關(guān)于暖通設(shè)計(jì)中綠色節(jié)能技術(shù)的實(shí)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(fēng)量與變水量系統(tǒng)原理特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出暖通設(shè)計(jì)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(huì)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(dá)峰”和“碳中和”的目標(biāo)愿景。目前中國建筑能耗約占全社會(huì)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(jì)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(jìn)行分析：

1.若按照負(fù)擔(dān)室內(nèi)熱濕負(fù)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(shí)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(shí)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(yán)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(fù)荷均由處理過的空氣與水負(fù)擔(dān)；其三，全水空調(diào)，即室內(nèi)所有負(fù)荷均由水作為介質(zhì)負(fù)擔(dān)。其四，制冷劑系統(tǒng)，即室內(nèi)負(fù)荷由制冷劑負(fù)擔(dān)，

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(fēng)量系統(tǒng)、變風(fēng)量系統(tǒng)與風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)。其中，定風(fēng)量與變風(fēng)量系統(tǒng)均為全空氣空調(diào)，兩者的區(qū)別在于前者送風(fēng)量恒定，如果空調(diào)負(fù)荷減小，則系統(tǒng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持恒定，造成一定程度的能量浪費(fèi)；對于變風(fēng)量系統(tǒng)，主要借助變風(fēng)量裝置對房間送風(fēng)量進(jìn)行調(diào)整，使房間溫度得以有效控制，其風(fēng)機(jī)利用變頻器控制，如果空調(diào)負(fù)荷產(chǎn)生變化，則變頻器能自動(dòng)控制風(fēng)機(jī)，使其轉(zhuǎn)速與負(fù)荷相適應(yīng)，使系統(tǒng)表現(xiàn)出良好節(jié)能效果；對于風(fēng)機(jī)盤管系統(tǒng)，目前比較常用，盤管負(fù)責(zé)輸送冷凍水，而風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)將冷卻或加熱處理后的空氣輸送至室內(nèi)，以此實(shí)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(fù)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(fèi)；其二，變水量系統(tǒng)，采用變頻控制方式，能根據(jù)負(fù)荷的實(shí)際情況對冷凍水送水量進(jìn)行控制，以此提高整個(gè)機(jī)組的運(yùn)行效率，從而節(jié)約電能。

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

變風(fēng)量系統(tǒng)屬于全空氣空調(diào)，以單風(fēng)道定風(fēng)量系統(tǒng)為基礎(chǔ)發(fā)展而來。當(dāng)空調(diào)服務(wù)區(qū)域負(fù)荷變化較大，多個(gè)房間或者區(qū)域合用一個(gè)空調(diào)系統(tǒng)，且需要分別調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度時(shí)，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(fēng)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(dú)立調(diào)節(jié)風(fēng)門及恒溫控制器，能通過對房間送風(fēng)量的適當(dāng)調(diào)節(jié)適應(yīng)負(fù)荷實(shí)時(shí)變化。從七十年代開始，全球能源危機(jī)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(jìn)了變風(fēng)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(fēng)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(gè)組成部分：變風(fēng)量末端裝置、空氣處理與輸送設(shè)備、風(fēng)管系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)。對于變風(fēng)量末端裝置，它是該系統(tǒng)的核心所在，能以房間顯熱負(fù)荷為依據(jù)，對送入到房間中的風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)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(fù)責(zé)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(fēng)管系統(tǒng)，同樣輸送并分布空氣；對于自動(dòng)控制系統(tǒng)，負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)各項(xiàng)參數(shù)，如溫濕度、風(fēng)量和壓力，通過適當(dāng)?shù)目刂剖瓜到y(tǒng)運(yùn)行保持穩(wěn)定。該系統(tǒng)的原理為通過對送風(fēng)量的控制適應(yīng)負(fù)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(fēng)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(fēng)量可以發(fā)生變化；第二，末端裝置對應(yīng)的一次送風(fēng)量也可發(fā)生變化。該系統(tǒng)的核心控制內(nèi)容為風(fēng)量控制，如果室內(nèi)負(fù)荷改變，則末端設(shè)備自動(dòng)對室內(nèi)風(fēng)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)風(fēng)量改變，由變頻器對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速予以調(diào)整。系統(tǒng)具體原理為：如果房間內(nèi)的負(fù)荷變小，則系統(tǒng)送入到房間內(nèi)的一次風(fēng)量也變小，對系統(tǒng)提出的風(fēng)量要求降低，系統(tǒng)控制器采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ń档拖到y(tǒng)風(fēng)量；相反，如果房間內(nèi)的負(fù)荷變大，則送入到房間內(nèi)的一次風(fēng)量變大，對系統(tǒng)提出的風(fēng)量要求升高，系統(tǒng)控制器采用適當(dāng)?shù)目刂品椒ㄉ呦到y(tǒng)風(fēng)量。該系統(tǒng)常用風(fēng)量控制方法包括以下幾種：定靜壓法、變定靜壓法、總風(fēng)量法與變靜壓法。

和變風(fēng)量系統(tǒng)不同，變水量系統(tǒng)無需改變風(fēng)機(jī)風(fēng)量，與冷凍水泵為主要控制點(diǎn)，該系統(tǒng)按照一定供水溫差供應(yīng)空調(diào)機(jī)，能顯著提升運(yùn)行效率，同時(shí)采用變頻調(diào)速水泵對冷凍水送水量進(jìn)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(jī)有關(guān)，從九十年代開始，依托于計(jì)算機(jī)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(jìn)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(shí)際供水量的適當(dāng)改變來適應(yīng)房間負(fù)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(fù)荷確定，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷側(cè)冷負(fù)荷減少時(shí)，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(fù)荷變化對水泵流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在保證溫差不變的同時(shí)，適當(dāng)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(jìn)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(fù)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(fù)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(fù)荷側(cè)通過調(diào)節(jié)電動(dòng)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(fù)荷的變化；另一方面是在冷源側(cè)采用可變流量的冷水機(jī)組和變頻冷凍水泵，使蒸發(fā)器側(cè)流量隨負(fù)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(jì)中，會(huì)考慮冷水機(jī)組的最小流量不宜低于設(shè)計(jì)流量的30%~50%，會(huì)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(jìn)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(gè)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(jì)中采用合理可行的節(jié)能技術(shù)對當(dāng)前的節(jié)能環(huán)保有重要現(xiàn)實(shí)意義，必須引起暖通專業(yè)設(shè)計(jì)人員的高度重視，根據(jù)以往相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，在實(shí)際的暖通設(shè)計(jì)過程中，可從以下幾個(gè)方面入手實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能：

1.圍護(hù)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(fù)荷與冬季空調(diào)房間制熱負(fù)荷。

2.空調(diào)參數(shù)設(shè)置方面。適當(dāng)降低空調(diào)房間的溫度設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)，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(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)，也能起到減少能耗的作用，一般而言，夏季制冷時(shí)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(shí)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(fēng)量予以合理控制，研究表明，當(dāng)新風(fēng)量增加時(shí)，系統(tǒng)能耗升高，所以在夏季制冷與冬季制熱時(shí)應(yīng)將新風(fēng)量控制在滿足衛(wèi)生和人員活動(dòng)要求的水平，而在過渡季節(jié)，應(yīng)最大限度利用自然通風(fēng)，在滿足過渡季節(jié)空調(diào)效果的情況下，降低新風(fēng)比，以縮短新風(fēng)機(jī)組持續(xù)運(yùn)行時(shí)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(fēng)量，如降低房間換氣頻次、于新風(fēng)入口處增設(shè)旁通，采用雙風(fēng)機(jī)模式、盡可能利用室外自然風(fēng)、根據(jù)室內(nèi)人員活動(dòng)規(guī)律，采用適宜的風(fēng)閥控制方法。

3.空調(diào)風(fēng)系統(tǒng)方面。通過適當(dāng)增加溫度差和減少送風(fēng)量可起到降低系統(tǒng)能耗的作用，但要注意保證最小新風(fēng)量，避免過多的減少送風(fēng)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(jìn)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(fēng)量系統(tǒng)替換為變風(fēng)量系統(tǒng)，采用變頻方式控制風(fēng)量，根據(jù)負(fù)荷變化情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；采用變頻風(fēng)機(jī)，并根據(jù)實(shí)際需求確定工作頻率，防止其始終處在全負(fù)荷狀態(tài)；充分利用空調(diào)系統(tǒng)的回風(fēng)；做好風(fēng)管的保溫與防潮；當(dāng)條件允許時(shí)，可減小風(fēng)管風(fēng)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(shí)際供水量及整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際循環(huán)水量都能伴隨空調(diào)負(fù)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(shí)際需求確定工作頻率，以防止水泵始終處在全負(fù)荷狀態(tài)；在達(dá)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?yàn)楫?dāng)制冷機(jī)組的蒸發(fā)溫度提高1℃時(shí)，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(jī)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(yùn)行效率。另外，還要在進(jìn)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(dòng)控制功能，如參數(shù)監(jiān)測、狀態(tài)顯示、參數(shù)自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制，以及工況的自動(dòng)轉(zhuǎn)換；加強(qiáng)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(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)；考慮到過濾器與機(jī)盤一旦附著異物或風(fēng)道發(fā)生滲漏會(huì)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(hù)；在過渡季節(jié)中應(yīng)適當(dāng)延緩空調(diào)系統(tǒng)的開啟時(shí)間，充分利用自然通風(fēng)；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(shí)左右將空調(diào)關(guān)閉；借助傳感技術(shù)及自動(dòng)控制理論實(shí)時(shí)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(jìn)行設(shè)置與調(diào)整，確?？照{(diào)系統(tǒng)處于高效工區(qū)；定期對空調(diào)的過濾器進(jìn)行檢查、清洗或更換，一般新風(fēng)過濾器需按照15-30d 的時(shí)間間隔進(jìn)行清洗，而盤管過濾器可按照30-40d 的時(shí)間間隔進(jìn)行清洗，另外當(dāng)過濾器阻力超過終阻力時(shí)，需對其進(jìn)行更換；經(jīng)常對冷凍水和冷卻水實(shí)際水量及溫度進(jìn)行檢查，并加強(qiáng)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(yùn)行管理水平；定期采用物理或化學(xué)的方法對熱交換器進(jìn)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(fēng)條件的位置，并盡可能遠(yuǎn)離高溫環(huán)境，以免給冷卻塔正常運(yùn)行造成不利影響；引入變頻控制技術(shù)，根據(jù)進(jìn)出水溫差對風(fēng)機(jī)供電頻率進(jìn)行控制，通過對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速的適當(dāng)調(diào)整減少風(fēng)機(jī)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(shí)現(xiàn)能量調(diào)節(jié)的制冷機(jī)，并在運(yùn)行過程中做到大小結(jié)合，在達(dá)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(jī)械實(shí)際運(yùn)行效率；將調(diào)節(jié)閥替換為變速泵與變速風(fēng)機(jī)，以此降低系統(tǒng)內(nèi)耗，保證整機(jī)效率；采用VAV 系統(tǒng)，以空調(diào)房間負(fù)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(fēng)量進(jìn)行自動(dòng)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(shí)現(xiàn)節(jié)能；采用VRV 系統(tǒng)，以系統(tǒng)負(fù)荷及其變化情況為依據(jù)，對壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，并適當(dāng)改變制冷劑的實(shí)際流量，確保機(jī)組運(yùn)行于高效工況，減少能耗；在通排風(fēng)出口處設(shè)置熱交換器，充分利用。

通排風(fēng)出口處的余熱對新風(fēng)進(jìn)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(shí)段制取冷水，而在高峰時(shí)段利用積蓄的冷水進(jìn)行供冷，以此減少運(yùn)行費(fèi)用；借助變頻技術(shù)進(jìn)行變頻控制，使其與所需負(fù)荷達(dá)到實(shí)時(shí)匹配，在低負(fù)荷條件下，自動(dòng)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(jī)組產(chǎn)生的熱量，比如將制冷機(jī)產(chǎn)生的冷凝熱回收并用在生活熱水的制??；加強(qiáng)夜間自然通風(fēng)，以消除白天圍護(hù)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(fù)荷；在空調(diào)箱水管上設(shè)置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，采用變頻方式控制風(fēng)機(jī)，根據(jù)送風(fēng)溫度對水閥進(jìn)行調(diào)節(jié)，并按照回風(fēng)溫度對風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，以此在達(dá)到舒適性要求的基礎(chǔ)上，滿足送回風(fēng)溫差要求，減少風(fēng)量，從而降低風(fēng)機(jī)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(jì)中必須對節(jié)能環(huán)保引起足夠的重視，在設(shè)計(jì)的不同環(huán)節(jié)引入綠色節(jié)能技術(shù)，以此保證整個(gè)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。