我國暖通空調系統設計與運行階段的節能探討

劉文青

（江蘇省建筑設計研究院有限公司，江蘇 南京 210019）

隨著經濟的發展，我國的總社會能耗不斷攀升。在我國能耗體系中，建筑能耗和工業能耗、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，空調能耗占比最大，約為65%～70%。城鎮化進程的推進帶來了建筑業的迅猛發展，建筑能耗不斷增加，其占社會總能耗已達30%左右。暖通空調能耗的增加，勢必帶來社會總能耗的增加，同時也會帶來二氧化碳排放增多等環境問題。因此，對暖通空調系統的節能研究顯得尤其必要。本文分析了暖通空調能耗的組成，并分別就設計和運行階段提出了節能措施。

1 空調系統能耗的構成

一般對于大型水冷空調系統而言，能耗由制冷主機、末端和輸送系統的3 部分能耗組成。對于暖通空調系統而言，其能耗最大的部分是冷水機組。冷水機組的額定功率從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組的負荷；末端為空氣處理設備，通過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，則會增加機組負荷；輸送設備一般包括水系統的水泵能耗和空氣系統的風機能耗，水泵功率從10～100kW，風機一般從1～10kW，雖然單體功率相較于冷水機組較小，但數量較多，帶來的總體能耗在空調系統中占有相當比例。

2 設計階段的節能措施

2.1 冷熱源的優化設計

在空調系統的能耗中，冷熱源可以占到系統總能耗的60%以上，所以冷熱源的設計是系統設計的重中之重。一般而言，空調系統的主機都按最大負荷進行設計，而空調系統在不同工況時有一條最佳曲線，滿足此曲線時，

系統的運行效率最高，這一點往往被設計師在設計階段被忽略。在設計時，應控制主機盡可能滿足特性曲線，還應注意合理選擇主機功率，如根據使用負荷去選擇大小結合的主機，這樣當系統處于小負荷時，可以切換到小容量主機的運行，達到明顯的節能效果。

此外，室內參數的選取對主機負荷的影響較大。在設計時，應避免夏季采用過低溫度和冬季采用過高溫度。設計時避免送風溫度過低。假設同樣的室溫條件下，送風溫度由18℃降低為14℃的話，新風負荷會增加1/4左右，這樣會帶來系統總能耗的攀升。從健康、舒適和節能的角度，夏季室內設計溫度應比室外低5%～8%。

2.2 合理的自控系統設計

暖通空調的自控不僅可以節約人力，還可以保證室內各參數處于設定值，達到節能運行的目的。隨著計算機和自控技術的發展，系統應采用先進的軟件對系統運行和能耗進行實時監控，可以實現系統的數據統計和上傳，保證系統處于節能運行的狀態。

對于舒適性空調而言，空氣溫度、濕度、風速、環境溫度等參數都會對居住者的身體健康帶來影響。現有的控制系統往往只是監測空氣溫濕度，甚至僅僅監測溫度，是不全面的。熱濕環境的研究結果為我們采用新的控制方法提供了依據，如可以采用舒適性評價指標，即體感指標來作為新的控制參數，這樣既滿足了室內居住者的健康，又可以達到節能的目的。

2.3 熱回收的利用

在夏季，如室內排風溫度低于室外新風溫度，這一部分冷量可以回收。具體而言，是通過新風交換機將排風的冷量加以交換傳遞給室外新風，室外新鮮的空氣在進入室內之前得到預冷，而較污濁的冷風在排出之前將部分冷量“留在室內”，從而達到節能的目的。現有設備有板翅式換熱器和轉輪式冷量回收等方式。如板翅式為紙質的，可以實現傳熱的同時傳質，即全熱交換；如果板翅式為鋁片，則只能傳熱，即實現顯熱交換。

2.4 可再生能源的利用

隨著空調能耗的增加，一方面導致不可再生能源的大量消耗，另一方面帶來嚴重的環境污染。可再生能源、清潔能源用于暖通空調系統，在近年來得到長足的發展。地源熱泵系統為其中之一，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，在冬季再從中吸取熱量。一方面土壤或地下水的比熱大于空氣，換熱效果較好，二來此種方式可以減小城市的熱島效應，從而進一步減少整個城市的能耗。另一種可再生能源利用——太陽能熱泵技術，在近年來也得到了較多的應用。在供熱時，熱泵的效率永遠大于1，從這一點來看，該系統的節能性明顯好于電制熱，太陽能和儲能技術的聯合應用，進一步提升了熱泵的節能性，在有條件的地區，該系統應該加大推廣力度。

3 運行階段的節能措施

3.1 主機節能運行

因為空調主機的能耗在系統中占比最大，所以其節能性運行不可忽視。目前有的系統采用多臺主機并聯的方式，在對建筑不同場所的空調負荷進行調查分析后，尋求最佳的啟停控制方式。在此過程中，有些細節需要注意，如多臺機組并聯時，應先關閉不開啟主機的進水閥門，否則壓力降增大時，操作員往往選擇加大關閉主機的閥門，這樣會造成冷量的浪費。對于采用變頻技術的主機，當系統處于部分負荷時，有研究顯示2 臺50%負荷運行的主機的能耗小于單臺主機100%負荷運行下的能耗。此種主機的節能運行方式值得借鑒。

3.2 冷卻塔的節能運行

影響冷卻塔冷卻能力的因素有循環水量、水溫、風量以及當地空氣的干濕溫度。目前運行方式有：

（1）運用溫度控制的手段。當熱負荷變化時，熱敏電阻連接溫度調節器，控制冷卻塔風機的啟停。當熱負荷低于某一值時，冷卻塔風機停機，熱負荷上升時，冷卻塔風機開機。

（2）當冷卻塔風機并聯時，負荷的變化可以通過風機啟停數量來控制。

（3）變頻運行。溫度傳感器將出水溫度值傳遞給內置的PID 控制器后，送出速度并控制輸出，最終調節冷卻塔風機的轉速。此種運行方式要注意的是冷卻塔風機的慣性一般較大，要預留出30～50s 的加減速時間。此外還應防止冷卻風機出現特定轉速下的機械共振現象。

3.3 水泵、風機的變頻運行

目前，很多中央空調系統對水泵、風機采用的控制方式為舊有方式，即改變水泵、風機的啟停臺數來調節室內溫度。該方式在設備全開全閉輪流運行時，電能的浪費較大，此外會帶來較大的電流沖擊，影響設備壽命。如采用變頻設備，則可以帶來如下好處：一是軟啟動的電機帶來設備壽命的增加。二是輸送系統因為變頻帶來能耗的明顯下降。三是系統的舒適性較好。需注意的是，變頻系統較之于定頻系統，在運行時更加復雜，要根據現場的實際情況選擇控制方式。

4 結語

暖通空調系統的節能關系到降低建筑能耗和社會總能耗的實現，還關系到人們對健康、舒適、安全的室內環境的需求，因此暖通空調系統的節能研究應給予足夠的重視。文中介紹了空調系統能耗的組成，認為運行階段和設計階段對于空調系統的節能同等重要。給出了近年來設計和運行方面可以采用的節能手段和措施，這些措施的實施會使得暖通空調系統更好地發揮其經濟、節能、安全、舒適的作用，以促進國民經濟發展和人們生活水平的提高。