淺談暖通空調(diào)節(jié)能新技術(shù)優(yōu)點(diǎn)及存在問(wèn)題

康紅林

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，全國(guó)高耗能建筑面積已超過(guò)650 億m，且每年新建建筑近20 億m。根據(jù)我國(guó)建筑節(jié)能協(xié)會(huì)近兩年發(fā)布的中國(guó)建筑能耗研究報(bào)告可知，2018 年我國(guó)建筑全過(guò)程能耗總量為21.47 億tce，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的46.5%。其中：建材生產(chǎn)階段能耗11 億tce，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的46.8%；建筑施工階段能耗0.47 億tce，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的2.2%；建筑運(yùn)行階段能耗10 億tce，占全國(guó)能源消費(fèi)總量的21.7%。這些鮮活的數(shù)據(jù)，無(wú)時(shí)無(wú)刻地提醒著人們面對(duì)如此規(guī)模的高能耗建筑，面對(duì)高能耗建筑如此高的增長(zhǎng)速度，如何能妥善處理國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展與日趨嚴(yán)重的能耗問(wèn)題，已迫在眉睫。建筑能耗已占到社會(huì)總能耗的40%，可折算成13 億t 標(biāo)準(zhǔn)煤。而建筑運(yùn)行的能耗又占到建筑全過(guò)程能耗的21.7%，暖通空調(diào)運(yùn)行中產(chǎn)生的能耗占建筑運(yùn)行能耗的30%～40%，龐大的建筑能耗，已成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的巨大負(fù)擔(dān)。為了滿足人們?cè)谏a(chǎn)生活中的需求又能最大限度地節(jié)能，除了傳統(tǒng)空調(diào)技術(shù)外，一些暖通空調(diào)新技術(shù)如蓄能空調(diào)、地源熱泵、變風(fēng)量技術(shù)、多聯(lián)機(jī)系統(tǒng)等也將得到廣泛的應(yīng)用（2018 年全國(guó)建筑全過(guò)程能耗、碳排放量數(shù)據(jù)圖如圖1 所示；某酒店建筑能耗如圖2 所示）。

圖1 2018 年全國(guó)建筑全過(guò)程能耗、碳排放量數(shù)據(jù)圖

圖2 某酒店建筑能耗構(gòu)成圖

1 冰蓄冷技術(shù)

冰蓄冷技術(shù)代表著當(dāng)今世界中央空調(diào)的發(fā)展方向，主要指在城市用電低谷時(shí)的夜間用電制冰，在這個(gè)過(guò)程中水從液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)，從外界或者冷量（環(huán)境溫度為0℃）并暫時(shí)將冷量?jī)?chǔ)存在特殊的蓄冰裝置中,在城市用電高峰期的白天，在溫度保持不變的情況下，將冰融化成水，把冷量釋放出來(lái)，以滿足建筑空調(diào)不同時(shí)間的使用需求。為了讓蓄冷槽中的水變?yōu)楣虘B(tài)，制冷機(jī)需要提供溫度為-3～9℃的傳熱液。冰蓄能技術(shù)使得人們?cè)趹?yīng)對(duì)城市的用電高峰期和低谷期更加自如，使對(duì)電網(wǎng)能量“移峰填谷”成為可能,城市電網(wǎng)供電更加平衡，更好地維護(hù)電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行。

1.1 冰蓄冷的優(yōu)點(diǎn)

冰蓄冷技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：平衡電網(wǎng)峰谷負(fù)荷，降低發(fā)電裝機(jī)容量，維持電網(wǎng)的安全高效運(yùn)行。對(duì)國(guó)家而言，是節(jié)能的，能使制冷主機(jī)的裝機(jī)容量減少，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)按運(yùn)行策略可分為兩類，一類是全部蓄冷模式，另一類是部分蓄冷模式。不論哪種運(yùn)行方式，蓄冰裝置總是要承擔(dān)一部分冷負(fù)荷的，通常所說(shuō)的減少了制冷主機(jī)的裝機(jī)容量，實(shí)質(zhì)上就是蓄冰裝置承擔(dān)了制冷機(jī)組本應(yīng)該要承擔(dān)的一部分負(fù)荷，這部分負(fù)荷值的大小也就是蓄冰裝置的蓄冷量大小，能較好地緩解建筑暖通空調(diào)用電與城市用電供應(yīng)能力的矛盾，巧妙地利用電網(wǎng)高峰與用電底谷期的電力差價(jià)，有效降低暖通空調(diào)運(yùn)行費(fèi)用。對(duì)用戶而言，是節(jié)約的，冷凍水溫度可降到1～4℃，實(shí)現(xiàn)大溫差、低溫送風(fēng)空調(diào)，使空調(diào)風(fēng)處理及運(yùn)輸處于一個(gè)低溫環(huán)境，可抑制細(xì)菌病菌繁殖，空調(diào)品質(zhì)提高，蓄冷空調(diào)系統(tǒng)特別適合用于負(fù)荷比較集中、變化較大的場(chǎng)合加體育館、影劇院、音樂(lè)廳、機(jī)場(chǎng)、教堂等，可以快速達(dá)到冷卻效果。

1.2 冰蓄冷存在的問(wèn)題

當(dāng)然冰蓄冷技術(shù)也不是完美的，其缺點(diǎn)主要是：系統(tǒng)太過(guò)復(fù)雜、太過(guò)龐大，機(jī)房?jī)?nèi)除通用的空調(diào)制冷系統(tǒng)設(shè)備如冷水機(jī)組、冷卻塔、冷凍泵組、冷卻泵組、加壓泵組、風(fēng)機(jī)盤管等，還必須設(shè)有一整套冰蓄冷設(shè)備，包括蓄冰設(shè)備（池、槽或罐）、制冰板換器、融冰板換器、乙二醇溶液泵、蓄冷水泵、釋冷水泵、蓄冷介質(zhì)（如冰球等）等設(shè)施。從投資回收期的角度看待，冰蓄冷空調(diào)異常復(fù)雜龐大，占地面積大，工程造價(jià)高，一次性投資費(fèi)用比常規(guī)空調(diào)大。有的項(xiàng)目由于制冷主機(jī)和蓄冰槽選型過(guò)大，往往蓄冷時(shí)間要在12h 以上，并非用電全部在用電谷價(jià)，節(jié)約費(fèi)用有限。蓄能裝置要占用一定的建筑空間，維護(hù)困難，對(duì)操作人員素質(zhì)要求高。從世界運(yùn)行效果看，結(jié)冰膨脹作用力會(huì)產(chǎn)生局部或者整體破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，這也是大部分冰蓄冷系統(tǒng)提前報(bào)廢的原因。由于系統(tǒng)復(fù)雜，同時(shí)控制困難，維護(hù)工作量成倍增加，而且對(duì)人員的素質(zhì)要求非常高。調(diào)控困難，其放冷速度開(kāi)始時(shí)較快，到后面放冷速度越來(lái)越慢，最后有相當(dāng)一部分剩余的冷量無(wú)法使用（冰蓄冷空調(diào)原理圖如圖3 所示）。

圖3 冰蓄冷空調(diào)原理圖

2 地源熱泵

地源熱泵技術(shù)是利用地能這種可再生資源，夏季通過(guò)泵組將熱量傳輸?shù)降叵?，?shí)現(xiàn)對(duì)建筑的降溫，儲(chǔ)存熱量，冬季通過(guò)熱泵機(jī)組將熱量傳輸?shù)椒块g，實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑的升溫，釋放熱量。地能是一種春夏秋冬無(wú)論地上溫度如何變化但其很穩(wěn)定空調(diào)冷熱源，該技術(shù)通過(guò)電力做功，將土壤中獲取的低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)熱能，這種熱能的轉(zhuǎn)化將是直接利用高品質(zhì)電能轉(zhuǎn)化成熱能的3 倍，甚至更高。地源作為得天獨(dú)厚的冷熱源，加之水源熱泵機(jī)組、蒸發(fā)器冷凝器地?zé)崮芙粨Q系統(tǒng)、旋流除沙器以及建筑物內(nèi)末端風(fēng)機(jī)盤管等設(shè)備，共同組成暖通空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅運(yùn)行效率高而且節(jié)能節(jié)費(fèi)效果顯著，是國(guó)內(nèi)地?zé)崮芾玫囊粋€(gè)新發(fā)展方向。

2.1 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

一年四季，相對(duì)穩(wěn)定的地表淺層地?zé)豳Y源，冬暖夏涼為地源熱泵提供很好的系統(tǒng)運(yùn)行冷熱源。地表淺層地?zé)豳Y源來(lái)自太陽(yáng)，每天淺地表層吸收大量的太陽(yáng)能，并將其很好地存儲(chǔ)起來(lái)。地表淺層資源面積廣，無(wú)處不在，地表淺層儲(chǔ)存的這種巨大可再生能源，加之利用方便，使得地源熱泵技術(shù)得到更好的推廣，擁有更廣闊的發(fā)展前景。地能無(wú)論一年四季地上溫度如何變化但其很穩(wěn)定的特性，使用當(dāng)中冷熱源形態(tài)不發(fā)生巨大變化，使得熱泵機(jī)組、管道系統(tǒng)運(yùn)行更安全可靠，效能更是優(yōu)于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，且節(jié)約近40%的運(yùn)行成本，地源熱泵系統(tǒng)兼具高效性和經(jīng)濟(jì)性。以地表水為冷熱源，向其放出和吸收熱量，不僅不會(huì)消耗水資源還不造成污染，在使用建造使用過(guò)程中與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比無(wú)冷卻塔、鍋爐、儲(chǔ)油房等設(shè)施，也不產(chǎn)生廢氣廢渣，大大節(jié)約了建筑空間，還提高建筑的美觀度。地源熱泵系統(tǒng)建造方便、運(yùn)行穩(wěn)定、機(jī)組使用靈活，可一用一備或者三用一備，不會(huì)因?yàn)槟骋慌_(tái)機(jī)組出現(xiàn)問(wèn)題導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法使用，每臺(tái)機(jī)組可獨(dú)立供冷或供熱。

地源熱泵系統(tǒng)機(jī)組運(yùn)行工況穩(wěn)定，使用多種環(huán)境，即使在北方寒冷的冬季供暖也不會(huì)結(jié)霜更不需要除霜。家用空調(diào)設(shè)計(jì)壽命8 年，燃?xì)忮仩t為10 年，地源熱泵機(jī)組為30 年，水循環(huán)和風(fēng)管系統(tǒng)40 年以上，地耦管路系統(tǒng)為50 年，它比所有各種空調(diào)系統(tǒng)和供暖設(shè)備的壽命都要長(zhǎng)。遠(yuǎn)程控制智能化控制系統(tǒng)可以利用系統(tǒng)末端探測(cè)裝置，如二氧化碳濃度探測(cè)器感知人流量變化，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)整地?zé)岜弥评浠蚬┡玫仄ヅ涫覂?nèi)的冷熱負(fù)荷，這樣既節(jié)電節(jié)能，又實(shí)現(xiàn)運(yùn)行費(fèi)用的最小化。地源熱泵系統(tǒng)功能多，應(yīng)用范圍廣，可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立的供暖、制冷，一套地源熱泵系統(tǒng)就可以完成傳統(tǒng)空調(diào)制冷、鍋爐制熱兩套系統(tǒng)的工作，廣泛地應(yīng)用于賓館、購(gòu)物商場(chǎng)、寫字樓、學(xué)校、住宅、公寓樓、別墅等建筑。由于地源熱泵機(jī)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，管道及閥部件數(shù)量大為減少，設(shè)備為成套熱泵機(jī)組，室內(nèi)的管道及部件設(shè)備安裝在機(jī)房?jī)?nèi)，室外部件安裝在地下，環(huán)境影響及人為因素?fù)p壞的概率大幅度降低，使得地源熱泵不光安裝方便簡(jiǎn)捷，其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用也大大降低。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)存在問(wèn)題

與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，雖然地源熱泵系統(tǒng)工作效率高，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低，但其一次性造價(jià)要高于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)30%左右。地源熱泵中央空調(diào)的使用受到場(chǎng)地限制，熱交換是在地下進(jìn)行的，必須具備足夠的場(chǎng)地才能滿足能量交換。設(shè)計(jì)難度大，目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一、簡(jiǎn)便的計(jì)算方法。前期準(zhǔn)備工作繁瑣，時(shí)間較長(zhǎng)，前期需做可行性分析，巖土分析、導(dǎo)熱測(cè)試等。地下埋管換熱是一種非常復(fù)雜的不穩(wěn)態(tài)傳熱現(xiàn)象，地下埋管的安裝幾何特性、地下土壤特性、回填材料特性都對(duì)地下埋管的熱量交換起著重要的影響。目前地源熱泵的技術(shù)存在的最大不足是“土壤熱不平衡”的問(wèn)題。我國(guó)南北方跨度大，制冷采暖也有很多差異，北方地區(qū)夏季供冷冬季采暖，而南方地區(qū)主要以夏季供冷為主，冬季幾乎不用采暖，南北方長(zhǎng)年地源熱泵運(yùn)行，使地源表層吸收、釋放的能量失衡，進(jìn)而影響生態(tài)環(huán)境，影響換熱量。維修難度大，雖然地源熱泵理論上后期基本不會(huì)出現(xiàn)維修的情況，但由于設(shè)計(jì)和施工難度較大加上施工人員素質(zhì)問(wèn)題，一旦出現(xiàn)問(wèn)題需要維修，代價(jià)十分巨大。施工工藝有待完善，在我國(guó)地源熱泵技術(shù)尚未發(fā)展成熟，相關(guān)的一系列設(shè)計(jì)水平、施工工具、工藝、人員水平都有待提高（地源熱泵空調(diào)原理圖如圖4 所示）。

圖4 地源熱泵空調(diào)原理圖

3 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)

3.1 變風(fēng)量系統(tǒng)與額定風(fēng)量的比較

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)是因室內(nèi)需求負(fù)荷變化或室內(nèi)負(fù)荷要求參數(shù)發(fā)生變化，保持恒定送風(fēng)溫度，通過(guò)弱電控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)送風(fēng)量，從而使室內(nèi)冷熱負(fù)荷達(dá)到使用要求的一種全空氣空調(diào)系統(tǒng)。變風(fēng)量系統(tǒng)可以同時(shí)滿足室內(nèi)的空氣品質(zhì)，又達(dá)到節(jié)能的目的。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)區(qū)別于其它空調(diào)形式的優(yōu)勢(shì)有:節(jié)能、無(wú)冷凝水煩惱、系統(tǒng)靈活性好、系統(tǒng)噪聲低、不會(huì)發(fā)生過(guò)冷或過(guò)熱、提高樓宇智能化程度、維修工作量小、使用壽命長(zhǎng)等。集中式空調(diào)定風(fēng)量系統(tǒng)無(wú)法智能的隨著室內(nèi)冷熱負(fù)荷的變化對(duì)風(fēng)量做出相應(yīng)的調(diào)整，一年四季，按照設(shè)計(jì)的最大熱濕負(fù)荷確定送風(fēng)量，全年送風(fēng)量不變，這是集中式空調(diào)定風(fēng)量系統(tǒng)的最大缺陷，存在著諸多不足，它是按照最大熱濕負(fù)荷確定送風(fēng)量的，送風(fēng)量全年不變，這樣即造成能源的浪費(fèi)又無(wú)法給使用者帶來(lái)舒適的體感。

3.2 變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用現(xiàn)狀與問(wèn)題

雖然變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)具節(jié)約風(fēng)機(jī)耗能、系統(tǒng)靈活性較好，易于建造，適合多種建筑、對(duì)室內(nèi)負(fù)荷變化響應(yīng)迅速、用戶體感舒適等諸多優(yōu)點(diǎn)，但它的缺點(diǎn)也是同樣突出，尤其是控制調(diào)節(jié)最為復(fù)雜。變風(fēng)量系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的控制，當(dāng)大量使用節(jié)流型變風(fēng)量風(fēng)口后，管道的系統(tǒng)特性曲線性能將發(fā)生改變，風(fēng)機(jī)的最佳工況點(diǎn)位也隨之變化，雖然管道內(nèi)靜壓增加風(fēng)量是減少了，但是風(fēng)機(jī)風(fēng)壓卻增大，風(fēng)機(jī)能耗隨之增加。過(guò)分的管道節(jié)流，風(fēng)壓增大，隨之帶來(lái)的后果就是管道出現(xiàn)噪聲，風(fēng)機(jī)也可能進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)工作，管道內(nèi)壓的變化，特別是管道內(nèi)壓增加將會(huì)對(duì)一些末端探測(cè)裝置的使用造成影響，靈敏度降低或者調(diào)節(jié)失靈。道內(nèi)加裝靜壓控制器就很好地預(yù)防了這一系列毛病，根據(jù)風(fēng)管內(nèi)靜壓的變化來(lái)控制送風(fēng)機(jī)的總風(fēng)量，比較經(jīng)濟(jì)合理的措施是調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速或風(fēng)機(jī)的進(jìn)口導(dǎo)葉裝置或調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口風(fēng)閥，才能從實(shí)際上達(dá)到節(jié)約動(dòng)力的效果。

變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)智能化控制目前也不是盡善盡美，當(dāng)下變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)多采用PID 控制，PID 控制應(yīng)用范圍廣，參數(shù)較易整定，非常適合模型和線性參數(shù)穩(wěn)定的系統(tǒng)。但是變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)本身就是一個(gè)非線性、時(shí)變模型參數(shù)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，只要使用負(fù)荷發(fā)生變化，系統(tǒng)的特性曲線就會(huì)變化，就需要對(duì)PID 參數(shù)重新整定。因此設(shè)計(jì)前期系統(tǒng)的合理性，以及是施工前變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化，從設(shè)備到管道再到閥部件的選擇使用就是整個(gè)系統(tǒng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的能耗情況和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性及后期的維護(hù)使用。

20 世紀(jì)60 年代的美國(guó)開(kāi)始出現(xiàn)變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)，在以后的不斷完善中，逐漸成為一套成熟穩(wěn)定的系統(tǒng)，后經(jīng)日本的研究改善，變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)得到很大的推廣。變風(fēng)量空調(diào)系統(tǒng)真正進(jìn)入我國(guó)并投入使用的時(shí)間較晚，面對(duì)該系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)復(fù)雜、控制環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)和設(shè)備控制要求較高這些問(wèn)題,只有提高設(shè)計(jì)水平和施工工藝水平,讓變風(fēng)量系統(tǒng)更智能更節(jié)能地服務(wù)于我們的國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4 結(jié)語(yǔ)

暖通空調(diào)與每個(gè)人的生活息息相關(guān)，不僅關(guān)系到千家萬(wàn)戶的冷暖，還在經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展中扮演著重要角色，是建筑節(jié)能的重頭戲。建筑節(jié)能里建筑運(yùn)行節(jié)能是重點(diǎn)，筆者從事建筑機(jī)電安裝工程多年，深感對(duì)新技術(shù)要不斷鉆研，要持續(xù)地解讀，用實(shí)踐去檢驗(yàn)設(shè)計(jì)思路和想法。事情環(huán)環(huán)相扣，一個(gè)新系統(tǒng)源頭的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設(shè)計(jì)師對(duì)自己所設(shè)計(jì)的暖通空調(diào)系統(tǒng)是否匹配建筑，是否對(duì)該系統(tǒng)的細(xì)節(jié)仔細(xì)考量過(guò)，是否能更優(yōu)化更節(jié)能，這都是對(duì)設(shè)計(jì)師本人的深度拷問(wèn)。廣大的建造者在實(shí)現(xiàn)新系統(tǒng)的功能中，也要不斷地優(yōu)化施工技術(shù)和施工工藝。只有設(shè)計(jì)、建造、運(yùn)行都有質(zhì)的提升，才能更好地讓暖通空調(diào)新技術(shù)在我國(guó)節(jié)能減排中做出更大的貢獻(xiàn)，實(shí)現(xiàn)綠色建筑長(zhǎng)效健康的發(fā)展。