建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排措施分析

趙中強(qiáng)

0 引言

建筑節(jié)能并非一個(gè)新課題，在本世紀(jì)初就有人開始對這方面展開研究。相關(guān)的課題研究發(fā)現(xiàn)，建筑采用通風(fēng)空調(diào)工程的能耗在建筑整體能耗中占比超過50%，因此建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排一直以來都是研究的熱點(diǎn)。導(dǎo)致建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程能耗長期居高不下的主要原因有兩方面：（1）采暖通風(fēng)空調(diào)工程本身不具備節(jié)能效果，這與最初的設(shè)計(jì)有關(guān)；（2）建筑采暖通風(fēng)工程使用過程中缺乏節(jié)能意識或者使用不當(dāng)導(dǎo)致能源虛耗，這在一些大型公用及商用建筑中表現(xiàn)最為突出。因此在當(dāng)前高度關(guān)注生態(tài)以及節(jié)能的大背景下，有必要對建筑采暖通風(fēng)空調(diào)工程的節(jié)能減排措施進(jìn)行研究。

1 計(jì)算采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)冷熱負(fù)荷以及合理選擇冷熱源

冷熱負(fù)荷是建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，控制冷熱負(fù)荷對建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中制冷機(jī)、風(fēng)機(jī)盤管、鍋爐以及冷熱水循環(huán)泵等設(shè)備的影響，可以降低采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)配電功率，進(jìn)而從根本上控制空調(diào)系統(tǒng)能耗。根據(jù)我國現(xiàn)行《采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，除方案或初步設(shè)計(jì)階段可使用冷負(fù)荷指標(biāo)進(jìn)行必要的估算外，應(yīng)對空氣調(diào)節(jié)區(qū)進(jìn)行逐項(xiàng)逐時(shí)的冷負(fù)荷計(jì)算。這就要求在建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中必須準(zhǔn)確計(jì)算建筑室內(nèi)夏季的熱量與冬季散熱量，最終通過累加計(jì)算出建筑冷負(fù)荷，進(jìn)而合理控制制冷機(jī)制冷量。目前建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺陷在于多采用概算指標(biāo)進(jìn)行估算，這就導(dǎo)致建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的熱、冷源機(jī)長期處于低效率、低負(fù)荷的狀態(tài)。對于此問題，設(shè)計(jì)人員可以利用負(fù)荷計(jì)算軟件，結(jié)合建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)以及氣象數(shù)據(jù)等準(zhǔn)確計(jì)算冷熱負(fù)荷。

關(guān)于冷熱源的選擇，其中制冷主機(jī)目前比較常用的包括螺桿式、離心式以及活塞式制冷主機(jī)，主機(jī)都要按最大負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，而對每個(gè)具體工況而言，都有一條最佳的特性曲線，滿足這條曲線工作時(shí)，主機(jī)運(yùn)行效率最高，系統(tǒng)能耗最低，能夠有效達(dá)到節(jié)能減排的目的。熱源的選擇目前多以城市熱網(wǎng)以及工業(yè)鍋爐為主，以工業(yè)鍋爐為例，選擇高效率的鍋爐可以顯著提高熱效率，同時(shí)結(jié)合建筑冬季熱負(fù)荷情況，合理選擇鍋爐容量以及數(shù)量，也可以達(dá)到節(jié)能的目的。

需要注意的是，關(guān)于冷熱源的機(jī)組選擇，不能選擇等容量機(jī)組，易出現(xiàn)系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活性較差的情況，機(jī)組數(shù)量不宜過多也不宜過少，過多則意味著單機(jī)容量變小，COP 下降，機(jī)組能耗增加；過少則意味著單機(jī)制冷、制熱負(fù)荷變大，機(jī)組發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)增加。因此關(guān)于機(jī)組的選擇與組合，必須結(jié)合建筑全年冷熱負(fù)荷情況合理進(jìn)行配置。

2 新風(fēng)系統(tǒng)的節(jié)能措施

新風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量可以設(shè)計(jì)為總送風(fēng)量和最小新風(fēng)量兩檔調(diào)節(jié)。當(dāng)室外空氣焓值大于室內(nèi)空氣焓值時(shí)，采用最小新風(fēng)檔；反之則采用全新風(fēng)運(yùn)行，并可關(guān)閉冷源及其水系統(tǒng)，可有效減少設(shè)備能耗，而且能改善室內(nèi)空氣品質(zhì)。某些建筑物在冬季仍需供冷，對于風(fēng)機(jī)盤管空調(diào)系統(tǒng)來說，由于其新風(fēng)量無法增加，可以采用冷卻塔供冷。此外，新風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)管應(yīng)采用保溫性能良好的材料，使風(fēng)管具備良好的保溫隔熱性能，關(guān)于保溫層的厚度重點(diǎn)應(yīng)考慮兩方面因素，一是防結(jié)露要求，二是節(jié)能要求。與此同時(shí)也要確保新風(fēng)系統(tǒng)密閉性，若密閉性不佳，則系統(tǒng)在運(yùn)行過程中會出現(xiàn)漏風(fēng)的情況，由此而損失的風(fēng)量可達(dá)到總送風(fēng)量的10%左右，會嚴(yán)重增加系統(tǒng)能耗，因此必須選擇氣密性較好的設(shè)備以及材料，尤其是風(fēng)管連接位置要做好密封處理。

3 空調(diào)水系統(tǒng)節(jié)能措施

建筑空調(diào)水系統(tǒng)主要包括冷凍水、冷凝水以及冷卻水系統(tǒng)，建筑冬季供暖期間空調(diào)水系統(tǒng)耗電量大約占建筑總耗電量的25%；建筑夏季供冷期間空調(diào)水系統(tǒng)的耗電量大約占建筑總耗電的20%，因此降低空調(diào)水系統(tǒng)能耗可以有效達(dá)到建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能減排目標(biāo)。關(guān)于建筑空調(diào)水系統(tǒng)的節(jié)能具體可以采用以下幾方面措施：

（1）系統(tǒng)的優(yōu)化選擇。從節(jié)能的角度考慮，冷卻水系統(tǒng)最佳選擇為閉式冷卻水系統(tǒng)，該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中僅需要克服水在管道中的流動阻力，能耗相對較低，而開放式冷卻水系統(tǒng)還需要克服冷卻水池到高位冷卻塔之間的高差，能耗較高。

（2）各環(huán)路平衡計(jì)算。在空調(diào)水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上，設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保各環(huán)路的水力保持平衡，盡可能增加供回水的溫差、控制循環(huán)水量，從而降低輸送水產(chǎn)生的能耗，落實(shí)節(jié)能要求。夏季期間，在確保符合空氣處理標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)盡可能利用初溫相對較高的水，有相關(guān)研究表明，水的初溫提高1℃，大約可以降低2%的能耗。

（3）冷卻塔節(jié)能措施。冷卻塔作為冷卻水系統(tǒng)的核心構(gòu)成，不僅影響冷卻水系統(tǒng)運(yùn)行，甚至?xí)φ麄€(gè)空調(diào)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。選擇冷卻塔時(shí)要結(jié)合建筑所處地區(qū)的氣候、循環(huán)水量以及冷卻水出入口的溫差合理選擇。

（4）控制空調(diào)水系統(tǒng)中水的損失量?？照{(diào)水系統(tǒng)運(yùn)行過程中，必然造成部分水量損失，若損失量過高，不僅會增加水資源消耗，同時(shí)也會導(dǎo)致冷卻塔、冷水機(jī)組以及水泵等設(shè)備電能消耗。冷凍水系統(tǒng)中通過加強(qiáng)監(jiān)控和管理，可以減少因旁通閥、排污閥失效造成的水損失，進(jìn)而降低系統(tǒng)水損失量。冷卻水系統(tǒng)中，合理控制冷卻塔風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速以及運(yùn)行臺數(shù)，可以避免因風(fēng)量過大造成的水損失，進(jìn)而降低系統(tǒng)水損失量。

（5）運(yùn)用變頻技術(shù)。在空調(diào)水系統(tǒng)中，變頻技術(shù)主要應(yīng)用于冷水機(jī)組與水泵，但就目前而言，在水泵中的應(yīng)用相對比較成熟。一般選擇水泵時(shí)會根據(jù)最大負(fù)荷進(jìn)行選擇，大致保留有10%的余量，但水泵在運(yùn)行過程中絕大部分時(shí)間實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷要低于設(shè)計(jì)負(fù)荷，水泵全年保持在50%以下負(fù)載率的運(yùn)行時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間超過50%，即系統(tǒng)在流量固定的情況下，大部分時(shí)間內(nèi)冷卻水與冷凍水溫差不超過3℃，長時(shí)間處于大流量、低溫差的運(yùn)行狀態(tài)，這就導(dǎo)致管路系統(tǒng)能量損耗增加，也就意味著系統(tǒng)運(yùn)行能耗較高。采用變頻技術(shù)的優(yōu)勢在于可以通過采集水泵運(yùn)行時(shí)的變量，從而計(jì)算具體的控制參數(shù)，利用自動控制系統(tǒng)可以調(diào)整水泵轉(zhuǎn)速，以改變循環(huán)流量，使系統(tǒng)保持最為理想的運(yùn)行狀態(tài)，有效控制系統(tǒng)運(yùn)行能耗。

4 空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)節(jié)能技術(shù)

4.1 采用蓄冷空調(diào)技術(shù)

蓄冷空調(diào)技術(shù)的基本原理是利用水、冰或者其他物質(zhì)的蓄熱特性，在非峰值用電情況下讓空調(diào)制冷機(jī)組保持滿負(fù)荷運(yùn)行，將建筑所需制冷量通過潛熱或者顯熱的形式進(jìn)行儲存，當(dāng)需要空調(diào)系統(tǒng)超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，即可釋放儲存冷量來滿足建筑內(nèi)部制冷需求。該技術(shù)的優(yōu)勢在于盡可能利用用電低谷期進(jìn)行蓄冷，從而緩解當(dāng)前我國電力設(shè)施建設(shè)與不斷增加的用電需求之間的矛盾，而且也能避免空調(diào)系統(tǒng)長時(shí)間超負(fù)荷運(yùn)行，延長空調(diào)系統(tǒng)的使用壽命。對于用戶側(cè)而言，采用蓄冷空調(diào)技術(shù)可以降低空調(diào)系統(tǒng)用電成本，減少空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用。目前，蓄冷空調(diào)技術(shù)比較成熟的主要有四種形式，分別是水蓄冷、氣體水合物蓄冷、冰蓄冷以及共晶鹽蓄冷，不同蓄冷物質(zhì)適用于不同的環(huán)節(jié)，具體需要根據(jù)建筑的實(shí)際情況進(jìn)行選擇。

4.2 變頻調(diào)速控制技術(shù)

變頻調(diào)速是集電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù)于一體，通過改變電機(jī)電源頻率來改變交流電動機(jī)轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)變速調(diào)節(jié)降低能耗的一種技術(shù)。在建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中采用變頻調(diào)速控制技術(shù)可以有效應(yīng)對風(fēng)機(jī)與水泵運(yùn)行環(huán)境參數(shù)的非線性模量變化，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中通過采集各種變量，可以計(jì)算出具體的控制參數(shù)，從而利用自動控制系統(tǒng)可以適時(shí)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)與水泵的轉(zhuǎn)速，以控制循環(huán)流量，確?？照{(diào)系統(tǒng)在不同負(fù)荷情況下都保持最為理想的運(yùn)行狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到節(jié)能減排的目的。目前，國內(nèi)諸多建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)均開始采用變流量水系統(tǒng)與變風(fēng)量系統(tǒng)，這都是變頻調(diào)速技術(shù)的具體應(yīng)用，從實(shí)際運(yùn)行情況來看，可以取得比較理想的節(jié)能效果。某地區(qū)郵政局智能大廈在采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)改造項(xiàng)目中就采用了變頻調(diào)速控制技術(shù)，通過對系統(tǒng)全年運(yùn)行情況進(jìn)行監(jiān)控，新風(fēng)系統(tǒng)與空調(diào)水系統(tǒng)能耗顯著下降，每年可以節(jié)省約33 萬元的電費(fèi)支出。

4.3 吸收式制冷技術(shù)

吸收式制冷技術(shù)的基本原理是通過制冷機(jī)氣化吸熱以達(dá)到制冷的目的，可以直接采用熱能進(jìn)行驅(qū)動，通過消耗一定熱能作為代價(jià)可以將熱量由低溫物體向高溫物體轉(zhuǎn)移。建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中的制冷機(jī)組采用吸收式制冷技術(shù)可以充分利用建筑周圍的廢熱以及工業(yè)余熱等熱源，冬季可以通過加熱外界低焓值的空氣或者直接利用太陽能作為熱源，夏季可以直接實(shí)現(xiàn)對外界空氣的冷卻。這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢在于其不僅能夠達(dá)到節(jié)能減排的目的，而且對綜合化利用熱能方面具有現(xiàn)實(shí)意義。

5 結(jié)束語

綜上所述，現(xiàn)階段節(jié)能減排是全社會的共識，建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)作為建筑能耗最高的部分，必須采用相應(yīng)的優(yōu)化措施以及技術(shù)手段有效降低其能耗，這不僅是當(dāng)前社會背景下的客觀要求，同時(shí)也代表了未來建筑采暖通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)的發(fā)展方向，即低能耗、低排放、綠色環(huán)保。