淺談暖通空調(diào)節(jié)能新技術(shù)優(yōu)點及存在問題

康紅林

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，全國高耗能建筑面積已超過650 億m，且每年新建建筑近20 億m。根據(jù)我國建筑節(jié)能協(xié)會近兩年發(fā)布的中國建筑能耗研究報告可知，2018 年我國建筑全過程能耗總量為21.47 億tce，占全國能源消費總量的46.5%。其中：建材生產(chǎn)階段能耗11 億tce，占全國能源消費總量的46.8%；建筑施工階段能耗0.47 億tce，占全國能源消費總量的2.2%；建筑運行階段能耗10 億tce，占全國能源消費總量的21.7%。這些鮮活的數(shù)據(jù)，無時無刻地提醒著人們面對如此規(guī)模的高能耗建筑，面對高能耗建筑如此高的增長速度，如何能妥善處理國民經(jīng)濟健康穩(wěn)定發(fā)展與日趨嚴重的能耗問題，已迫在眉睫。建筑能耗已占到社會總能耗的40%，可折算成13 億t 標準煤。而建筑運行的能耗又占到建筑全過程能耗的21.7%，暖通空調(diào)運行中產(chǎn)生的能耗占建筑運行能耗的30%～40%，龐大的建筑能耗，已成為國民經(jīng)濟的巨大負擔。為了滿足人們在生產(chǎn)生活中的需求又能最大限度地節(jié)能，除了傳統(tǒng)空調(diào)技術(shù)外，一些暖通空調(diào)新技術(shù)如蓄能空調(diào)、地源熱泵、變風量技術(shù)、多聯(lián)機系統(tǒng)等也將得到廣泛的應用（2018 年全國建筑全過程能耗、碳排放量數(shù)據(jù)圖如圖1 所示；某酒店建筑能耗如圖2 所示）。

圖1 2018 年全國建筑全過程能耗、碳排放量數(shù)據(jù)圖

圖2 某酒店建筑能耗構(gòu)成圖

1 冰蓄冷技術(shù)

冰蓄冷技術(shù)代表著當今世界中央空調(diào)的發(fā)展方向，主要指在城市用電低谷時的夜間用電制冰，在這個過程中水從液態(tài)轉(zhuǎn)化成固態(tài)，從外界或者冷量（環(huán)境溫度為0℃）并暫時將冷量儲存在特殊的蓄冰裝置中,在城市用電高峰期的白天，在溫度保持不變的情況下，將冰融化成水，把冷量釋放出來，以滿足建筑空調(diào)不同時間的使用需求。為了讓蓄冷槽中的水變?yōu)楣虘B(tài)，制冷機需要提供溫度為-3～9℃的傳熱液。冰蓄能技術(shù)使得人們在應對城市的用電高峰期和低谷期更加自如，使對電網(wǎng)能量“移峰填谷”成為可能,城市電網(wǎng)供電更加平衡，更好地維護電網(wǎng)的安全高效運行。

1.1 冰蓄冷的優(yōu)點

冰蓄冷技術(shù)的優(yōu)點：平衡電網(wǎng)峰谷負荷，降低發(fā)電裝機容量，維持電網(wǎng)的安全高效運行。對國家而言，是節(jié)能的，能使制冷主機的裝機容量減少，冰蓄冷空調(diào)系統(tǒng)按運行策略可分為兩類，一類是全部蓄冷模式，另一類是部分蓄冷模式。不論哪種運行方式，蓄冰裝置總是要承擔一部分冷負荷的，通常所說的減少了制冷主機的裝機容量，實質(zhì)上就是蓄冰裝置承擔了制冷機組本應該要承擔的一部分負荷，這部分負荷值的大小也就是蓄冰裝置的蓄冷量大小，能較好地緩解建筑暖通空調(diào)用電與城市用電供應能力的矛盾，巧妙地利用電網(wǎng)高峰與用電底谷期的電力差價，有效降低暖通空調(diào)運行費用。對用戶而言，是節(jié)約的，冷凍水溫度可降到1～4℃，實現(xiàn)大溫差、低溫送風空調(diào)，使空調(diào)風處理及運輸處于一個低溫環(huán)境，可抑制細菌病菌繁殖，空調(diào)品質(zhì)提高，蓄冷空調(diào)系統(tǒng)特別適合用于負荷比較集中、變化較大的場合加體育館、影劇院、音樂廳、機場、教堂等，可以快速達到冷卻效果。

1.2 冰蓄冷存在的問題

當然冰蓄冷技術(shù)也不是完美的，其缺點主要是：系統(tǒng)太過復雜、太過龐大，機房內(nèi)除通用的空調(diào)制冷系統(tǒng)設備如冷水機組、冷卻塔、冷凍泵組、冷卻泵組、加壓泵組、風機盤管等，還必須設有一整套冰蓄冷設備，包括蓄冰設備（池、槽或罐）、制冰板換器、融冰板換器、乙二醇溶液泵、蓄冷水泵、釋冷水泵、蓄冷介質(zhì)（如冰球等）等設施。從投資回收期的角度看待，冰蓄冷空調(diào)異常復雜龐大，占地面積大，工程造價高，一次性投資費用比常規(guī)空調(diào)大。有的項目由于制冷主機和蓄冰槽選型過大，往往蓄冷時間要在12h 以上，并非用電全部在用電谷價，節(jié)約費用有限。蓄能裝置要占用一定的建筑空間，維護困難，對操作人員素質(zhì)要求高。從世界運行效果看，結(jié)冰膨脹作用力會產(chǎn)生局部或者整體破壞，導致系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，這也是大部分冰蓄冷系統(tǒng)提前報廢的原因。由于系統(tǒng)復雜，同時控制困難，維護工作量成倍增加，而且對人員的素質(zhì)要求非常高。調(diào)控困難，其放冷速度開始時較快，到后面放冷速度越來越慢，最后有相當一部分剩余的冷量無法使用（冰蓄冷空調(diào)原理圖如圖3 所示）。

圖3 冰蓄冷空調(diào)原理圖

2 地源熱泵

地源熱泵技術(shù)是利用地能這種可再生資源，夏季通過泵組將熱量傳輸?shù)降叵拢瑢崿F(xiàn)對建筑的降溫，儲存熱量，冬季通過熱泵機組將熱量傳輸?shù)椒块g，實現(xiàn)對建筑的升溫，釋放熱量。地能是一種春夏秋冬無論地上溫度如何變化但其很穩(wěn)定空調(diào)冷熱源，該技術(shù)通過電力做功，將土壤中獲取的低品質(zhì)熱能轉(zhuǎn)化成高品質(zhì)熱能，這種熱能的轉(zhuǎn)化將是直接利用高品質(zhì)電能轉(zhuǎn)化成熱能的3 倍，甚至更高。地源作為得天獨厚的冷熱源，加之水源熱泵機組、蒸發(fā)器冷凝器地熱能交換系統(tǒng)、旋流除沙器以及建筑物內(nèi)末端風機盤管等設備，共同組成暖通空調(diào)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅運行效率高而且節(jié)能節(jié)費效果顯著，是國內(nèi)地熱能利用的一個新發(fā)展方向。

2.1 地源熱泵系統(tǒng)優(yōu)點

一年四季，相對穩(wěn)定的地表淺層地熱資源，冬暖夏涼為地源熱泵提供很好的系統(tǒng)運行冷熱源。地表淺層地熱資源來自太陽，每天淺地表層吸收大量的太陽能，并將其很好地存儲起來。地表淺層資源面積廣，無處不在，地表淺層儲存的這種巨大可再生能源，加之利用方便，使得地源熱泵技術(shù)得到更好的推廣，擁有更廣闊的發(fā)展前景。地能無論一年四季地上溫度如何變化但其很穩(wěn)定的特性，使用當中冷熱源形態(tài)不發(fā)生巨大變化，使得熱泵機組、管道系統(tǒng)運行更安全可靠，效能更是優(yōu)于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，且節(jié)約近40%的運行成本，地源熱泵系統(tǒng)兼具高效性和經(jīng)濟性。以地表水為冷熱源，向其放出和吸收熱量，不僅不會消耗水資源還不造成污染，在使用建造使用過程中與傳統(tǒng)的空調(diào)系統(tǒng)相比無冷卻塔、鍋爐、儲油房等設施，也不產(chǎn)生廢氣廢渣，大大節(jié)約了建筑空間，還提高建筑的美觀度。地源熱泵系統(tǒng)建造方便、運行穩(wěn)定、機組使用靈活，可一用一備或者三用一備，不會因為某一臺機組出現(xiàn)問題導致整個系統(tǒng)無法使用，每臺機組可獨立供冷或供熱。

地源熱泵系統(tǒng)機組運行工況穩(wěn)定，使用多種環(huán)境，即使在北方寒冷的冬季供暖也不會結(jié)霜更不需要除霜。家用空調(diào)設計壽命8 年，燃氣鍋爐為10 年，地源熱泵機組為30 年，水循環(huán)和風管系統(tǒng)40 年以上，地耦管路系統(tǒng)為50 年，它比所有各種空調(diào)系統(tǒng)和供暖設備的壽命都要長。遠程控制智能化控制系統(tǒng)可以利用系統(tǒng)末端探測裝置，如二氧化碳濃度探測器感知人流量變化，進而自動調(diào)整地熱泵制冷或供暖，更好地匹配室內(nèi)的冷熱負荷，這樣既節(jié)電節(jié)能，又實現(xiàn)運行費用的最小化。地源熱泵系統(tǒng)功能多，應用范圍廣，可以實現(xiàn)獨立的供暖、制冷，一套地源熱泵系統(tǒng)就可以完成傳統(tǒng)空調(diào)制冷、鍋爐制熱兩套系統(tǒng)的工作，廣泛地應用于賓館、購物商場、寫字樓、學校、住宅、公寓樓、別墅等建筑。由于地源熱泵機系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)，管道及閥部件數(shù)量大為減少，設備為成套熱泵機組，室內(nèi)的管道及部件設備安裝在機房內(nèi)，室外部件安裝在地下，環(huán)境影響及人為因素損壞的概率大幅度降低，使得地源熱泵不光安裝方便簡捷，其運行維護費用也大大降低。

2.2 地源熱泵系統(tǒng)存在問題

與傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)相比，雖然地源熱泵系統(tǒng)工作效率高，運行維護費用低，但其一次性造價要高于傳統(tǒng)空調(diào)系統(tǒng)30%左右。地源熱泵中央空調(diào)的使用受到場地限制，熱交換是在地下進行的，必須具備足夠的場地才能滿足能量交換。設計難度大，目前還沒有一個統(tǒng)一、簡便的計算方法。前期準備工作繁瑣，時間較長，前期需做可行性分析，巖土分析、導熱測試等。地下埋管換熱是一種非常復雜的不穩(wěn)態(tài)傳熱現(xiàn)象，地下埋管的安裝幾何特性、地下土壤特性、回填材料特性都對地下埋管的熱量交換起著重要的影響。目前地源熱泵的技術(shù)存在的最大不足是“土壤熱不平衡”的問題。我國南北方跨度大，制冷采暖也有很多差異，北方地區(qū)夏季供冷冬季采暖，而南方地區(qū)主要以夏季供冷為主，冬季幾乎不用采暖，南北方長年地源熱泵運行，使地源表層吸收、釋放的能量失衡，進而影響生態(tài)環(huán)境，影響換熱量。維修難度大，雖然地源熱泵理論上后期基本不會出現(xiàn)維修的情況，但由于設計和施工難度較大加上施工人員素質(zhì)問題，一旦出現(xiàn)問題需要維修，代價十分巨大。施工工藝有待完善，在我國地源熱泵技術(shù)尚未發(fā)展成熟，相關(guān)的一系列設計水平、施工工具、工藝、人員水平都有待提高（地源熱泵空調(diào)原理圖如圖4 所示）。

圖4 地源熱泵空調(diào)原理圖

3 變風量空調(diào)系統(tǒng)

3.1 變風量系統(tǒng)與額定風量的比較

變風量空調(diào)系統(tǒng)是因室內(nèi)需求負荷變化或室內(nèi)負荷要求參數(shù)發(fā)生變化，保持恒定送風溫度，通過弱電控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)送風量，從而使室內(nèi)冷熱負荷達到使用要求的一種全空氣空調(diào)系統(tǒng)。變風量系統(tǒng)可以同時滿足室內(nèi)的空氣品質(zhì)，又達到節(jié)能的目的。變風量空調(diào)系統(tǒng)區(qū)別于其它空調(diào)形式的優(yōu)勢有:節(jié)能、無冷凝水煩惱、系統(tǒng)靈活性好、系統(tǒng)噪聲低、不會發(fā)生過冷或過熱、提高樓宇智能化程度、維修工作量小、使用壽命長等。集中式空調(diào)定風量系統(tǒng)無法智能的隨著室內(nèi)冷熱負荷的變化對風量做出相應的調(diào)整，一年四季，按照設計的最大熱濕負荷確定送風量，全年送風量不變，這是集中式空調(diào)定風量系統(tǒng)的最大缺陷，存在著諸多不足，它是按照最大熱濕負荷確定送風量的，送風量全年不變，這樣即造成能源的浪費又無法給使用者帶來舒適的體感。

3.2 變風量空調(diào)系統(tǒng)應用現(xiàn)狀與問題

雖然變風量空調(diào)系統(tǒng)具節(jié)約風機耗能、系統(tǒng)靈活性較好，易于建造，適合多種建筑、對室內(nèi)負荷變化響應迅速、用戶體感舒適等諸多優(yōu)點，但它的缺點也是同樣突出，尤其是控制調(diào)節(jié)最為復雜。變風量系統(tǒng)風機的控制，當大量使用節(jié)流型變風量風口后，管道的系統(tǒng)特性曲線性能將發(fā)生改變，風機的最佳工況點位也隨之變化，雖然管道內(nèi)靜壓增加風量是減少了，但是風機風壓卻增大，風機能耗隨之增加。過分的管道節(jié)流，風壓增大，隨之帶來的后果就是管道出現(xiàn)噪聲，風機也可能進入不穩(wěn)定區(qū)工作，管道內(nèi)壓的變化，特別是管道內(nèi)壓增加將會對一些末端探測裝置的使用造成影響，靈敏度降低或者調(diào)節(jié)失靈。道內(nèi)加裝靜壓控制器就很好地預防了這一系列毛病，根據(jù)風管內(nèi)靜壓的變化來控制送風機的總風量，比較經(jīng)濟合理的措施是調(diào)節(jié)風機的轉(zhuǎn)速或風機的進口導葉裝置或調(diào)節(jié)風機出口風閥，才能從實際上達到節(jié)約動力的效果。

變風量空調(diào)系統(tǒng)智能化控制目前也不是盡善盡美，當下變風量空調(diào)系統(tǒng)多采用PID 控制，PID 控制應用范圍廣，參數(shù)較易整定，非常適合模型和線性參數(shù)穩(wěn)定的系統(tǒng)。但是變風量空調(diào)系統(tǒng)本身就是一個非線性、時變模型參數(shù)不穩(wěn)定的系統(tǒng)，只要使用負荷發(fā)生變化，系統(tǒng)的特性曲線就會變化，就需要對PID 參數(shù)重新整定。因此設計前期系統(tǒng)的合理性，以及是施工前變風量空調(diào)系統(tǒng)的優(yōu)化，從設備到管道再到閥部件的選擇使用就是整個系統(tǒng)控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié),它關(guān)系著整個系統(tǒng)的能耗情況和系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性及后期的維護使用。

20 世紀60 年代的美國開始出現(xiàn)變風量空調(diào)系統(tǒng)，在以后的不斷完善中，逐漸成為一套成熟穩(wěn)定的系統(tǒng)，后經(jīng)日本的研究改善，變風量空調(diào)系統(tǒng)得到很大的推廣。變風量空調(diào)系統(tǒng)真正進入我國并投入使用的時間較晚，面對該系統(tǒng)技術(shù)相對復雜、控制環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)和設備控制要求較高這些問題,只有提高設計水平和施工工藝水平,讓變風量系統(tǒng)更智能更節(jié)能地服務于我們的國民經(jīng)濟發(fā)展。

4 結(jié)語

暖通空調(diào)與每個人的生活息息相關(guān)，不僅關(guān)系到千家萬戶的冷暖，還在經(jīng)濟社會的發(fā)展中扮演著重要角色，是建筑節(jié)能的重頭戲。建筑節(jié)能里建筑運行節(jié)能是重點，筆者從事建筑機電安裝工程多年，深感對新技術(shù)要不斷鉆研，要持續(xù)地解讀，用實踐去檢驗設計思路和想法。事情環(huán)環(huán)相扣，一個新系統(tǒng)源頭的設計是關(guān)鍵環(huán)節(jié)，設計師對自己所設計的暖通空調(diào)系統(tǒng)是否匹配建筑，是否對該系統(tǒng)的細節(jié)仔細考量過，是否能更優(yōu)化更節(jié)能，這都是對設計師本人的深度拷問。廣大的建造者在實現(xiàn)新系統(tǒng)的功能中，也要不斷地優(yōu)化施工技術(shù)和施工工藝。只有設計、建造、運行都有質(zhì)的提升，才能更好地讓暖通空調(diào)新技術(shù)在我國節(jié)能減排中做出更大的貢獻，實現(xiàn)綠色建筑長效健康的發(fā)展。