從節(jié)能的角度談空調設計

吳達祥

(江陰市建設工程質量監(jiān)督站，江蘇江陰 214432)

0 引言

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

1 合理選擇室內設計參數(shù)

室內設計參數(shù)的選擇，首先必須符合《采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范》及相關節(jié)能標準的規(guī)定，從能耗角度來講，設計參數(shù)應根據實際使用的需要，不能隨意提高設計標準，主要原因是:在夏季室內空氣溫度每降低1℃，將增加約8%的制冷能耗，同時增大系統(tǒng)容量，如風管系統(tǒng)、風機，還會相應增加制冷機容量，空調系統(tǒng)的初投資也隨之上升。同樣，在冬季室內空調設計溫度每升高1℃，將增加10%～12%的供熱能耗，同樣也會造成空調系統(tǒng)的供熱設備包括鍋爐(或熱力網)、熱交換器、熱水泵的容量及造價的上升，不利于降低初投資和節(jié)能。

2 設計計算應科學、嚴謹

暖通空調系統(tǒng)的設計計算主要包括三個方面:

1)空調負荷計算;

2)系統(tǒng)的水力計算;

3)設備的選擇計算。

2.1 空調負荷計算

空調負荷計算是空調設計最基本、最基礎的工作，同時又是涉及節(jié)能乃至空調效果的最重要的計算工作，計算數(shù)據的準確與否很大程度上決定著該空調系統(tǒng)是否節(jié)能、節(jié)能多少。在暖通空調及相關的設計規(guī)范、設計標準中都要求對空調負荷進行逐項逐時的計算，而本人在工作中發(fā)現(xiàn)諸多設計都沒有對空調負荷進行嚴格的計算，而僅按有關經驗數(shù)據進行估算，對沒有把握的地方，安全系數(shù)取得較大，富余量就大，這樣就造成了空調設計負荷大于甚至遠遠大于實際負荷，不利于節(jié)能。

2.2 系統(tǒng)水力計算

空調系統(tǒng)水力計算包括風系統(tǒng)的水力計算和水系統(tǒng)的水力計算，對這兩方面的水力計算必須按系統(tǒng)的最不利管路逐段進行計算，并應選擇合適的風速或水流速度，即所謂的經濟流速。但在實際設計中，有些設計人員為了貪圖方便與簡單，僅按照經驗數(shù)據進行計算，勢必造成要么在實際設計中風管或水管尺寸過大，不利于降低造價和建筑空間，要么管路尺寸過小，造成系統(tǒng)阻力增加，風機和水泵的容量與運行能耗也會隨之上升，同樣浪費能源。

2.3 空調和制冷、制熱設備的選擇計算

設備的選擇計算，一方面取決于風系統(tǒng)和水系統(tǒng)阻力計算的準確程度，另一方面還與安全系數(shù)的選取有關，安全系數(shù)選取過小，空調系統(tǒng)的水泵、風機富余量不足，當管路中由于某些無法預知的因素導致阻力增加時，就會使得循環(huán)水量和空調送、回風風量不足，影響空調效果與用戶的使用，對于某些要求較為嚴格的工藝性空調，還會影響產品質量，這種空調設計雖然有節(jié)能效果，但犧牲了產品質量或人的健康，這是不可取的。相反，當安全系數(shù)選取過大時，水泵、風機及制冷、制熱設備容量過大，空調系統(tǒng)建成后，長期處于大馬拉小車的狀態(tài)，導致空調設備運行效率的下降，能源利用率下降，同樣不利于節(jié)能。

綜上所述，對空調的負荷計算，水力計算和設備的選擇計算應嚴謹、細致和科學，只有這樣的設計計算才比較接近實際情況，才能保證空調效果，保證空調系統(tǒng)的節(jié)能運行。

3 對空調系統(tǒng)應進行合理的劃分

空調系統(tǒng)的范圍、空調采用何種方式等都會影響空調系統(tǒng)的節(jié)能，如果不同要求的空調房間劃分在同一系統(tǒng)，勢必會按要求較高的房間標準進行設計，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)可以采用變風量技術的，應采用變風量系統(tǒng)，可以最大限度地節(jié)能。空調系統(tǒng)的劃分可從下列幾個方面考慮。

3.1 按照房間功能劃分

按照房間的功能劃分空調系統(tǒng)，一方面可以降低空調的設計負荷，另一方面也為空調系統(tǒng)建成后的節(jié)能運行管理創(chuàng)造條件。不同功能的空調房間在使用性質、使用時間、參數(shù)要求等方面也不同，空調設計時，應盡可能地按房間功能進行系統(tǒng)分區(qū)。

3.2 按空調房間的朝向分區(qū)

空調房間朝向不同，空調負荷也不同，甚至相差很大，在夏季南向的空調房間冷負荷較大，需配置的空調系統(tǒng)和設備容量較大，而北向的空調房間，由于沒有直接受到太陽的輻射，空調冷負荷相對較小，因此需配置的空調系統(tǒng)和空調設備容量相對較小。空調設計時，在可能的情況下，應盡可能地按照空調房間的朝向分區(qū)設置空調系統(tǒng)。

3.3 高大空間的分區(qū)空調

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，某些廠房由于生產設備和工藝流程的需要，也需要設置高大空間，在這些高大空間中，人員活動和生產工藝往往只需要維持在底部或一個特定的區(qū)域內，不需要在整個空間內維持一定的空調要求，因此空調設計時，應將空調范圍縮小在某個需要的范圍內，而范圍外不需要設置空調系統(tǒng)。通常的做法是在頂部設置排風系統(tǒng)，底部區(qū)域設置空調系統(tǒng)，必將大大減少空調能耗。

3.4 空調房間的內、外分區(qū)

目前大型建筑一般進深較大，周邊受室外氣溫影響較大，空調負荷波動也較大，而內區(qū)空調負荷相對穩(wěn)定，某些建筑冬季室內還有余熱量，需要冬季供冷，在這種情況下宜將內區(qū)與周邊區(qū)(外區(qū))分開設置空調系統(tǒng)，便于系統(tǒng)的運行管理，也有利于空調節(jié)能。如果內、外區(qū)合用同一空調風系統(tǒng)，必然會造成內、外區(qū)溫度的失控，嚴重影響空調效果。

4 采用合適的新風量和新風比

民用建筑空調設計時采用的新風量由相關的設計規(guī)范和設計標準推薦使用，該新風量有一范圍，采用何值應根據工程的規(guī)模、系統(tǒng)的劃分、空調房間使用性質、人員的數(shù)量以及停留時間等綜合考慮，不應簡單地統(tǒng)一按人數(shù)計算。對于工業(yè)建筑，也應根據空調系統(tǒng)、人員情況確定合適的新風比，同時應在滿足工藝要求和衛(wèi)生要求的情況下，盡量減少室內局部排風，采用密封性能好的門、窗，減少室內排風量和滲透風量，從而減少新風量和新風比，降低系統(tǒng)負荷。

5 采用新風與回風的焓值比較控制技術

對于工業(yè)空調，在過渡季節(jié)，應盡可能多地采用室外新風，以減少制冷機的開啟時間，達到節(jié)能的目的。為此什么時候可以采用100%的新風，而回風全部排至室外，單靠人工判斷較為困難，必須設置焓值比較控制系統(tǒng)，首先對新、回風的溫度和濕度進行檢測，通過相應的儀表進行焓值計算，再進行新風與回風焓值的比較，在過渡季節(jié)當新風焓值低于回風焓值時，應盡可能多地利用新風。為了達到焓值比較控制的目的，空調設計時必須采用以下兩項措施。

5.1 空調設備及系統(tǒng)應能夠適應新風量的變化

空調設計時，新風量通常是按規(guī)范、標準選取的量小新風量，但實際運行時，隨著室外氣象條件的變化，尤其是過渡季節(jié)必須采用最大新風量，隨著新風量的變化，室內排風必須同步變化，室內正壓才能基本保持穩(wěn)定。也就是說，空調房間的風量進行平衡設計時，必須保證新風量等于排風量與正壓風量之和。為此空調設備及系統(tǒng)應能夠滿足新風量和排風量的變化。

5.2 必須設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，新風量也處于不斷的變化之中，新風量的調節(jié)單靠人工調節(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，才能對室內外參數(shù)進行不斷的檢測和比較，才能確定實時新風量的大小。

6 采用熱回收設備和技術

熱回收主要指的是排風系統(tǒng)的熱量回收。在夏季室內排風的溫度和焓值均低于室外新風，如果將排風與新風進行熱交換，就能將新風的溫度和焓值降低，從而減少表冷器的制冷量，最終降低制冷機的容量，從而降低空調能耗和工程造價。在冬季，室內排風的溫度和焓值均高于室外新風的溫度和焓值，此時如果將排風和新風進行熱交換，就能將新風進行預熱，降低新風的熱負荷，同樣有利于節(jié)能。

7 采用冷卻塔供冷技術

在一些空調建筑中，如內區(qū)面積較大或工業(yè)廠房內部發(fā)熱量較大的場所，冬季室內需提供一定的冷負荷才能消除室內余熱，降低室內溫度，保證人員和生產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用冷水，這樣可以減少冷水機組的運行時間，取得較好的節(jié)能效果。在空調水管路設計時，必須充分考慮和保證冷卻塔供冷的實現(xiàn)。同時由于冬季冷卻塔停運時，冷卻塔及管路中的存水會有凍結的可能，必須采取相應的防凍措施。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、熱源設備種類和容量匹配問題

冷熱源方式及系統(tǒng)設計選用時，首先應考慮工程的特點，如空調系統(tǒng)在一天乃至一年中的運行時間、運行方式、空調負荷等情況，然后考慮采用合適的制冷方式，如什么情況下應采用電制冷、什么情況下應采用吸收式或其他制冷方式，在制熱情況下何時采用蒸汽供熱，何時可以采用熱水制熱等。

另外空調負荷計算是按系統(tǒng)最大負荷計算的，但實際運行時，最大負荷出現(xiàn)的時間很短，絕大部分時間是在部分負荷下運行的，因此空調設計時必須充分考慮到部分負荷這一特性，做好冷、熱源設備的容量與臺數(shù)的匹配工作，以滿足運行管理和節(jié)能的要求。

9 降低風系統(tǒng)和水系統(tǒng)的輸送能耗

空調系統(tǒng)的輸送能耗在整個空調系統(tǒng)的能耗中占有比較大的比例，降低輸送能耗是空調節(jié)能設計中的一個重要措施。選擇生產效率高的風機和水泵，能起到很好的節(jié)能效果。

1)風系統(tǒng)。

對于空調和通風的風系統(tǒng)來說，控制風泵系統(tǒng)輸送能耗的主要措施是控制合理的風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，最終降低風機的風壓，為了縮短作用半徑，風機應盡可能靠近空調房間或通風房間。根據相關節(jié)能設計標準要求，風機單位風量耗功率的限值應滿足表1要求。

表1 風機單位風量耗功率限值 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。空調水系統(tǒng)的輸送能效比應滿足表2規(guī)定。

表2 空調冷、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)

地球是一個巨大的蓄能體，隨著地源熱泵系統(tǒng)的逐漸應用，地源熱泵技術日漸成熟，已有許多成功的案例。尤其是土壤源熱泵系統(tǒng)已得到大量應用，在空調設計中，應根據當?shù)氐牡刭|和工程情況盡可能地采用該種系統(tǒng)，以利于節(jié)能，當然設計該系統(tǒng)時，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行供熱。如果空調建筑只需夏季供冷，應盡可能地采用單冷空氣源制冷方式，如果冬季需供熱，則應結合當?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，在冬季設計狀態(tài)下的COP值小于1.8時，機組供熱效率大大下降，則不宜采用空氣源熱泵。

11 結語

空調設計是決定空調系統(tǒng)投入運行后是否節(jié)能的十分重要的基礎性工作，必須予以重視，本文從多方面作了系統(tǒng)的總結和閘述，希望能對設計人員起到借鑒作用。

［1］GB 50019-2003，采暖通風與空氣調節(jié)設計規(guī)范［S］.

［2］李志生.中央空調設計與審圖［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］電子工業(yè)部第十設計研究院.空氣調節(jié)設計手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.