從節(jié)能的角度談空調(diào)設(shè)計(jì)

吳達(dá)祥

(江陰市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，江蘇江陰 214432)

0 引言

從2006年起我國廣泛實(shí)行建筑節(jié)能工作，而空調(diào)能耗占整個(gè)建筑能耗的50%～60%，因此如何降低空調(diào)能耗是建筑節(jié)能工作的重中之重，而降低空調(diào)能耗很大程度上取決于空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，因而空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)決定著空調(diào)節(jié)能的效果，下面就空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)應(yīng)遵循的原則和可以采取的一些措施作一閘述。

1 合理選擇室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)

室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇，首先必須符合《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》及相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，從能耗角度來講，設(shè)計(jì)參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際使用的需要，不能隨意提高設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是:在夏季室內(nèi)空氣溫度每降低1℃，將增加約8%的制冷能耗，同時(shí)增大系統(tǒng)容量，如風(fēng)管系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)，還會相應(yīng)增加制冷機(jī)容量，空調(diào)系統(tǒng)的初投資也隨之上升。同樣，在冬季室內(nèi)空調(diào)設(shè)計(jì)溫度每升高1℃，將增加10%～12%的供熱能耗，同樣也會造成空調(diào)系統(tǒng)的供熱設(shè)備包括鍋爐(或熱力網(wǎng))、熱交換器、熱水泵的容量及造價(jià)的上升，不利于降低初投資和節(jié)能。

2 設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)

暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要包括三個(gè)方面:

1)空調(diào)負(fù)荷計(jì)算;

2)系統(tǒng)的水力計(jì)算;

3)設(shè)備的選擇計(jì)算。

2.1 空調(diào)負(fù)荷計(jì)算

空調(diào)負(fù)荷計(jì)算是空調(diào)設(shè)計(jì)最基本、最基礎(chǔ)的工作，同時(shí)又是涉及節(jié)能乃至空調(diào)效果的最重要的計(jì)算工作，計(jì)算數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確與否很大程度上決定著該空調(diào)系統(tǒng)是否節(jié)能、節(jié)能多少。在暖通空調(diào)及相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中都要求對空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行逐項(xiàng)逐時(shí)的計(jì)算，而本人在工作中發(fā)現(xiàn)諸多設(shè)計(jì)都沒有對空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行嚴(yán)格的計(jì)算，而僅按有關(guān)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行估算，對沒有把握的地方，安全系數(shù)取得較大，富余量就大，這樣就造成了空調(diào)設(shè)計(jì)負(fù)荷大于甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際負(fù)荷，不利于節(jié)能。

2.2 系統(tǒng)水力計(jì)算

空調(diào)系統(tǒng)水力計(jì)算包括風(fēng)系統(tǒng)的水力計(jì)算和水系統(tǒng)的水力計(jì)算，對這兩方面的水力計(jì)算必須按系統(tǒng)的最不利管路逐段進(jìn)行計(jì)算，并應(yīng)選擇合適的風(fēng)速或水流速度，即所謂的經(jīng)濟(jì)流速。但在實(shí)際設(shè)計(jì)中，有些設(shè)計(jì)人員為了貪圖方便與簡單，僅按照經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，勢必造成要么在實(shí)際設(shè)計(jì)中風(fēng)管或水管尺寸過大，不利于降低造價(jià)和建筑空間，要么管路尺寸過小，造成系統(tǒng)阻力增加，風(fēng)機(jī)和水泵的容量與運(yùn)行能耗也會隨之上升，同樣浪費(fèi)能源。

2.3 空調(diào)和制冷、制熱設(shè)備的選擇計(jì)算

設(shè)備的選擇計(jì)算，一方面取決于風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)阻力計(jì)算的準(zhǔn)確程度，另一方面還與安全系數(shù)的選取有關(guān)，安全系數(shù)選取過小，空調(diào)系統(tǒng)的水泵、風(fēng)機(jī)富余量不足，當(dāng)管路中由于某些無法預(yù)知的因素導(dǎo)致阻力增加時(shí)，就會使得循環(huán)水量和空調(diào)送、回風(fēng)風(fēng)量不足，影響空調(diào)效果與用戶的使用，對于某些要求較為嚴(yán)格的工藝性空調(diào)，還會影響產(chǎn)品質(zhì)量，這種空調(diào)設(shè)計(jì)雖然有節(jié)能效果，但犧牲了產(chǎn)品質(zhì)量或人的健康，這是不可取的。相反，當(dāng)安全系數(shù)選取過大時(shí)，水泵、風(fēng)機(jī)及制冷、制熱設(shè)備容量過大，空調(diào)系統(tǒng)建成后，長期處于大馬拉小車的狀態(tài)，導(dǎo)致空調(diào)設(shè)備運(yùn)行效率的下降，能源利用率下降，同樣不利于節(jié)能。

綜上所述，對空調(diào)的負(fù)荷計(jì)算，水力計(jì)算和設(shè)備的選擇計(jì)算應(yīng)嚴(yán)謹(jǐn)、細(xì)致和科學(xué)，只有這樣的設(shè)計(jì)計(jì)算才比較接近實(shí)際情況，才能保證空調(diào)效果，保證空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行。

3 對空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行合理的劃分

空調(diào)系統(tǒng)的范圍、空調(diào)采用何種方式等都會影響空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能，如果不同要求的空調(diào)房間劃分在同一系統(tǒng)，勢必會按要求較高的房間標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對于要求較低的房間來說就沒有必要，同樣造成了能耗的上升，另外空調(diào)系統(tǒng)的范圍過大，管路過長，也不利于節(jié)能，有些系統(tǒng)可以采用變風(fēng)量技術(shù)的，應(yīng)采用變風(fēng)量系統(tǒng)，可以最大限度地節(jié)能?？照{(diào)系統(tǒng)的劃分可從下列幾個(gè)方面考慮。

3.1 按照房間功能劃分

按照房間的功能劃分空調(diào)系統(tǒng)，一方面可以降低空調(diào)的設(shè)計(jì)負(fù)荷，另一方面也為空調(diào)系統(tǒng)建成后的節(jié)能運(yùn)行管理創(chuàng)造條件。不同功能的空調(diào)房間在使用性質(zhì)、使用時(shí)間、參數(shù)要求等方面也不同，空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地按房間功能進(jìn)行系統(tǒng)分區(qū)。

3.2 按空調(diào)房間的朝向分區(qū)

空調(diào)房間朝向不同，空調(diào)負(fù)荷也不同，甚至相差很大，在夏季南向的空調(diào)房間冷負(fù)荷較大，需配置的空調(diào)系統(tǒng)和設(shè)備容量較大，而北向的空調(diào)房間，由于沒有直接受到太陽的輻射，空調(diào)冷負(fù)荷相對較小，因此需配置的空調(diào)系統(tǒng)和空調(diào)設(shè)備容量相對較小。空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，在可能的情況下，應(yīng)盡可能地按照空調(diào)房間的朝向分區(qū)設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)。

3.3 高大空間的分區(qū)空調(diào)

在民用建筑中，高大空間越來越多，如旅游賓館的大堂、大型會議室等，在工業(yè)建筑中，某些廠房由于生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程的需要，也需要設(shè)置高大空間，在這些高大空間中，人員活動和生產(chǎn)工藝往往只需要維持在底部或一個(gè)特定的區(qū)域內(nèi)，不需要在整個(gè)空間內(nèi)維持一定的空調(diào)要求，因此空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將空調(diào)范圍縮小在某個(gè)需要的范圍內(nèi)，而范圍外不需要設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)。通常的做法是在頂部設(shè)置排風(fēng)系統(tǒng)，底部區(qū)域設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，必將大大減少空調(diào)能耗。

3.4 空調(diào)房間的內(nèi)、外分區(qū)

目前大型建筑一般進(jìn)深較大，周邊受室外氣溫影響較大，空調(diào)負(fù)荷波動也較大，而內(nèi)區(qū)空調(diào)負(fù)荷相對穩(wěn)定，某些建筑冬季室內(nèi)還有余熱量，需要冬季供冷，在這種情況下宜將內(nèi)區(qū)與周邊區(qū)(外區(qū))分開設(shè)置空調(diào)系統(tǒng)，便于系統(tǒng)的運(yùn)行管理，也有利于空調(diào)節(jié)能。如果內(nèi)、外區(qū)合用同一空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)，必然會造成內(nèi)、外區(qū)溫度的失控，嚴(yán)重影響空調(diào)效果。

4 采用合適的新風(fēng)量和新風(fēng)比

民用建筑空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)采用的新風(fēng)量由相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)推薦使用，該新風(fēng)量有一范圍，采用何值應(yīng)根據(jù)工程的規(guī)模、系統(tǒng)的劃分、空調(diào)房間使用性質(zhì)、人員的數(shù)量以及停留時(shí)間等綜合考慮，不應(yīng)簡單地統(tǒng)一按人數(shù)計(jì)算。對于工業(yè)建筑，也應(yīng)根據(jù)空調(diào)系統(tǒng)、人員情況確定合適的新風(fēng)比，同時(shí)應(yīng)在滿足工藝要求和衛(wèi)生要求的情況下，盡量減少室內(nèi)局部排風(fēng)，采用密封性能好的門、窗，減少室內(nèi)排風(fēng)量和滲透風(fēng)量，從而減少新風(fēng)量和新風(fēng)比，降低系統(tǒng)負(fù)荷。

5 采用新風(fēng)與回風(fēng)的焓值比較控制技術(shù)

對于工業(yè)空調(diào)，在過渡季節(jié)，應(yīng)盡可能多地采用室外新風(fēng)，以減少制冷機(jī)的開啟時(shí)間，達(dá)到節(jié)能的目的。為此什么時(shí)候可以采用100%的新風(fēng)，而回風(fēng)全部排至室外，單靠人工判斷較為困難，必須設(shè)置焓值比較控制系統(tǒng)，首先對新、回風(fēng)的溫度和濕度進(jìn)行檢測，通過相應(yīng)的儀表進(jìn)行焓值計(jì)算，再進(jìn)行新風(fēng)與回風(fēng)焓值的比較，在過渡季節(jié)當(dāng)新風(fēng)焓值低于回風(fēng)焓值時(shí)，應(yīng)盡可能多地利用新風(fēng)。為了達(dá)到焓值比較控制的目的，空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)必須采用以下兩項(xiàng)措施。

5.1 空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)應(yīng)能夠適應(yīng)新風(fēng)量的變化

空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)，新風(fēng)量通常是按規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)選取的量小新風(fēng)量，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，隨著室外氣象條件的變化，尤其是過渡季節(jié)必須采用最大新風(fēng)量，隨著新風(fēng)量的變化，室內(nèi)排風(fēng)必須同步變化，室內(nèi)正壓才能基本保持穩(wěn)定。也就是說，空調(diào)房間的風(fēng)量進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)時(shí)，必須保證新風(fēng)量等于排風(fēng)量與正壓風(fēng)量之和。為此空調(diào)設(shè)備及系統(tǒng)應(yīng)能夠滿足新風(fēng)量和排風(fēng)量的變化。

5.2 必須設(shè)置可靠的自動控制系統(tǒng)

室外空氣參數(shù)在一年四季甚至一晝夜中始終處于變化之中，新風(fēng)量也處于不斷的變化之中，新風(fēng)量的調(diào)節(jié)單靠人工調(diào)節(jié)是無法滿足基本要求的，必須要借助于可靠的檢測和控制儀表，才能對室內(nèi)外參數(shù)進(jìn)行不斷的檢測和比較，才能確定實(shí)時(shí)新風(fēng)量的大小。

6 采用熱回收設(shè)備和技術(shù)

熱回收主要指的是排風(fēng)系統(tǒng)的熱量回收。在夏季室內(nèi)排風(fēng)的溫度和焓值均低于室外新風(fēng)，如果將排風(fēng)與新風(fēng)進(jìn)行熱交換，就能將新風(fēng)的溫度和焓值降低，從而減少表冷器的制冷量，最終降低制冷機(jī)的容量，從而降低空調(diào)能耗和工程造價(jià)。在冬季，室內(nèi)排風(fēng)的溫度和焓值均高于室外新風(fēng)的溫度和焓值，此時(shí)如果將排風(fēng)和新風(fēng)進(jìn)行熱交換，就能將新風(fēng)進(jìn)行預(yù)熱，降低新風(fēng)的熱負(fù)荷，同樣有利于節(jié)能。

7 采用冷卻塔供冷技術(shù)

在一些空調(diào)建筑中，如內(nèi)區(qū)面積較大或工業(yè)廠房內(nèi)部發(fā)熱量較大的場所，冬季室內(nèi)需提供一定的冷負(fù)荷才能消除室內(nèi)余熱，降低室內(nèi)溫度，保證人員和生產(chǎn)工藝所需的溫度要求，為此可以考慮采用冷卻塔直接提供空調(diào)用冷水，這樣可以減少冷水機(jī)組的運(yùn)行時(shí)間，取得較好的節(jié)能效果。在空調(diào)水管路設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮和保證冷卻塔供冷的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)由于冬季冷卻塔停運(yùn)時(shí)，冷卻塔及管路中的存水會有凍結(jié)的可能，必須采取相應(yīng)的防凍措施。另外必須確定合理的供水參數(shù)和合理地選擇冷卻塔。

8 冷、熱源設(shè)備種類和容量匹配問題

冷熱源方式及系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用時(shí)，首先應(yīng)考慮工程的特點(diǎn)，如空調(diào)系統(tǒng)在一天乃至一年中的運(yùn)行時(shí)間、運(yùn)行方式、空調(diào)負(fù)荷等情況，然后考慮采用合適的制冷方式，如什么情況下應(yīng)采用電制冷、什么情況下應(yīng)采用吸收式或其他制冷方式，在制熱情況下何時(shí)采用蒸汽供熱，何時(shí)可以采用熱水制熱等。

另外空調(diào)負(fù)荷計(jì)算是按系統(tǒng)最大負(fù)荷計(jì)算的，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，最大負(fù)荷出現(xiàn)的時(shí)間很短，絕大部分時(shí)間是在部分負(fù)荷下運(yùn)行的，因此空調(diào)設(shè)計(jì)時(shí)必須充分考慮到部分負(fù)荷這一特性，做好冷、熱源設(shè)備的容量與臺數(shù)的匹配工作，以滿足運(yùn)行管理和節(jié)能的要求。

9 降低風(fēng)系統(tǒng)和水系統(tǒng)的輸送能耗

空調(diào)系統(tǒng)的輸送能耗在整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的能耗中占有比較大的比例，降低輸送能耗是空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要措施。選擇生產(chǎn)效率高的風(fēng)機(jī)和水泵，能起到很好的節(jié)能效果。

1)風(fēng)系統(tǒng)。

對于空調(diào)和通風(fēng)的風(fēng)系統(tǒng)來說，控制風(fēng)泵系統(tǒng)輸送能耗的主要措施是控制合理的風(fēng)管作用半徑和選擇合理的空氣流動速度，盡可能地減少系統(tǒng)阻力，最終降低風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，為了縮短作用半徑，風(fēng)機(jī)應(yīng)盡可能靠近空調(diào)房間或通風(fēng)房間。根據(jù)相關(guān)節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率的限值應(yīng)滿足表1要求。

表1 風(fēng)機(jī)單位風(fēng)量耗功率限值 W/(cm3·h)

2)水系統(tǒng)。

對于水系統(tǒng)，控制的重點(diǎn)是如何提高供、回水的溫差，即盡量采用大溫差、小水量的空調(diào)形式，以盡可能地降低水系統(tǒng)阻力，從而降低水泵功率，減少水泵輸送能耗?？照{(diào)水系統(tǒng)的輸送能效比應(yīng)滿足表2規(guī)定。

表2 空調(diào)冷、熱水系統(tǒng)輸送能效比限值

10 積極利用可再生能源

隨著能源的大量消耗，可再生能源的利用被提上議事日程。在空調(diào)方面能加以利用的可再生能源主要有以下幾種。

10.1 地源熱泵系統(tǒng)

地球是一個(gè)巨大的蓄能體，隨著地源熱泵系統(tǒng)的逐漸應(yīng)用，地源熱泵技術(shù)日漸成熟，已有許多成功的案例。尤其是土壤源熱泵系統(tǒng)已得到大量應(yīng)用，在空調(diào)設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)和工程情況盡可能地采用該種系統(tǒng)，以利于節(jié)能，當(dāng)然設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)，必須充分注意到冬季從地中取熱和夏季向地中釋熱的平衡問題，以保證地源熱泵系統(tǒng)的可靠、長期運(yùn)行。

10.2 空氣源單冷或熱泵系統(tǒng)

空氣源制冷或熱泵屬于對空氣能的利用，其特點(diǎn)是夏季通過向較高溫度的室外空氣散發(fā)熱量來對建筑供冷，熱泵則在冬季從較低溫度的室外空氣中吸取熱量來對建筑進(jìn)行供熱。如果空調(diào)建筑只需夏季供冷，應(yīng)盡可能地采用單冷空氣源制冷方式，如果冬季需供熱，則應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)囟镜臍夂蚯闆r選擇合適的空氣源熱泵系統(tǒng)，以最大限度地節(jié)約能源。必須指出的是，在冬季設(shè)計(jì)狀態(tài)下的COP值小于1.8時(shí)，機(jī)組供熱效率大大下降，則不宜采用空氣源熱泵。

11 結(jié)語

空調(diào)設(shè)計(jì)是決定空調(diào)系統(tǒng)投入運(yùn)行后是否節(jié)能的十分重要的基礎(chǔ)性工作，必須予以重視，本文從多方面作了系統(tǒng)的總結(jié)和閘述，希望能對設(shè)計(jì)人員起到借鑒作用。

［1］GB 50019-2003，采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］李志生.中央空調(diào)設(shè)計(jì)與審圖［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［3］電子工業(yè)部第十設(shè)計(jì)研究院.空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.