暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能分析

董圓圓

20 世紀(jì)70 年代，石油危機(jī)的爆發(fā)，人們才認(rèn)識到以犧牲環(huán)境為代價(jià)的高速社會發(fā)展史難以繼續(xù)。耗用自然資源最多的建筑產(chǎn)業(yè)必須改變發(fā)展模式，走可持續(xù)發(fā)展道路。在2003 年8 月發(fā)布的《綠色奧運(yùn)建筑評估體系》中，提出綠色建筑就是為人類提供健康、舒適的工作、居住、活動的空間，同時實(shí)現(xiàn)最高效的利用資源、最低限度地影響環(huán)境的建筑物。也就是說，在建筑壽命期限內(nèi)，最大限度地節(jié)省資源，保護(hù)環(huán)境和減少污染，為人們提供健康、適用和高效的使用空間，與自然和諧共生的建筑。

在我國，建筑行業(yè)的能耗占到社會總能耗的1/3，而在建筑行業(yè)里，暖通空調(diào)專業(yè)的能耗占到建筑總能耗的1/2 多，暖通空調(diào)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，已使其成為建筑能耗大戶。在世界性能源緊張的今天，降低暖通空調(diào)的能耗對建筑節(jié)能有著重要的意義。

一棟建筑要進(jìn)行暖通空調(diào)設(shè)計(jì)的時候，其建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱特性、室外氣象參數(shù)及周圍熱濕環(huán)境都已成為定值，不可改變，而這些恰恰是影響暖通空調(diào)系統(tǒng)能耗的部分主要因素。為此我國建設(shè)部于2001 年制定并頒布了《夏熱冬冷地區(qū)居住建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，要求新建建筑通過采用保溫隔熱性能更好的圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料以及采用高能效比的采暖空調(diào)設(shè)備，在保證室內(nèi)同等熱環(huán)境指標(biāo)的前提下，與未采取節(jié)能措施前相比，采暖空調(diào)能耗節(jié)約50%。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行暖通空調(diào)的設(shè)計(jì)，室內(nèi)設(shè)計(jì)參數(shù)及空調(diào)作用方式、系統(tǒng)各設(shè)備自身的性能和效率、空調(diào)系統(tǒng)整體的性能和系統(tǒng)運(yùn)行方式以及運(yùn)行管理情況等因素對節(jié)能效果就顯得更為重要了。

（1）方案選擇方面，設(shè)計(jì)暖通空調(diào)系統(tǒng)，應(yīng)使其在高效經(jīng)濟(jì)的狀況下運(yùn)行，同時推廣使用可再生能源或低品位能源作為系統(tǒng)冷熱源。

在整個中央空調(diào)系統(tǒng)中，冷水機(jī)組的能耗占空調(diào)系統(tǒng)能耗的55%～65%，所以冷熱源方案的選擇將對整個空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能起很大的作用。選擇冷熱源要符合國家能源和環(huán)境政策、法規(guī)，還要注意地域優(yōu)勢，考慮天然可再生能源、低品位能源，比如太陽能、風(fēng)能、地?zé)嵩础⒏鞣N廢熱等。甚至建筑周邊環(huán)境也要關(guān)注，如有發(fā)電廠，要充分發(fā)揮發(fā)電廠的供熱技術(shù)?，F(xiàn)如今，冷熱源方案中可加入蓄熱蓄冷空調(diào)，即在用電低谷時段蓄冷蓄熱，供用電高峰空調(diào)使用。這樣能節(jié)省電費(fèi)同時節(jié)省能源。在綠色建筑中，節(jié)能這個重頭任務(wù)，不僅是因?yàn)槲覈媾R能源緊缺的壓力，高能耗導(dǎo)致環(huán)境排放的壓力增大也是重要的因素。

目前，熱泵裝置技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛，地源熱泵就是其中一項(xiàng)，地源熱泵技術(shù)是通過輸入少量的高品位能源（如電能），既可實(shí)現(xiàn)熱量從低溫?zé)嵩聪蚋邷責(zé)嵩吹霓D(zhuǎn)移。在冬季和夏季，分別將地?zé)崮茏鳛楦邷責(zé)嵩春偷蜏責(zé)嵩?，在冬季將地?zé)崛〕鰜碛糜诓膳驘崴?yīng)，在夏季將室內(nèi)的熱量提取后釋放到地層中去。目前在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中，存在大量的低品位熱源，儲藏于空氣、土壤、水，以及工業(yè)廢氣、廢水中，利用熱泵可以回收這些低品位熱源，產(chǎn)生高品位熱量來供應(yīng)生產(chǎn)和生活之用。

冷熱回收技術(shù)可以使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能源的最大限度利用。如空調(diào)系統(tǒng)排風(fēng)的全熱回收器，夏季利用冷凝熱的衛(wèi)生熱水供應(yīng)等，都是對系統(tǒng)冷熱的回收利用，顯著提高空調(diào)系統(tǒng)能源利用率。

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，提高系統(tǒng)控制水平，調(diào)整室內(nèi)熱濕環(huán)境參數(shù)，盡可能降低空調(diào)系統(tǒng)能耗。

暖通空調(diào)系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響其使用性能。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時均按最大負(fù)荷取值，而實(shí)際運(yùn)行基本上是在部分負(fù)荷下運(yùn)行，如果系統(tǒng)各部分的設(shè)計(jì)不能適應(yīng)部分負(fù)荷運(yùn)行的要求，長期在高負(fù)荷狀態(tài)下運(yùn)行，系統(tǒng)的能耗是很大的。另外新風(fēng)系統(tǒng)應(yīng)該能隨著室外氣象參數(shù)的變化改變新風(fēng)量，以最大限度地縮短主機(jī)的開啟時間。可以說空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對系統(tǒng)的節(jié)能起著重要的作用。

傳統(tǒng)空調(diào)設(shè)計(jì)時一般以室內(nèi)空氣為控制對象，也就是所說的工況設(shè)計(jì)，所有負(fù)荷取最大值，所有設(shè)備按最大負(fù)荷選取，但是這樣的結(jié)果使得一些空調(diào)房間夏季過冷冬季過熱，造成很大的浪費(fèi)。如果可以按過程設(shè)計(jì)，以人的感覺為研究對象，室內(nèi)溫度可以適當(dāng)升高或者降低，這樣既讓人更舒適同時又節(jié)省了能量。

空調(diào)系統(tǒng)特別是舒適性空調(diào)系統(tǒng)對人體的作用是通過空氣溫度、濕度、風(fēng)速、環(huán)境平均輻射溫度進(jìn)行的，人體對環(huán)境的冷熱感覺是這些環(huán)境因素綜合作用的結(jié)果。以往的空調(diào)控制方式僅僅控制空氣的溫度濕度，顯然是不全面的，勢必帶來許多問題，如空調(diào)系統(tǒng)對人體的作用不直接、當(dāng)環(huán)境變化時對環(huán)境的調(diào)控不迅速、人體感到不舒適。熱濕環(huán)境研究成果的應(yīng)用，為我們采用新的控制方式方法提供了理論基礎(chǔ)。采用舒適性評價(jià)指標(biāo)即體感指標(biāo)作為空調(diào)系統(tǒng)的調(diào)控參數(shù)，如采用PMV 或SET 指標(biāo)對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)控，不僅可以解決傳統(tǒng)控制方法存在的弊病，而且可以實(shí)現(xiàn)大幅度的節(jié)能，據(jù)初步研究表明，采用這種控制方法可使空調(diào)系統(tǒng)在人體舒適的條件下節(jié)能30%左右。

（3）系統(tǒng)運(yùn)行管理方面。

高效的運(yùn)行管理制度對建筑節(jié)能起著很重要的作用，如果管理不善，將會造成較大地能源浪費(fèi)?？照{(diào)系統(tǒng)的運(yùn)行基本都是在部分負(fù)荷下進(jìn)行，室外氣象參數(shù)也與設(shè)計(jì)不同，那么系統(tǒng)的運(yùn)行工況和設(shè)計(jì)就是不同的。所以在設(shè)計(jì)時我們應(yīng)注意，系統(tǒng)部分負(fù)荷運(yùn)行時，系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)可調(diào)，并能使系統(tǒng)和設(shè)備在部分負(fù)荷工況時在高效狀態(tài)下進(jìn)行，避免“大馬拉小車”。當(dāng)室外空氣的溫度或者焓值低于室內(nèi)空氣時，要考慮盡量使用室外新風(fēng)，這樣可以減少空調(diào)主機(jī)開啟的時間，因?yàn)橐慌_主機(jī)能耗一般是一臺新風(fēng)機(jī)組能耗的幾倍甚至幾十倍，而此時新風(fēng)的使用即降低了能耗，又對室內(nèi)空氣品質(zhì)得到保證，這也是所謂的過程設(shè)計(jì)的重要性了。同時，空調(diào)房間一般設(shè)有排風(fēng)系統(tǒng)，排風(fēng)的空氣參數(shù)與空調(diào)房間的室內(nèi)空氣參數(shù)相仿，如果新風(fēng)在送入之前可以與部分排風(fēng)混合，吸收排風(fēng)的冷量或者熱量，這樣就可做到部分能量的回收。間歇工作的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)，盡可能在預(yù)冷時采用循環(huán)風(fēng)，不引入新風(fēng)。人員數(shù)量變化大的系統(tǒng)，最熱月和最冷月的新風(fēng)量應(yīng)該根據(jù)人員需要自動控制新風(fēng)入口閥門，調(diào)節(jié)新風(fēng)量。過渡季節(jié)應(yīng)盡量采用室外新風(fēng)的自然冷卻能力，節(jié)省人工冷源的冷量。根據(jù)室外氣候的變化，合理設(shè)置被控制房間的溫度，避免夏季室內(nèi)過冷，冬季室內(nèi)過熱的現(xiàn)象。

在綠色建筑中節(jié)地、節(jié)材的任務(wù)在建筑建成之后就完成了，但節(jié)能、節(jié)水卻必須在建筑的全壽命期內(nèi)的運(yùn)行中體現(xiàn)，尤其是用能系統(tǒng)（包括采暖、空調(diào)、通風(fēng)、照明、生活熱水、電梯等），建筑本身的壽命超過50 年，而其中的用能設(shè)備系統(tǒng)往往只有15～20 年的壽命，因此在壽命期內(nèi)用能系統(tǒng)不僅要精心維護(hù)，而且要經(jīng)歷數(shù)次更新、改造、升級。如果不能很好的運(yùn)行維護(hù)，哪怕設(shè)計(jì)的再好，也不能達(dá)到節(jié)能的目的。

（4）改善建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能，采用新型節(jié)能舒適健康的空調(diào)方式也可對節(jié)能起一定的作用。

對于暖通空調(diào)系統(tǒng)而言，通過維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量占總負(fù)荷很大比例，而維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫性能決定維護(hù)結(jié)構(gòu)綜合傳熱系數(shù)的大小，亦即決定通過維護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱量大小。所以國家節(jié)能規(guī)范中要求提高維護(hù)結(jié)構(gòu)的保溫隔熱性能。

如前所述，影響人體熱舒適性的環(huán)境參數(shù)很多，不同的環(huán)境參數(shù)組合可以得到相同的熱舒適性效果，但不同的熱濕環(huán)境參數(shù)組合空調(diào)系統(tǒng)的能耗卻是不相同的。例如在冬季，如果我們采用傳統(tǒng)的空調(diào)方式，通過加熱的室內(nèi)空氣實(shí)現(xiàn)人體與環(huán)境的熱濕交換，就需要較高的空氣溫度，此時通過維護(hù)結(jié)構(gòu)的熱損失和加熱新風(fēng)的熱損失都比較大。如果我們根據(jù)熱濕環(huán)境的研究成果，改變傳統(tǒng)的空調(diào)方式，增加輻射熱（如低溫地板輻射采暖），此時所需要的空氣溫度將會顯著下降，一般l2～l4 度即可，而傳統(tǒng)方式設(shè)計(jì)溫度在l8～20 度，顯然后者比前者具有明顯節(jié)能效果。

暖通空調(diào)專業(yè)在綠色建筑領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，甚至是主導(dǎo)性作用，擔(dān)任能源工程師的職責(zé)。在建筑設(shè)計(jì)階段，能源工程師對建筑設(shè)計(jì)方案的節(jié)能效果進(jìn)行定量評價(jià)；在暖通空調(diào)、照明、冷熱源等用能系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，利用各種模擬分析工具進(jìn)行深入分析，提出低成本、節(jié)能、運(yùn)行可靠、最恰當(dāng)?shù)南到y(tǒng)方案。