暖通空調(diào)節(jié)能技術(shù)研究

劉春杰，陳正剛

（1.蘭州瑞興達(dá)投資有限公司，甘肅 蘭州 730037；2.蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

隨著我國(guó)人民生活水平的提高，建筑面積逐漸增大，從而造成建筑能耗增加。建筑耗能已與工業(yè)耗能、交通耗能并列，成為我國(guó)能源消耗的三大“耗能大戶”。尤其是建筑耗能伴隨著建筑總量的不斷攀升和居住舒適度的提升，呈急劇上升趨勢(shì)。建筑的能耗（包括建造能耗、生活能耗、采暖空調(diào)等）約占全社會(huì)總能耗的30%，其中最主要的是采暖和空調(diào)，占到20%以上[1-3]。以房間空調(diào)為例，2006年的裝機(jī)量就是2000年的3.7倍，近年來(lái)空調(diào)的裝機(jī)量增速遠(yuǎn)大于建筑能耗的增速?？照{(diào)作為能耗大戶，與能源緊張局勢(shì)特別是電力緊張局勢(shì)有著密切關(guān)系，到2008年底空調(diào)能耗已占全國(guó)城鎮(zhèn)用電能耗的20%以上，尤其是在夏季用電高峰時(shí)段，空調(diào)用電負(fù)荷甚至高達(dá)城鎮(zhèn)總體用電負(fù)荷的44%。因此，降低空調(diào)系統(tǒng)能耗對(duì)于降低建筑系統(tǒng)的能耗，緩解當(dāng)前電力緊張，優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，提高能源利用效率等方面都有著非常重要的意義。

1 節(jié)能暖通空調(diào)系統(tǒng)

空調(diào)制冷系統(tǒng)[4]主要由壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹閥、蒸發(fā)器以及輔助部件組成，如圖1所示。其工作過(guò)程如下：壓縮過(guò)程-制冷劑（氣態(tài)）通過(guò)壓縮機(jī)受壓后，壓力增大且溫度上升；冷凝過(guò)程-高溫高壓制冷劑氣體通過(guò)管路輸送至冷凝器，通過(guò)冷凝器換熱（放熱），制冷劑溫度降低壓力不變，此時(shí)制冷劑由氣態(tài)轉(zhuǎn)化為液態(tài)；減壓過(guò)程-在制冷劑通過(guò)膨脹閥（或節(jié)流部件）時(shí)，制冷劑壓力降低，制冷劑膨脹，此時(shí)制冷劑為低溫低壓狀態(tài)（液態(tài)）；蒸發(fā)過(guò)程-膨脹后的制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器內(nèi)與外界換熱（吸熱）即制冷，制冷劑吸收熱量由液態(tài)向氣態(tài)轉(zhuǎn)化；蒸發(fā)后的制冷劑再次被吸附壓縮機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)制冷過(guò)程。

圖1 空調(diào)制冷系統(tǒng)

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 暖通空調(diào)的節(jié)能設(shè)計(jì)

在空調(diào)工程設(shè)計(jì)中，因地制宜的選擇設(shè)計(jì)合適的空調(diào)系統(tǒng)，可以有效節(jié)約能源。我國(guó)幅員遼闊，各地在氣候狀況等方面存在巨大差異，比如：南方夏季高溫高濕，冬天低溫高濕；北方夏季高溫干燥，冬天低溫干燥；南方晝夜溫差小，北方晝夜溫差大，采用同樣的暖通空調(diào)系統(tǒng)顯然并不合適。應(yīng)當(dāng)依據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，以適宜技術(shù)為主，技術(shù)集成，形成適合項(xiàng)目特征、地域氣候特點(diǎn)的設(shè)計(jì)理念。目前，隨著綠色建筑的推廣，節(jié)能暖通空調(diào)新的設(shè)計(jì)思路不斷涌現(xiàn)，如：漢堡“被動(dòng)房”，倫敦“零碳館”，“滬上生態(tài)家”等[5]，為暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計(jì)提供了借鑒意義。

空調(diào)的設(shè)計(jì)不是簡(jiǎn)單的選取空調(diào)系統(tǒng)，而是與建筑的許多因素相關(guān)。因此，在空調(diào)設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下要點(diǎn)：（1）對(duì)于各類地區(qū)氣候特征、建筑類型、建筑用途、人群特點(diǎn)、建筑布局等細(xì)節(jié)，建立統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；（2）對(duì)建筑中的維護(hù)結(jié)構(gòu)要進(jìn)行細(xì)致的熱計(jì)算分析；（3）選擇合理的設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)，包括室內(nèi)溫度、濕度、新風(fēng)量、用水量以及照度等；（4）較精確的計(jì)算建筑供冷、供熱量需求，為空調(diào)系統(tǒng)選擇提供合理參數(shù)；（5）因地制宜地選擇合適空調(diào)系統(tǒng)，避免機(jī)組閑置，浪費(fèi)能源。

2.2 暖通空調(diào)的方案選擇

空調(diào)系統(tǒng)按照空氣調(diào)節(jié)范圍可以分為[6]：集中式空調(diào)、分體式空調(diào)和室內(nèi)空調(diào)。集中式空調(diào)（又稱中央空調(diào)）采用集中整體式供冷的方式為多個(gè)房間或整棟樓房，甚至是整個(gè)小區(qū)進(jìn)行冷氣供應(yīng)。集中式空調(diào)一般采用冷水，這樣可以極方便的在整個(gè)系統(tǒng)中循環(huán)。集中式空調(diào)的優(yōu)點(diǎn)是效率高、能耗小，整體占用面積小，適用于一些大型設(shè)施、辦公場(chǎng)所、住宅小區(qū)。缺點(diǎn)是系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要專人管理；初期需要投入一筆較大費(fèi)用；整個(gè)系統(tǒng)工程需要專門(mén)設(shè)計(jì)。室內(nèi)空調(diào)是指采用獨(dú)立機(jī)組對(duì)室內(nèi)部分空氣進(jìn)行調(diào)節(jié)的空調(diào)，這種機(jī)組大多都非常小巧，一般適合于零散住戶使用，優(yōu)點(diǎn)是：安裝靈活；缺點(diǎn)是：噪音較大，效率低。分體式空調(diào)一般采用一個(gè)機(jī)組對(duì)1個(gè)或多個(gè)房間進(jìn)行空氣調(diào)節(jié)的制冷系統(tǒng)，這主要是因?yàn)殡S著技術(shù)發(fā)展，壓縮機(jī)效率的提高，壓縮機(jī)系統(tǒng)可以帶動(dòng)多個(gè)蒸發(fā)器制冷，同時(shí)滿足多處空氣調(diào)節(jié)的功能。優(yōu)點(diǎn)是：安裝靈活，使用方便，其效率大于室內(nèi)空調(diào)。目前，多數(shù)住戶采用這種方式。無(wú)論是從節(jié)能等各方面比較，集中式空調(diào)性能最佳，遠(yuǎn)優(yōu)于分體式空調(diào)和室內(nèi)空調(diào)，從節(jié)能的角度考慮，應(yīng)盡可能的采用集中式空調(diào)方式。

2.3 冷水機(jī)組的選擇

冷水機(jī)組是集中式空調(diào)的核心部件，其能耗占整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的90%以上。冷水機(jī)組有兩種基本類型：壓縮循環(huán)冷水機(jī)組和吸收式冷水機(jī)組。目前，市面上共有四種壓縮循環(huán)冷水機(jī)組，分別為：往復(fù)式壓縮機(jī)冷水機(jī)組、渦旋式冷水機(jī)組、螺桿式冷水機(jī)組和離心式冷水機(jī)組。往復(fù)式壓縮機(jī)冷水機(jī)組是常規(guī)冷水機(jī)組，采用往復(fù)活塞式壓縮機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)成熟度高，缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，其單機(jī)制冷量一般為50～500 kW。渦旋式冷水機(jī)組采用渦旋式壓縮機(jī)，其特點(diǎn)是變?nèi)莘e壓縮，渦旋式冷水機(jī)組優(yōu)點(diǎn)是：噪聲小、體積小、重量輕、運(yùn)動(dòng)部件少。其單機(jī)制冷量一般為20～200 kW，適合于小工況工程使用。在較大工況情況下，一般采用螺桿式冷水機(jī)組，它采用螺桿壓縮機(jī)，屬于高壓制冷劑的大容量冷水機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是：運(yùn)動(dòng)部件少，可靠性高。螺桿式冷水機(jī)組（如圖2所示）單機(jī)容量一般150～2 000 kW，適合大工況空調(diào)工程使用。冷水機(jī)組可采用并聯(lián)模式，滿足空調(diào)工程使用。目前，暖通空調(diào)工程中一般采用前三種，從節(jié)能的角度考慮螺桿式冷水機(jī)組稍高些，具體采用何種冷水機(jī)組，可根據(jù)具體工程選擇。

圖2 螺桿式冷水機(jī)組

吸收式冷水機(jī)組是一種采用熱驅(qū)動(dòng)的制冷系統(tǒng)，其原理與上面四種完全不同。當(dāng)某種熱源量大且便宜時(shí)（如：鋼廠廢熱或地?zé)嶝S富），或是某種生產(chǎn)過(guò)程中有熱源副產(chǎn)品時(shí)，采用吸收式冷水機(jī)組將是非常節(jié)能的空調(diào)制冷方案。

2.4 蒸發(fā)器

當(dāng)溫度相對(duì)較高的液態(tài)制冷劑通過(guò)節(jié)流組件（膨脹閥或節(jié)流閥）時(shí)，一部分液相制冷劑閃蒸為制冷劑蒸氣，然后部分液相和氣相組成的制冷劑經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器，最后全部轉(zhuǎn)化為氣態(tài)制冷劑。蒸發(fā)器的重要的功能是實(shí)現(xiàn)制冷劑液體通過(guò)吸熱轉(zhuǎn)化為制冷劑氣體。在這一過(guò)程中，有一個(gè)非常重要的溫度點(diǎn)-蒸發(fā)溫度。要使蒸發(fā)器高效運(yùn)行，蒸發(fā)器盤(pán)管內(nèi)的制冷劑盡可能在全液態(tài)下運(yùn)行，同時(shí)又不允許在盤(pán)管出口出現(xiàn)液態(tài)制冷劑。這是因?yàn)?，蒸發(fā)器出口的液滴會(huì)對(duì)壓縮機(jī)造成傷害，所以需要對(duì)蒸發(fā)器設(shè)定一定的過(guò)熱度。蒸發(fā)器的過(guò)熱度越高，壓縮機(jī)的進(jìn)口制冷劑的蒸氣壓力越低，不利于壓縮機(jī)的運(yùn)行。另外，對(duì)于蒸發(fā)溫度的設(shè)定要依據(jù)空調(diào)運(yùn)行工況，研究表明在冷凝溫度不變的條件下，蒸發(fā)溫度降低，壓縮機(jī)的制冷效率降低，排氣溫度升高。蒸發(fā)器中制冷劑，蒸發(fā)溫度降低1℃，要產(chǎn)生相同的冷量，耗電量約增加4.5%，而保證較高的蒸發(fā)溫度有利于節(jié)省能耗。因此需要在設(shè)計(jì)空調(diào)制冷系統(tǒng)時(shí)，選用適當(dāng)?shù)恼舭l(fā)器進(jìn)行匹配。

2.5 冷凝器

冷凝器是類似蒸發(fā)器的熱交換裝置，承擔(dān)為系統(tǒng)排熱的重任。其排熱能力決定了整個(gè)制冷系統(tǒng)運(yùn)行的排氣壓力，排熱量越大（即冷凝器內(nèi)制冷劑的溫度越低）制冷劑在蒸發(fā)器內(nèi)吸收的熱量越大。對(duì)于常規(guī)冷凝器主要功能有：消除制冷劑過(guò)熱、制冷劑冷凝和制冷劑過(guò)冷。研究表明，冷凝器的過(guò)冷度每降低1℃，制冷效率提高2%。因此，選擇好的冷凝器有利于空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能。目前，冷凝器一般有兩種類型：水冷式冷凝器和風(fēng)冷式冷凝器。水冷式冷凝器優(yōu)點(diǎn)是換熱效果好，缺點(diǎn)是水管結(jié)垢的可能性大；風(fēng)冷式冷凝器優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，風(fēng)冷式冷凝器之所以非常普及，是因?yàn)轱L(fēng)冷式冷凝器幾乎不需要維護(hù)。因此，在大型的空調(diào)系統(tǒng)中選擇水冷式冷凝器比較合適，有利于節(jié)能；而在小型空調(diào)系統(tǒng)中，節(jié)能要求不高，通常采用風(fēng)冷式冷凝器。

2.6 冷凝器的熱回收

冷凝器在工作過(guò)程中排出大量熱量，可以利用過(guò)熱排氣管線回收裝置進(jìn)行熱量收集，排氣管線的溫度一般情況可達(dá)100℃，根據(jù)制冷量的不同，通過(guò)此裝置均可獲得60℃的水，且系統(tǒng)規(guī)格越大獲得的熱量越多，熱回收原理如圖1所示。利用熱回收裝置可回收能源達(dá)到30%以上。因此，在較大空調(diào)系統(tǒng)中安裝熱回收裝置可以有效進(jìn)行節(jié)能。

3 暖通空調(diào)新技術(shù)的應(yīng)用

3.1 變頻技術(shù)

變頻空調(diào)是通過(guò)變頻調(diào)節(jié)器來(lái)改變壓縮機(jī)供電頻率，從而實(shí)現(xiàn)制冷功率的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)低速的運(yùn)轉(zhuǎn)，避免了壓縮機(jī)的頻繁啟動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了高效節(jié)能。

對(duì)于活塞式壓縮機(jī)，制冷量為公式（1）：

式中：Q0為活塞壓縮機(jī)制冷量，kW；λ為活塞壓縮機(jī)輸氣系數(shù)；qv為單位容積制冷量，kJ/m3；s為轉(zhuǎn)差率；f為頻率，Hz；Z為汽缸數(shù)；P為交流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。

對(duì)于螺桿式壓縮機(jī)，制冷量為公式（2）：

式中：Q0為螺桿壓縮機(jī)制冷量，kW；λ為螺桿壓縮機(jī)輸氣系數(shù)；qv為單位容積制冷量，kJ/m3；Cn為齒輪系數(shù)；L為轉(zhuǎn)子的工作長(zhǎng)度，m；f為頻率（Hz）；s為轉(zhuǎn)差率；P為交流旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的極對(duì)數(shù)。

從公式中可以看出，無(wú)論是活塞式壓縮機(jī)，還是螺桿式壓縮機(jī)，其產(chǎn)生的制冷量都與頻率成正比，只要電源頻率確定，在某一工況下壓縮機(jī)產(chǎn)生冷量就基本確定了。

變頻技術(shù)在現(xiàn)代空調(diào)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在日本變頻空調(diào)的應(yīng)用已超過(guò)80%，相關(guān)研究表明，通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)以及泵上使用變頻調(diào)速裝置，可以達(dá)到節(jié)電30%以上。

3.2 溫濕度獨(dú)立控制技術(shù)[3]

空調(diào)系統(tǒng)中共有兩部分功能：（1）對(duì)室內(nèi)空氣進(jìn)行降溫；（2）對(duì)室內(nèi)進(jìn)行除濕。一般除濕負(fù)荷占到空調(diào)負(fù)荷的30%～50%，這樣大量的顯熱負(fù)荷也用低溫冷媒處理，導(dǎo)致冷源效率低下。近年來(lái)此領(lǐng)域的一個(gè)重要方向就是采用溫度濕度獨(dú)立控制的空調(diào)方式。將室外新風(fēng)除濕后送入室內(nèi)，可用于消除室內(nèi)產(chǎn)濕，并滿足新鮮空氣的要求，而獨(dú)立的水系統(tǒng)使用18～20℃的冷水循環(huán)即可滿足要求，通過(guò)輻射或?qū)α餍湍┒藖?lái)消除室內(nèi)顯熱。這一方面可以避免采用冷凝式除濕時(shí)為了調(diào)節(jié)相對(duì)濕度進(jìn)行再熱而導(dǎo)致的冷熱抵消，還可以用高溫冷源吸收顯熱，使冷源效率大幅度提高。同時(shí)這種方式還可以改善室內(nèi)空氣質(zhì)量，因此普遍認(rèn)為是未來(lái)主流空調(diào)方式。不過(guò)該項(xiàng)技術(shù)尚有難點(diǎn)，如新風(fēng)的高效除濕。華南理工大學(xué)近年來(lái)開(kāi)發(fā)的除濕轉(zhuǎn)輪[7]，可以進(jìn)一步發(fā)展成為濕度獨(dú)立控制的新風(fēng)處理方式。

3.3 蓄冷技術(shù)

蓄冷技術(shù)是一種利用晝夜電力負(fù)荷差異，在夜間或電力不緊張時(shí)用制冷機(jī)組制冰，使水的潛熱以冰的形式存貯起來(lái)，在白天電力緊張時(shí)，進(jìn)行融冰釋放冷量，從而達(dá)到削峰填谷的目的。雖然整個(gè)制冷過(guò)程并不能節(jié)能，但是在一定程度上可以有效緩解用電高峰時(shí)期電力緊張的狀況，在地區(qū)電力價(jià)格為階梯電價(jià)時(shí)，可以節(jié)約用電費(fèi)用。

3.4 數(shù)字化管理節(jié)能控制技術(shù)

運(yùn)行管理對(duì)于暖通空調(diào)具有重要的作用，系統(tǒng)的運(yùn)行節(jié)能控制可以彌補(bǔ)能源設(shè)計(jì)或管理模式存在的缺陷，通過(guò)對(duì)設(shè)備的運(yùn)行控制，可以促進(jìn)能源精確合理的消耗。最理想的狀態(tài)是通過(guò)數(shù)字化自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)主要的功能是進(jìn)行監(jiān)測(cè)、管理和測(cè)量建筑物內(nèi)的各種設(shè)備以保證設(shè)備可靠安全運(yùn)行，節(jié)省人力和能源。因此，實(shí)現(xiàn)建筑智能化，加強(qiáng)空調(diào)的自控系統(tǒng)管理，對(duì)空調(diào)節(jié)能有著重要的作用。

3.5 熱泵技術(shù)

熱泵是把處于低溫位的熱量輸送至高溫位的設(shè)備，其工作原理與制冷原理相同，與普通制冷空調(diào)系統(tǒng)相比較，增加了1個(gè)四通閥。如果說(shuō)電加熱產(chǎn)生的熱能為1，那么熱泵可以產(chǎn)生的熱能為3～4，由此可以看出熱泵是非常節(jié)能且環(huán)保的產(chǎn)熱方式。由于煤電的轉(zhuǎn)化效率約為30%，這就意味著，熱泵的效率系數(shù)COP大于3，才具有真正的節(jié)能價(jià)值。熱泵技術(shù)是一項(xiàng)成熟技術(shù)，其真正難點(diǎn)在于提高效率系數(shù)COP大于3。即使這樣，熱泵技術(shù)在許多場(chǎng)合應(yīng)用都能起到節(jié)能作用，如：有電無(wú)集中供暖的地區(qū)；對(duì)燃煤限制的地區(qū)等。

另外，隨著近年來(lái)國(guó)外技術(shù)的發(fā)展，熱泵技術(shù)的效率系數(shù)已逐漸突破3，例如：日本推出的以二氧化碳為工質(zhì)的熱泵型熱水器，其效率系數(shù)超過(guò)3接近4；研制的空調(diào)系統(tǒng)在冬季供熱時(shí)其效率系數(shù)已接近4。

4 建筑節(jié)能技術(shù)

4.1 優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)

建筑造型及圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式對(duì)建筑物的性能有決定性的影響。直接的影響包括建筑物與外環(huán)境的熱交換、自然通風(fēng)狀況和自然采光等，這三方面的內(nèi)容構(gòu)成70%以上建筑供暖通風(fēng)空調(diào)能耗[3]。不同的建筑形式會(huì)造成能耗的巨大差別，建筑物是復(fù)雜系統(tǒng)，很難簡(jiǎn)單的計(jì)算熱負(fù)荷的變化情況，采用動(dòng)態(tài)的熱模擬技術(shù)進(jìn)行不同建筑方案的熱狀態(tài)模擬，選擇適宜的建筑方案，可以有效節(jié)約暖通空調(diào)能源損耗。此類軟件有美國(guó)開(kāi)發(fā)的EnergyPlus[8]、英國(guó)的 ESP[9]、日本的 HASP[10]等。

4.2 新型建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料

采用新型圍護(hù)材料，能更好的滿足保溫、隔熱、透光、通風(fēng)等需求[11]。主要涉及的產(chǎn)品：外墻保溫隔熱、屋頂保溫與隔熱、外窗和玻璃墻透光、智能遮陽(yáng)裝置和調(diào)濕型飾面材料等。這些新型材料的應(yīng)用，可以調(diào)節(jié)室內(nèi)空氣溫濕狀態(tài)，減輕暖通空調(diào)熱負(fù)載。

5 總結(jié)與展望

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)提高暖通空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能效果，避免人為的能源浪費(fèi)。采用空調(diào)新技術(shù)，如：變頻技術(shù)、熱回收技術(shù)等，提高能源的利用效率。提出建筑節(jié)能技術(shù)應(yīng)用是解決建筑能耗的有效途徑，通過(guò)建筑節(jié)能技術(shù)應(yīng)用降低建筑對(duì)暖通空調(diào)熱負(fù)荷的需求。

目前，暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能成為建筑節(jié)能的重點(diǎn)，尤其是對(duì)占建筑能耗50%～70%的空調(diào)系統(tǒng)能耗，節(jié)能設(shè)計(jì)的研究是建筑系統(tǒng)節(jié)能的基礎(chǔ)。所以要重視暖通空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，加快新技術(shù)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用。提高建筑的舒適度、成為低能耗的新型建筑。

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