài)；在達到空氣處理基本要求的基礎(chǔ)上，盡量提高冷水初溫，這是因為當制冷機組的蒸發(fā)溫度提高1℃時，可減少2%-3%的電能消耗；可通過提高溫差和減少循環(huán)水流量來降低系統(tǒng)能耗；對于制冷機水系統(tǒng)，需配備專門的水處理及排污系統(tǒng)，以免結(jié)垢影響運行效率。另外，還要在進水管處安裝過濾器，以此防止堵塞導(dǎo)致?lián)Q熱效率降低。

5.管理和控制方面。空調(diào)系統(tǒng)要有監(jiān)測與自動控制功能，如參數(shù)監(jiān)測、狀態(tài)顯示、參數(shù)自動調(diào)節(jié)和控制，以及工況的自動轉(zhuǎn)換；加強相關(guān)管理人員技術(shù)培訓(xùn)，通過提高系統(tǒng)管理水平實現(xiàn)節(jié)能的目標；考慮到過濾器與機盤一旦附著異物或風道發(fā)生滲漏會使空調(diào)系統(tǒng)性能明顯下降，導(dǎo)致能耗升高，所以在管理工作中要做好設(shè)備保養(yǎng)及維護；在過渡季節(jié)中應(yīng)適當延緩空調(diào)系統(tǒng)的開啟時間，充分利用自然通風；空調(diào)系統(tǒng)開啟后需將房間的門窗關(guān)閉，并在離開前半小時左右將空調(diào)關(guān)閉；借助傳感技術(shù)及自動控制理論實時監(jiān)測室內(nèi)溫濕度，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對空調(diào)系統(tǒng)參數(shù)進行設(shè)置與調(diào)整，確保空調(diào)系統(tǒng)處于高效工區(qū)；定期對空調(diào)的過濾器進行檢查、清洗或更換，一般新風過濾器需按照15-30d 的時間間隔進行清洗，而盤管過濾器可按照30-40d 的時間間隔進行清洗，另外當過濾器阻力超過終阻力時，需對其進行更換；經(jīng)常對冷凍水和冷卻水實際水量及溫度進行檢查，并加強水質(zhì)管理，定期除垢，防止水管腐蝕或長苔；建立完善的能源使用管理制度，提高建筑設(shè)備，尤其是空調(diào)系統(tǒng)運行管理水平；定期采用物理或化學(xué)的方法對熱交換器進行清洗，以免發(fā)生腐蝕或結(jié)垢，保證系統(tǒng)的換熱效率。

6.冷卻塔節(jié)能方面。冷卻塔要設(shè)置在有良好通風條件的位置，并盡可能遠離高溫環(huán)境，以免給冷卻塔正常運行造成不利影響；引入變頻控制技術(shù)，根據(jù)進出水溫差對風機供電頻率進行控制，通過對風機轉(zhuǎn)速的適當調(diào)整減少風機能源消耗。

7.其它可供參考節(jié)能措施：使用能效較高且能實現(xiàn)能量調(diào)節(jié)的制冷機，并在運行過程中做到大小結(jié)合，在達到使用要求的基礎(chǔ)上盡量提升蒸發(fā)溫度并降低冷凝溫度，以此提高機械實際運行效率；將調(diào)節(jié)閥替換為變速泵與變速風機，以此降低系統(tǒng)內(nèi)耗，保證整機效率；采用VAV 系統(tǒng)，以空調(diào)房間負荷及其變化為依據(jù)，由末端裝置對送入到空調(diào)房間中的風量進行自動調(diào)節(jié)，以避免房間過熱過冷，使能量得以最大化利用，從而實現(xiàn)節(jié)能；采用VRV 系統(tǒng)，以系統(tǒng)負荷及其變化情況為依據(jù)，對壓縮機轉(zhuǎn)速進行自動調(diào)節(jié)，并適當改變制冷劑的實際流量，確保機組運行于高效工況，減少能耗；在通排風出口處設(shè)置熱交換器，充分利用。

通排風出口處的余熱對新風進行預(yù)熱與加濕；在水系統(tǒng)中設(shè)置水蓄冷槽，以此在低估時段制取冷水，而在高峰時段利用積蓄的冷水進行供冷，以此減少運行費用；借助變頻技術(shù)進行變頻控制，使其與所需負荷達到實時匹配，在低負荷條件下，自動減小系統(tǒng)的功率，保證節(jié)能效益；借助熱回收技術(shù)回收機組產(chǎn)生的熱量，比如將制冷機產(chǎn)生的冷凝熱回收并用在生活熱水的制取；加強夜間自然通風，以消除白天圍護結(jié)構(gòu)因日照積蓄的熱量，從而降低第二天空調(diào)房間負荷；在空調(diào)箱水管上設(shè)置電動調(diào)節(jié)閥，采用變頻方式控制風機，根據(jù)送風溫度對水閥進行調(diào)節(jié)，并按照回風溫度對風機轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，以此在達到舒適性要求的基礎(chǔ)上，滿足送回風溫差要求，減少風量，從而降低風機能耗。

三、結(jié)語

綜上所述，暖通系統(tǒng)作為建筑重要組成部分，其能耗在建筑總能耗中占據(jù)很大比重，因此在暖通設(shè)計中必須對節(jié)能環(huán)保引起足夠的重視，在設(shè)計的不同環(huán)節(jié)引入綠色節(jié)能技術(shù)，以此保證整個系統(tǒng)的節(jié)能水平，最終在滿足舒適性要求的基礎(chǔ)上，降低暖通空調(diào)能耗。