暖通空調系統節能設計研究

吳耀洲

（海德聯創設計集團有限公司，浙江 杭州 310000）

1 暖通空調系統節能設計概述

暖通空調系統節能設計是基于與常規暖通空調系統實現功能設計的情況下，滿足室內技術參數溫度、相對濕度、氣流組織、新風量、噪聲等要求；目標系統運行載荷，滿足系統載冷流量、壓力、溫度等要求，系統實現安全、穩定、可靠運行達到節能。系統節能設計是通過合理的建筑結構設計、系統設備功能設計、空調冷熱源機組產品節能設計、控制系統設計及使用管理制度等要素，綜合、科學組合實現；暖通空調系統主要是由冷熱源機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、末端裝置、盤管風機、空調風柜、空氣處理機組、新排風系統等組成。系統通過消耗能源介質轉換，實現供熱制冷達到室溫的目的，通過科學、高效的節能設計將每一構成要素降低消耗能量或最大限度低耗，提高整個暖通空調系統全年綜合能效比，從而實現系統初期節省投資，降低造價，運行使用節能，使用增值。暖通空調系統節能評價應貫穿于設計階段和運行階段。

2 暖通空調系統節能設計原則

2.1 系統性原則

系統性原則是暖通空調節能設計的基礎，基于國家節能減排政策、自然生態環保法律規定，行業標準及用戶對系統功能、工藝等要求，故設計方案既要符合運行節能的經濟性及維修保養操作要求，又要確保系統達到設計使用壽命周期，滿足功能性用途。系統性的原則，體現設計人員對節能設計的整體思路，建立節能設計平臺，針對性對系統全年綜合能效比計算，優化節能方案，比選方案，最終正確選擇方案。

2.2 動態原則

暖通空調設計是一項技術性復雜、綜合的工作，影響因素很多，涉及建筑構造設計圖原始數據及第一手現場資料，以及功能、工藝的需要；再者，隨著冷熱源機組技術開發的不斷更新，控制系統人工智能化廣泛應用，技術方案也應結合實際情況，不斷優化完善。

2.3 科學技術發展原則

暖通空調系統節能設計以科學發展觀為原則[1]，采用各項節能措施及運行策略，在系統設計中不斷導入新技術元素，既符合國家節能減排產業導向，又有利于建設工程施工管理、系統全壽命周期運營管理及節省建造施工運行成本。

3 暖通空調系統節能設計的研究

3.1 強化設計節能意識，建立節能設計審核管理制度

在方案設計中，設計理念主導著空調系統的節能方向，主要體現在工程項目造價、成本、運營、管理等費用支出大小的特點。設計方案在符合專業設計的情況下，應充分了解業主使用意圖及習慣，導入業主對系統的節能規劃、節能控制及節能管理，形成優化節能管理體系。如審定的設計方案是否影響占用機房或占用機房用面積的大小及建成投入運行后的值班、操作、維護人員數量等，這些因素將決定運行管理成本高低。

3.2 合理選擇暖通空調系統設計參數

暖通空調系統設計參數是直接影響系統的能耗指標之一，其合理性決定系統冷熱源機組、系統設備、末端機組等投入的運行時間的長短。室內設計參數主要有室內溫度、相對濕度、新排風量、風速、噪聲等，在規范規定的設計取值范圍內，確保人體舒適或工藝要求，滿足客戶要求，再者也要避免標準過高。比如不同地區，室內、外空氣的參數、相對濕度及室外平均風速不同，夏季空調室內設計參數，規范設計取值為24 ～27 ℃、相對濕度50% ～60%，當取值為24℃/50%或27 ℃/60%時均在設計參數范圍內，但前者使空調負荷增加約30%，增大了電功率。再者，合理設定冷熱源機組運行參數，是最直接有效的節能措施之一。比如冷水機組供水回水溫度常規控制7/12 ℃，結合工程項目使用實際可控制在8 ～13 ℃，溫差控制在4 ～6 ℃，如此，提高了機組的制冷效率。相關文獻及經測試表明，機組設定溫度每升高1 ℃，能耗可以節省電功率4% ～6%[2]，同時降低冷量單價成本，減小投資空調費用。

3.3 暖通空調系統冷熱源機組選配節能設計

空調系統冷熱源機組能耗約占系統總能耗的60%，選擇COP 值大，高附加值產品。從不同角度作方案比選：

（1）根據水冷式螺桿機組、水冷式離心機組、風冷式模塊機組、地源熱泵機組、海冷式機組等不同機型在不同建筑環境中的使用優劣，取長補短，靈活組合使用，不同的需求環境選擇不同冷量機型，以搭配方式滿足要求；根據場所的不同，選擇相應的模式機型，比如醫院、賓館、餐飲行業優先選擇帶余熱回收功能機型，把回收余熱的能量轉換為生活熱水，從而節約制造熱水成本，同時提高機組高效率運行，大幅度提高綜合能效比，降低能耗。

（2）不斷優化制冷控制系統，選擇的空調主機控制系統需具有變頻、智能調節調級功能。設計技術方案并根據項目工程的需要，制冷控制系統導入BP 神經網絡功能、Matlab 語言、自適應模糊控制系統技術三者綜合應用，整合反饋數據，它能根據系統參數偏差值的大小調節和控制系統運行狀態[3]，使系統實時對冷凍水流量、冷卻水流量、冷卻塔風量及房間的溫濕度進行監測并合理的判斷和設定，最終實現機組動態運行效率與室內最佳的空氣溫濕度質量相適應，當制冷量與負荷達到平衡時，機組能耗最小。

3.4 水系統節能設計

水系統一般由冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、末端風機盤管、風柜及管道、閥門等組成一個閉式或開式環路，輸送系統載冷劑進行能量轉換。該系統可采用如下步驟實現節能設計：

（1）通過科學對系統管路布局不斷優化，簡化路徑設置，準確計算水路沿程阻力損失，選擇合適的水泵揚程，避免揚程過大，增加能耗。

（2）水泵、水塔電機根據系統需要設置定頻+變頻智能結合使用，如兩臺以上循環泵組系統。系統循環水流量根據工程特點，定頻定流量+變頻變流量控制，避免大流量小溫差。采用上述兩種方式，水系統泵組及冷卻電機節能率約占其額定功率15%。

（3）供冷網管壓力、流量均衡設計，除了增設必要的壓力平衡閥（水力平衡裝置）外，注重管網整體與局部的流量分配，如區域間采用同程管網或同程管網與異程網結合，以達到冷量均衡，溫度場舒適，減小投入大功率機組運行，節省能耗。

（4）減小供冷管網的冷量損失。在滿足設計壓力的情況下，冷凍管材可以選擇導熱損失小的U-PVC管替代熱鍍鋅管，降低冷水輸送過程冷量損失。

（5）相關測試驗證，提高供回水溫度，網管冷水輸送過程冷量減小損失10% ～15%。

3.5 暖通空調末端設備節能設計

末端設備主要有風機盤管、全空氣空調風柜、全熱新風機等，是載冷劑轉換能量的主設備，是室內溫度、相對濕度、噪聲、風速、氣流組織及新風量的影響因素，也是影響能耗大小的直接因素。

（1）整體與局部區域的機型選擇，關系運行區間設備工作時間的長短，對于建筑空調使用面積較大、功能用途相同且集中溫控場所，應選擇全空氣空調風系統控制模式；對需要控制不同房間不同溫度的，應采用變風量系統控制，如風機盤管。

（2）新風系統在空調使用過渡季節，采用室外自然冷源輸送入室內，滿足新風量及冷量的需要；夏季采用空氣全熱交換機組，通過帶低溫冷源的排風與室外輸送入室內的高溫新風進行熱交換，降低室外送入新風溫度，充分利用排風交換的能量，大大降低空調能耗。

（3）結合建筑主體結構及室內環境，改善建筑構造保溫性能，減小冷熱損失。如建筑外結構采用保溫性能差的玻璃幕墻將直接影響設備配置及能源消耗。

（4）室內管道采用節能產品及材料，提高絕熱性，選擇末端設備具有控流量、風量、溫度功能的產品。

3.6 暖通空調系統導入BIM 技術節能設計

設計階段結合建筑設計模型（BIM）技術進行優化圖紙設計，通過對建筑數據和設計方案進行整體分析，更精準計算暖通空調系統負荷參數，準確配置區間設備功率大小，減小設計誤差。特別在大、中型的暖通空調系統，在已有的設計方案基礎上，進一步優化系統，計算管網水力損失、冷熱負荷，為方案決策提供科學依據，精準選擇制冷機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔型號及組合數量，降低投資及系統運行能耗。建造設計中應用BIM 技術匯集各專業數據，搭建數字模型可以通過三維技術和數字技術對設計數據和施工信息完整表達出來，其可視化和模擬性能有效提高方案設計質量和施工安裝技術水平。如對設備安裝標高、管線走向路徑、綜合排布仿真模擬，將二維設計圖轉變為三維立體模型，把實際問題清晰顯示出來。方案設計是否合理或所存在的問題，設計人員通過三維圖一目了然，有效防止管線間相互碰撞，合理處置與消防、電氣、給排水等專業設施、管道的空間定位或其他問題，避免管路水循環系統不暢通或形成氣囊，保證空調系統的制冷效果，同時節約能耗。BIM 技術不但具有視化性、模擬性、優化性，同時也具有信息完備性、信息關聯性、信息一性[4]，設計人員可以根據動態信息或業主要求隨時優化設計參數或設計變更，大大提高工作效率。

3.7 暖通空調系統水質處理節能設計

由于水系統中含有大量的鈣鎂離子，其在溫度及二氧化碳作用下析出晶體，系統長期運行后晶體不斷沉積于換熱器及管道表面，形成的常見水垢，其增加管道阻力及降低冷凝器、蒸發器熱交換效果，嚴重制約機組最佳運行狀態，使制冷機組性能下降，增加了水泵、制冷機組運行功率，增加了能耗。相關資料表明:當冷凝器水垢厚度達0.5 mm 時，制冷機組能耗增加約20%，冷凝溫度每上升1 ℃，機組制冷性能下降2%，管道水垢每增加0.15 mm，水泵能耗增加15%。由此，在做方案設計時要充分考慮上述諸因素，在系統管道增設降低水垢或去除水垢裝置，如電子除垢儀?？茖W進行水質處理，減小系統中運行的不利因素，有利于提高設備運行效率，延長壽命，節省能耗。

3.8 暖通空調系統室內冷凝水合理利用節能設計

空調室內冷凝水有兩個明顯特點:

（1）溫度較低，根據空氣調節原理可知，當空氣溫度低于其露點溫度，空氣中的濕空氣就會形成凝結水，即產生冷凝水，冷凝水通常較冷凍水回水溫度高5 ～6 ℃。測試數據表明，當冷凍水供水溫度為8.0～9.1 ℃，回水溫度13.0 ～14.0 ℃時，室內冷凝水排出管口水溫為18.2 ～19.5 ℃，夏季室外溫度33.5 ℃以上，冷凝水是一個很好的冷源。

（2）冷凝水產量不但與空調系統運行時間有關，還與空氣的溫度、濕度、表冷器蒸發溫度、蒸發面積、風量、冷量有很大的關系。

經計算與測試表明風機盤管及制冷風柜，冷負荷當量產冷凝水約0.5 ～0.6 kg/kW·h，新風機組冷負荷當量產冷凝水0.6 ～0.7 kg/kW·h[5]。若設計系統冷源制冷量3500 kW，室內配置冷負荷總冷量4200 kW，系統每天運行時間15 h，室內負荷利用率按75 %計算，則收集冷凝水4200 kW × 0.6 kg/kW·h × 15 h ×75% = 23625 kg，相當23.6 m3/天；系統冷源制冷量3500 kW 對應配置冷卻塔循環水流量為3 500 kW ×0.215 m3/ kW·h = 752 .5 m3/h（標準工況下每kW 冷量配比水流量按0.172 m3/h，冷卻水流量取冷凍水的1.25 倍，即0.172 m3/h × 1.25 = 0.215 m3/h），冷卻塔水損失量一般在0.8% ～1.5%，取1. 5%則補水量為752.5 m3/h × 1.5% = 11.3 m3/h；每天運行按15 h 計算，側總補水量為11.3 m3/h × 15 h = 169.3 m3，每天節約率23.6 m3÷ 169.3 m3= 13.9%。節約用水量轉換經濟價值，每立方水按4.0 元計算，每個月相當節約費用30 天× 23.6 × m3/天× 4 元/ m3= 2832 元，每年按6 個月計算，每年節省費用2832 元/月× 6 月=16992 元。

由此可見，對于冷負荷較大的大、中型的中央空調系統，夏季制冷運行時，末端制冷設備產生大量的冷凝水，并將其利用于冷卻系統補水，大大節約水資源，具有很大的經濟意義。同時，利用冷凝水具有冷源低溫的特點，對降低冷卻水也有很大作用，正常工況下冷卻塔集水盤出水溫度30.0 ～32.0 ℃，回水溫度35.0 ～37.0 ℃，當加入18.2 ～19.5 ℃冷凝水補水時，無需消耗電功率就可以抵消部分熱量，使冷卻水在冷卻塔原散熱的基礎上，進一步降低溫度，低溫的冷卻水更有利于降低制冷機組冷凝溫度，提高制冷系數，減小能耗。傳統做法是把冷凝水直接排放，不再利用，其實這是一種水資源及能源的浪費。故此，技術方案設計需考慮冷凝水回收合理利用的積極因素。

3.9 暖通空調系統管理節能設計

采用節能管理系統（合同能源管理）管理運行，集中管理分散控制。該系統根據室內冷熱負荷變化智能調節冷熱源機組投入運的臺數或調節容量，綜合運用恒流量變溫差、變流量變溫差或供水溫度不變提高回水溫度等控制策略及調節方式控制冷量。基于暖通空調系統使用是動態的、受干擾因素多，具有不確定性，外部氣象參數的變化直接影響系統機組運行相互耦合特性、系統運行效率。節能管理系統運行，通過計算機技術、變頻技術、系統集成技術及終端傳感觸角、網絡全方位對冷熱源機組、末端設備、室內參數自動監測、收集、反饋、分析處理、存儲，適時自動調節控制，并實時提供數據給管理者。這種管理方式能讓管理者隨時撐握系統運行參數及能源消耗情況，系統節省能耗率占整個系統暖通空調功率的21%。

4 結語

暖通空調系統節能設計貫穿系統運行使用的全壽命周期，系統源頭設計節能奠定后期維護使用節能的基礎。通過多維度思考，建立節能設計平臺，應用科學技術，不斷優化系統節能設計，綜合各項節能設計措施，提高暖通空調系統全年運行的綜合能效比，實現系統節能，最終達到預期經濟效益。