暖通空調系統現行節能技術問題的探討及分析

趙青玲，陳靈閣，戶澳文

（華北水利水電大學環境與市政工程學院，鄭州 450046）

隨著國民經濟的增長和人們生活水平的提高，民眾對生活的舒適性要求也越來越高，極大地促進了暖通空調系統的推廣和普及，同時造就了暖通空調能耗所占建筑能耗的比例亦越來越大[1]，據資料顯示，目前，暖通空調的能耗已占建筑能耗的30%～50%[2]。當前，空調系統運行的動力以常規能源生產的電能為主，空調系統應用規模的擴大間接地提高了常規能源耗量及其燃燒帶來的環境污染問題。因此，如何降低空調系統能耗目前已經成為人們研究的一個熱點。

1 暖通空調系統的節能措施和應用分析

研究表明，暖通空調系統的耗能主要包括建筑物耗能和空調系統的耗能。目前的建筑普遍存在耗能大、效率低、圍護結構的保溫隔熱性能差等問題，并且具有夏季空調用電量大和冬季采暖能耗高的特點。空調系統本身在設計、生產、安裝和使用方面也存在很多問題。因此，為了降低暖通空調系統運行過程中的能耗，達到節能的目的，人們從建筑物的材料、結構、暖通空調系統運行的替代能源及暖通空調系統自身技術的改進和提高等方面進行了研究。

1.1 降低圍護結構的散熱量

外圍護結構是房屋的主要組成部分，主要包括墻體、門窗和屋頂等。在采暖過程中，透過外圍護結構散失的熱量占總熱損失的比例較大，趙士懷等人研究表明：北方地區公共建筑采暖空調能耗中，建筑外圍護結構傳熱耗能占比為40%～50%[3]，建筑圍護結構的熱工性能與建筑結構形式、構造方式及構造選材有關。不同的建筑結構類型直接導致圍護結構選擇的不同，從而影響其熱工性能的改變。使用導熱系數小的保溫材料，將會大幅度地降低圍護結構的傳熱系數[4]。

1.1.1 圍護結構的設計

墻體是外圍護結構的重要組成部分，目前大多數墻體只能滿足承重的作用，難以滿足保溫的性能要求。因此，復合墻體應運而生，并得到廣泛的利用[5]。復合墻體的本質是墻體加一層保溫層。保溫層的主要作用是減少房間內熱量的散失，提高供熱量的利用率，從而達到節能的目的。目前，復合墻體的保溫層的位置有內保溫、外保溫和中間保溫三種。由于內保溫和中間保溫難以避免“熱橋”現象的產生，“熱橋”現象會導致墻體出現裂紋，從而降低墻體的保溫性能，還有可能導致住宅的可使用面積減小[6]。外保溫方式的保溫性能好而且可以避免墻體內部出現冷凝的現象。因此，目前在做復合墻體設計時，多采用外保溫的方式[7]。

門窗是建筑最主要的散熱構件，是建筑節能的最薄弱環節。因為大部分門窗的保溫性較差，室內熱量散失較多，門窗面積越大，傳熱量越大。因此，在設計門窗時，應根據不同地區的不同氣候設計好窗體比。根據國家居住建筑節能設計標準規定，寒冷地區住宅各朝向的窗墻比取值要求分別為：北向窗≤0.3、東西向窗≤0.35和南向窗≤0.5[4]。在廣東和廣西等溫熱濕潤的地方，則可以設計較大的窗墻比，夏季可以利用南向的窗戶進行自然通風降低房間溫濕度，冬季則可以得到更多的太陽輻射熱。普通民用建筑應減少落地窗的設計，以減小通過窗框和窗玻璃散失的熱量。同時也可以使用窗簾來減少傳熱損失，還可以增加門窗的熱工特性。增強門窗的嚴密性，窗框部分也可以選用節能效果比較好的“熱斷橋”型材。

屋頂降低耗能常采用以下幾種設計方法：1）采用架空屋頂。在屋頂設置遮陽板，遮陽板下部再設置具有通風作用的架空板，遮陽板可以阻擋一部分的太陽輻射熱，遮陽板自身所吸收的熱量可以通過對流換熱的作用傳遞到架空板空氣中隨風散失掉。這種方法一般應用在通風較好的平屋面上，較大的風量能有效地帶走熱量，但是對于夏季風量小的地區和通風差的建筑不宜采用，對于寒冷地區，這種方式會降低屋面溫度，使室溫降低，也不宜采用。2）采用蓄水屋頂。此方法是在平面屋頂設置3～5 cm的蓄水層，利用水的蓄熱和蒸發特性，可以有效減少通過屋頂的傳熱量，進而起到有效的保溫隔熱作用。缺點是水會蒸發，尤其是在夏季，蒸發更快，需要時刻注意水量并及時補充水，將造成一定程度上水資源的浪費，另外水具有滲透性，若屋頂的建筑材料不夠好，則可能出現滲水的現象，不僅會導致房屋的保溫性能下降，還會降低房屋的壽命。3）采用植被屋頂，即在屋頂上鋪一層土，并種植一些綠色植物，通過植物的覆蓋作用以及蒸騰作用來降低太陽輻射熱對屋頂的影響。楊子江研究表明[8]建筑屋頂綠化可明顯降低建筑物周圍環境溫度(0.5～4.0℃)，而建筑物周圍環境溫度每降低1℃，建筑物內部空調的能耗可降低6%，對低層大面積的建筑物，由于屋頂面積比墻面面積大，夏季從屋面進入室內的熱量占總圍護結構得熱量的70%以上，綠化的屋頂外表面最高溫度比不綠化的屋面外表面最高溫度可低20℃以上[8]。但由于屋頂的土層厚度有限，種植的植物扎根深度相對較淺，難以抵擋風雨的作用，因此，這種方法只適用于弱風的情況，而且植物還需要專門的人員打理，比較繁瑣。

1.1.2 圍護結構的保溫材料

材料是影響圍護結構熱工性能的一個主要因素，建筑部位不同，圍護結構的作用也不同，例如窗體材料需要良好的透光性，而墻體材料需要較強的抗壓能力，這就需要在選材時既要考慮其應用部位又要兼顧其熱工性能。

用于建筑墻體的保溫材料主要有礦棉、巖棉、聚苯乙烯泡沫塑料板和聚氨酯等。其中，聚苯乙烯泡沫塑料板和聚氨酯的材料易得，它們具有比強度高和保溫導熱系數小等優點，但其燃燒性能等級為B2，一般不能用于高度大于24 m的建筑或人員密集的建筑的外保溫材料，若采用，應用不燃材料做防護層，施工相對繁瑣，而且聚氨酯保溫材料對太陽光的反射率較低，在夏季不能很好地隔絕太陽輻射熱，會增加夏季空調的冷負荷。巖棉和礦棉常用于高層建筑的外保溫材料，其燃燒性能為A級，屬于不可燃材料，但由于巖棉板的壓縮強度較低，纖維層不利于施工和環保，價格較高，隨著巖棉板做外圍護結構保溫材料的技術的進步，相信未來巖棉板在圍護結構保溫材料方面有廣闊的應用前景[9]。

提高門窗的保溫隔熱性能，既要提高材料（玻璃、窗框、門板材料）的熱工性能又要兼顧其光學性能。在商業和工業建筑中經常采用低輻射的LOW-E玻璃作為窗戶材料，LOW-E玻璃因其鍍膜面的輻射率可以小到0.08～0.15，是普通玻璃表面輻射率(0.84)的1/5～1/10，所以LOW-E玻璃有比較低的表面輻射率，在夏季既可以降低周圍物體短波輻射傳熱透過玻璃的效率，也對長波輻射熱有較高的反射率，因此可以阻止來自室外各方的輻射熱進入室內，冬季可以將照明設備、采暖設備和人體表面產生的長波輻射熱反射回室內，從而就有效地阻止冬季室內輻射熱的外泄，大大提高了能源的利用率[10]。但是與傳統玻璃相比，LOW-E玻璃存在透光率較低，容易氧化的缺點。

屋頂保溫材料常用的有聚氨酯硬泡、聚苯板隔熱層和FB新型復合屋面板等。聚氨酯硬泡具有熱導率小、隔熱性能好、吸水率低和施工方便等優點，但由于技術原因，目前聚氨酯硬泡保溫材料的利用還處于起步階段，隨著技術的發展，聚氨酯硬泡具有很大的利用前景。聚苯板隔熱層的保溫效果較好，而且價格低廉，在相同的保溫效果下，聚苯板的成本更低，節省資金，但聚苯板的阻燃性能不好，施工性能也較差。FB新型復合屋面板采用輕質結構板、保溫板和空氣層三層保溫隔熱層，保溫隔熱效果明顯優于傳統屋面。另外，它采用結構板自身剛性防水和TS卷材柔性防水的復合防水體系，板接縫處采用密封材料嵌縫、密封和水卷材相結合的兩道接縫處理，可取得剛柔并濟和雙重保險的防水效果。因此，FB新型屋面板具有重量輕、保溫、隔熱和防水等功能[11]，但造價相對較高。

1.2 利用其它資源降低暖通空調系統對常規能源的消耗

太陽能和風能是取之不盡和用之不竭的清潔能源，將風能和太陽能等能源應用于暖通空調系統中，能夠有效降低暖通空調系統對常規能源的消耗。

1.2.1 太陽能的利用

利用太陽能降低暖通空調系統對常規能源的消耗主要有直接利用和間接利用兩種方式。直接利用就是使太陽光照射到室內，通過短波輻射加熱室內物體表面的方式或者通過太陽能熱水器加熱水滿足人們對熱水的需要[12]。中國建筑科學研究院的近零能耗辦公樓夏天利用太陽能制冷，使空調能耗比普通建筑降低50%，照明能耗相對一般建筑要降低75%[13]。太陽能的直接利用具有利用率較高、安全和節能的優點，但是受天氣、季節和地域等因素的影響較大，不能完全滿足人們的季節性需求。

間接利用是將太陽能轉換為電能應用于暖通空調系統中。近年來光伏發電技術已日趨成熟，將太陽能轉換為電能驅動傳統的制冷供暖設施，或者為熱泵提供電能而用于冷源和熱源裝置。將太陽能轉換為電能受天氣等因素的影響小、并且可以收集、儲存和運輸；但由于能量的轉換往往會伴隨著能量的損失，所以這種方式對太陽能的利用率并不理想。根據孟華等人的研究顯示，由于壓縮機中一般尚未考慮光伏系統的特性，因此整個系統效率較低，相應成本相比以熱能為動力的制冷循環要高3～4倍[12]。所以太陽能的高效利用可以從如何提高太陽能發電效率及在傳統的制冷供暖設施盡可能地直接利用太陽能減少能量的轉換兩方面進行研究，例如可以用太陽能直接加熱集熱器內的低沸點介質，使其氣化后進入汽輪機，驅動制冷設備工作。

1.2.2 風能的利用

將自然風應用到暖通空調系統中，不但可以保護環境，也可降低通風所需的能耗[14]。根據風壓或熱壓技術原理，通過科學合理地對室內通風管路系統進行設計，利用設備的余熱模仿熱壓作用下的自然通風模型，可以使通風系統的能耗降到最低甚至是完全的自然通風。研究顯示，自然通風僅在冷卻通風方面起到的作用，就可以降低能耗達45%以上[15]。這種方式的缺點是新風的舒適性沒有保證，并且需要根據實際情況進行特殊的設計，耗費大量的人力，另外，目前這種概念還沒有被人們普遍認可，相關技術的研究還不全面，急需利用這種概念建設一棟具有代表性的建筑，來推進相關的研究和發展。

1.2.3 其它能源的利用

地源熱泵技術在空調中的應用具有較為突出的節能效益與經濟效益，因此，應用于建筑暖通空調系統中不僅可以有效解決建筑供暖問題，而且系統制冷方面也有很大的優勢[16]。比如：冬天地源熱泵空調吸收土壤、地下水和地表水的能量，向建筑中提供熱能，夏天向土壤、地下水和地表水釋放一定的熱量，實踐證明地源熱泵空調系統夏季制冷效率可比空氣源空調制冷裝置提高1倍以上，而且冷暖供應時系統比空氣源制冷和燃煤鍋爐供暖降低能耗約50%以上[17]。地源熱泵空調技術相對成熟，也可以以并聯或串聯的方式與太陽能聯合應用。缺點是造價較高，為了達到其經濟性，主要應用于居民住宅、商業用戶和學校等大型用戶，若為獨立的單個用戶提供熱量，將會極大地造成能源浪費。為此，急需技術上的突破，使地源熱泵也能為獨立的單個用戶供暖。

1.3 暖通空調系統自身技術的改進和提高

1.3.1 自控技術在暖通空調系統節能中的應用

自控技術可以實現對建筑物的室內溫度、濕度和風速等參數進行實時地在線監測，并對暖通空調的運行狀況進行實時地自動化控制，在確保室內環境舒適度的前提下，降低能源的損耗[18]。比如：中央空調機房節能集控系統就是利用自控技術實時監控空調負荷的動態變化，然后根據監測到負荷的變化來調節設備的運行狀態，在滿足用戶需要的前提下使設備能耗最低。這種系統具有高度的智能化，節省了大量人力，體現了管理的效益，實現了物管水平的高端化。自控技術在暖通空調節能中的應用擁有廣闊前景。

1.3.2 變頻技術在暖通空調系統節能中的應用

空調系統是按照所有用戶同時使用和工作環境最惡劣的最大負荷進行設計和安裝，而實際運行中95%以上時間空調系統處于低負荷狀態，于是變頻技術應運而生。VRV空調系統是典型的多元變頻，其變頻裝置接受主板傳來的相關參數，采用“模糊邏輯”專用軟件自動準確地分析空調系統負荷變化，并利用變頻技術實時改變壓縮機的頻率和壓縮機排氣口壓力調節系統中的水流量或風量，從而達到降低能耗的效果。這種系統的年均節電率在40%以上，能夠顯著降低運行費用[19]。但這種系統由于調節部件和管道接頭多，存在制冷劑泄露、穩定性和節能性控制的問題尚待人們進一步研究。

1.3.3 熱回收技術在暖通空調系統節能中的應用

眾所周知，空調機組在運行過程中會排出多余的熱，這種現象不僅增加了空調系統的能耗并且給周圍環境造成了熱污染。熱回收技術就是要盡可能將這部分熱再次利用，以此減小甚至避免能量的浪費。原理是在壓縮機與冷凝器之間增加一個水熱交換器，水熱交換器將制冷工質吸收的熱量排放給生活用水，使生活用水加熱到一定溫度，實現制冷機組的熱回收。當活塞式壓縮機的高壓達13 kgf/cm2左右時，其排出溫度高達100℃左右，通過熱交換器加熱的熱水一般可達60℃，最高溫度可達80℃左右，熱回收效率達70%左右。熱回收技術可以提高能量的利用率，減少熱排放對環境的影響；但是其設備難以布置，且前期投入較高，因此限制了其推廣和應用。

2 結語

綜上所述，暖通空調作為現代建筑的重要組成部分，當前的節能技術有很多，各有優缺點。為實現節能降耗目標和推進建筑行業節能減排工作，應進一步加強空調系統節能降耗技術的研究，同時在應用時，盡可能地對各種節能技術進行綜合利用，將暖通空調系統的能耗降到最低，不斷推動現代建筑沿著節能、環保和綠色方向的發展。