我國(guó)暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與運(yùn)行階段的節(jié)能探討

劉文青

（江蘇省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)的總社會(huì)能耗不斷攀升。在我國(guó)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(jìn)程的推進(jìn)帶來(lái)了建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，建筑能耗不斷增加，其占社會(huì)總能耗已達(dá)30%左右。暖通空調(diào)能耗的增加，勢(shì)必帶來(lái)社會(huì)總能耗的增加，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)二氧化碳排放增多等環(huán)境問(wèn)題。因此，對(duì)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(jì)和運(yùn)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(duì)于大型水冷空調(diào)系統(tǒng)而言，能耗由制冷主機(jī)、末端和輸送系統(tǒng)的3 部分能耗組成。對(duì)于暖通空調(diào)系統(tǒng)而言，其能耗最大的部分是冷水機(jī)組。冷水機(jī)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(jī)組的負(fù)荷；末端為空氣處理設(shè)備，通過(guò)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(huì)增加機(jī)組負(fù)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(jī)能耗，水泵功率從10～100kW，風(fēng)機(jī)一般從1～10kW，雖然單體功率相較于冷水機(jī)組較小，但數(shù)量較多，帶來(lái)的總體能耗在空調(diào)系統(tǒng)中占有相當(dāng)比例。

2 設(shè)計(jì)階段的節(jié)能措施

2.1 冷熱源的優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重中之重。一般而言，空調(diào)系統(tǒng)的主機(jī)都按最大負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，而空調(diào)系統(tǒng)在不同工況時(shí)有一條最佳曲線，滿足此曲線時(shí)，

系統(tǒng)的運(yùn)行效率最高，這一點(diǎn)往往被設(shè)計(jì)師在設(shè)計(jì)階段被忽略。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)控制主機(jī)盡可能滿足特性曲線，還應(yīng)注意合理選擇主機(jī)功率，如根據(jù)使用負(fù)荷去選擇大小結(jié)合的主機(jī)，這樣當(dāng)系統(tǒng)處于小負(fù)荷時(shí)，可以切換到小容量主機(jī)的運(yùn)行，達(dá)到明顯的節(jié)能效果。

此外，室內(nèi)參數(shù)的選取對(duì)主機(jī)負(fù)荷的影響較大。在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)避免夏季采用過(guò)低溫度和冬季采用過(guò)高溫度。設(shè)計(jì)時(shí)避免送風(fēng)溫度過(guò)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(fù)荷會(huì)增加1/4左右，這樣會(huì)帶來(lái)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(jì)溫度應(yīng)比室外低5%～8%。

2.2 合理的自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(dá)到節(jié)能運(yùn)行的目的。隨著計(jì)算機(jī)和自控技術(shù)的發(fā)展，系統(tǒng)應(yīng)采用先進(jìn)的軟件對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行和能耗進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和上傳，保證系統(tǒng)處于節(jié)能運(yùn)行的狀態(tài)。

對(duì)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(huì)對(duì)居住者的身體健康帶來(lái)影響。現(xiàn)有的控制系統(tǒng)往往只是監(jiān)測(cè)空氣溫濕度，甚至僅僅監(jiān)測(cè)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(píng)價(jià)指標(biāo)，即體感指標(biāo)來(lái)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(dá)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(guò)新風(fēng)交換機(jī)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(jìn)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(dá)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(shí)現(xiàn)傳熱的同時(shí)傳質(zhì)，即全熱交換；如果板翅式為鋁片，則只能傳熱，即實(shí)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(lái)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(lái)得到長(zhǎng)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?gòu)闹形崃?。一方面土壤或地下水的比熱大于空氣，換熱效果較好，二來(lái)此種方式可以減小城市的熱島效應(yīng)，從而進(jìn)一步減少整個(gè)城市的能耗。另一種可再生能源利用——太陽(yáng)能熱泵技術(shù)，在近年來(lái)也得到了較多的應(yīng)用。在供熱時(shí)，熱泵的效率永遠(yuǎn)大于1，從這一點(diǎn)來(lái)看，該系統(tǒng)的節(jié)能性明顯好于電制熱，太陽(yáng)能和儲(chǔ)能技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用，進(jìn)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(yùn)行階段的節(jié)能措施

3.1 主機(jī)節(jié)能運(yùn)行

因?yàn)榭照{(diào)主機(jī)的能耗在系統(tǒng)中占比最大，所以其節(jié)能性運(yùn)行不可忽視。目前有的系統(tǒng)采用多臺(tái)主機(jī)并聯(lián)的方式，在對(duì)建筑不同場(chǎng)所的空調(diào)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)查分析后，尋求最佳的啟?？刂品绞?。在此過(guò)程中，有些細(xì)節(jié)需要注意，如多臺(tái)機(jī)組并聯(lián)時(shí)，應(yīng)先關(guān)閉不開啟主機(jī)的進(jìn)水閥門，否則壓力降增大時(shí)，操作員往往選擇加大關(guān)閉主機(jī)的閥門，這樣會(huì)造成冷量的浪費(fèi)。對(duì)于采用變頻技術(shù)的主機(jī)，當(dāng)系統(tǒng)處于部分負(fù)荷時(shí)，有研究顯示2 臺(tái)50%負(fù)荷運(yùn)行的主機(jī)的能耗小于單臺(tái)主機(jī)100%負(fù)荷運(yùn)行下的能耗。此種主機(jī)的節(jié)能運(yùn)行方式值得借鑒。

3.2 冷卻塔的節(jié)能運(yùn)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?。目前運(yùn)行方式有：

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

（2）當(dāng)冷卻塔風(fēng)機(jī)并聯(lián)時(shí)，負(fù)荷的變化可以通過(guò)風(fēng)機(jī)啟停數(shù)量來(lái)控制。

（3）變頻運(yùn)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(jī)的轉(zhuǎn)速。此種運(yùn)行方式要注意的是冷卻塔風(fēng)機(jī)的慣性一般較大，要預(yù)留出30～50s 的加減速時(shí)間。此外還應(yīng)防止冷卻風(fēng)機(jī)出現(xiàn)特定轉(zhuǎn)速下的機(jī)械共振現(xiàn)象。

3.3 水泵、風(fēng)機(jī)的變頻運(yùn)行

目前，很多中央空調(diào)系統(tǒng)對(duì)水泵、風(fēng)機(jī)采用的控制方式為舊有方式，即改變水泵、風(fēng)機(jī)的啟停臺(tái)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。該方式在設(shè)備全開全閉輪流運(yùn)行時(shí)，電能的浪費(fèi)較大，此外會(huì)帶來(lái)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(lái)如下好處：一是軟啟動(dòng)的電機(jī)帶來(lái)設(shè)備壽命的增加。二是輸送系統(tǒng)因?yàn)樽冾l帶來(lái)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(yùn)行時(shí)更加復(fù)雜，要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況選擇控制方式。

4 結(jié)語(yǔ)

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(huì)總能耗的實(shí)現(xiàn)，還關(guān)系到人們對(duì)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(rèn)為運(yùn)行階段和設(shè)計(jì)階段對(duì)于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能同等重要。給出了近年來(lái)設(shè)計(jì)和運(yùn)行方面可以采用的節(jié)能手段和措施，這些措施的實(shí)施會(huì)使得暖通空調(diào)系統(tǒng)更好地發(fā)揮其經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、安全、舒適的作用，以促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高。