暖通能耗现状和节能

 1．暖通能耗现状和节能要求
    随着社会发展和人民生活水平不断提高，建筑能耗在总体能耗中所占比例越来越大，在我国接近30%并还在持续增长，在发达国家甚至已高达到40%。而在建筑能耗里，暖通空调系统能耗是其中的大户，针对不同类型的建筑，其所占比例高达30%～60%。因此，暖通空调系统能耗规模是十分可观的。
    现有的暖通空调系统使用的能源主要是高品位能源，其中电能占了相当大的比例。减少暖通空调系统能耗，对于节能减排、保护生态环境、实现可持续发展意义十分重大。相关研究表明，采用合理的节能技术和措施，现有暖通空调系统完全能实现节能20%～50%。
    为了改善公共建筑的热环境，提高暖通空调系统的能源利用效率。近年来国务院和有关部委颁布了相关的建筑节能法规，如《公共建筑节能设计标准》和《居住建筑节能设计标准》等，此外各地方政府也根据气候条件和能源特点，制定了各自的建筑节能标准和规定。由于居住建筑与公共建筑功能性质的不同，暖通空调系统在公共建筑中受到相对重视和依赖，因此其节能问题也显得较为突出和重要。
    以《公共建筑节能设计标准》为例，该标准提出了50%的总体节能目标，即以20世纪80年代改革开放初期建造的建筑作为参考建筑（又名“基准建筑”），在维持目前标准规定的室内空气参数条件下，计算该“基准建筑”全年的暖通空调和照明能耗，而《公共建筑节能设计标准》的要求能耗降低到基准建筑能耗的50%以下，由此可见我国目前对建筑节能的要求愈来愈严格，也愈来愈重视。研究表明，总体节能目标中，围护结构预期约可承担13%～25%，暖通空调系统约为16%6～20%，而照明设备约为7%～18%。
    2．暖通空调系统节能途径和措施
    暖通系统的节能可以通过减负、开源和节流等多种思路来实现，一般性节能措施和途径有以下几种：
    (1)合理降低室内温湿度标准
    暖通空调工程中，夏季室内设定温度、相对湿度越低，系统能耗越大；冬季室内设定温度、相对湿度越高，系统能耗越大。
    日本曾对已投入使用的舒适性空调房间的室内温度进行了调整，其节能效果见表8-2。
    鉴于降低建筑室内温度标准具有较大的节能潜力，自2005年后，我国政府对此逐渐重视，也做了很多有益的尝试，如2007年6月1日，国务院办公厅发布了“关于严格执行公共建筑空调温度控制标准的通知”，要求夏季室内空调温度设置不得低于26℃。冬季室内空调温度设置不得高于20℃。
    (2)减少新风负荷，降低新风能耗
    由于室内环境中存在着污染物发生源，因此暖通空调系统中摄入室外新鲜空气量（简称新风）是必要的。为将室外新风处理至室内状态点，必须消耗能量。从大量工程实例可以知道，空调工程中为处理新风所需能耗大致要占到总能耗的25%～30%，对于高级宾馆和办公室建筑可能更高达40%。所以采取相应措施降低新风能耗是有重大实际意义的。降低新风能耗的措施主要包括：1)在暖通空调系统中取用最小必要新风量，降低新风需求；2)使用能量回收装置，回收利用空调排风中的能量；3)加强运行期空调系统中新风的质和量的管理，如在夜间或过渡季节，使用室外空气供冷。
    (3)合理选择暖通空调系统形式，减少输配系统的能耗
    系统形式的选择，尤其是输配系统的选择及设计，对空调能耗有很大的影响。输配系统的能耗主要为空气、冷热水输送和分配系统中风机和水泵的能耗，降低这部分能耗的措施主要有：1)采用变流量技术，如变风量(VAV)技术、变水量(VWV)技术；2)适当增大送风温差和供回水温差；3)降低输配系统中水和空气的流速，减少阻力损失。
    (4)推广应用可再生能源或低品位能源。随着空调系统的广泛应用，空调对不可再生能源的消耗将大幅度上升，同时对生态环境的破坏也在日趋加剧。如何利用可再生能源及低品位能源已经成了该领域重要的研究课题。地源热泵空调系统就是在这种形势下得以开发和应用，该技术可以显著提高空调系统的能效，使得同等制热（或制冷）量下的系统能耗大幅度下降；利用太阳能供热或制冷技术现也得到了持续的关注和研究；此外还有城市废热的利用等。
    (5)开展冷热回收利用的运用研究，实现能源的最大限度利用。目前许多空调系统冷热回收利用研究也在蓬勃开展，如空调系统排风的全热回收器，夏季利用冷凝热的卫生热水供应等，都是对系统冷热的回收利用，显著提高了空调系统能源利用效率。
    (6)提高设计和运行管理水平，使其在高效经济的状况下运行。暖通空调系统特别是中央空调系统是一个庞大复杂的系统，系统设计的优劣直接影响到系统的使用性能。第一，必须深入了解各种不同的空调系统和冷热源形式的能耗特征；第二，必须针对建筑物负荷的全年变化特征来选择合适的空调系统和冷热源方式。
    除设计外，运行管理也起着非常重要的作用。空调系统的节能措施需要正确的运营管理才能达到相应的节能效果。同样一套系统，管理水平的不同，系统的能耗也大不相同。
    (7)提高系统控制水平，调整室内热湿环境参数，尽可能降低空调系统能耗。空调系统特别是舒适性空调系统对人体的作用是通过空气温度、湿度、风速、环境平均辐射温度等来实现的，人体对环境的冷热感觉是这些环境因素综合作用的结果。传统的空调控制方式仅仅是测控空气的温湿度，这显然是不全面的。
    影响人体热舒适性的环境参数众多，不同的环境参数组合可以得到相同的热舒适性效果，但是其空调能耗却是不相同的。热舒适方向的研究成果，为采用新的控制方式方法提供了理论基础。如果采用舒适性评价指标即体感指标作为空调系统的调控参数，不仅可以解决传统控制方法存在的弊端，而且可以实现大幅度节能。初步研究表明，该控制方法可使空调系统在人体舒适的条件下节能30%左右。
    3．现代空调节能新技术
    综合前面谈到的建筑暖通系统的节能途径和措施，以下将分别介绍一些得到广泛关注或应用的空调节能新技术。
    (1)地源热泵。地源热泵是一种能有效利用地下浅层地热资源（包括地下水、土壤或地表水等）来“取”或“放”热的既可供热又可制冷的节能空调技术。地源热泵通过输入少量的高品位能源（如电能），实现低温位热能向高温位转移，即在冬季，把地能中的热量“取”出来，提高温度后，供给室内采暖；夏季，把室内的热量取出来，释放到地能中去。与地源热泵技术相关的详细介绍见第九章相应内容。
    (2)冰蓄冷。随着我国经济和电力需求持续快速增长，一天内用电高峰与低谷差距在不断拉大，电网运行的不均匀情况日趋严重。而夏季高峰用电量中，空调用电就占了30%以上，使得电力系统峰谷差急剧增加，电网负荷率明显下降，这极大影响了发电的成本和电网的安全运行。
    冰蓄冷空调就是利用用电低谷时段制冷机组制冰，将冷量蓄存起来，随后在用电高峰时段，化冰取冷，以供空调系统之需要。该技术是20世纪90年代以来在国内外兴起的一门实用综合技术，从社会效应出发由于可以对电网的电力起到“移峰填谷”的作用，有利于整个社会的资源优化配置；同时，从经济性角度出发由于国内不断加大峰谷电价的差额，使蓄冷空调用户的运行电费大幅下降。因此推广使用冰蓄冷中央空调是一项利国利民的双赢举措。电力尖峰负荷转移原理如图8-10所示。
    (3)冷热电联产。BCHP(Building，Cooling，Heating ﹠ Power)建筑冷热电联产，即通过能源的梯级利用，燃料通过热电联产装置发电后，所排放的低品位热能可用于采暖、生活供热等用途的供热，这一热量也可用来驱动吸收式制冷机，用于夏季的空调，从而形成热电冷三联供系统。为了协调热、电和冷三种动态负荷，实现最佳的整体系统经济性，系统往往需要设置辅助的压缩式制冷机和锅炉，甚至蓄能装置等。
    BCHP主要由发电设备和吸收式制冷机两部分构成。用于BCHP系统的发电设备有：常规涡轮发电机组、微型涡轮发电机组、柴油发电机组、燃气内燃发电机组和外燃发电机组。燃气轮机以燃料高温烟气为工质，而蒸汽轮机以蒸汽为工质。工质推动转轮叶片做功，带动发电机励磁发电。发电机出来的废气或蒸汽乏汽是吸收式制冷机的理想热源，被用来制冷、采暖和提供卫生热水。冷热电联产能量梯级利用如图8-11所示。图8-12以微型涡轮机为例说明了冷热电联产流程。
    (4) VRV/VAV/VWV空调系统。VRV( Variable  Refrigerant Volume)系统，即变制冷剂流量系统，系统结构上类似于分体式空调机组，采用一台室外机对应一组室内机（一般可达16台），控制技术上采用变频控制方式，按室内机开启的数量控制室外机内的涡旋式压缩机转速，进行制冷剂流量的控制。VRV空调系统与全空气系统、全水系统、空气一水系统相比，更能满足用户个性化的使用要求，设备占用的建筑空间比较小，而且更节能。正是由于这些特点，其更适合那些需经常独立加班使用的办公楼建筑工程项目。VRV空调系统的设计包含两个部分：空调设备选型及空调管路设计；空调系统控制设计，前一部分内容由设计院的暖通工程师设计，后一部分内容通常由提供全套产品的系统工程承包商配套设计。
    VAV(Variable Air Volume)系统，即变风量空调系统，与定风量空调系统一样，变风量空调系统也是全空气系统的一种空调方式，它是通过改变送风量，而不是送风温度来控制和调节某一空调区域的温度，从而与空调区负荷的变化相适应。其工作原理是当空调区负荷发生变化时，系统末端装置自动调节送入房间的送风量，确保室内温度保持在设计范围内，从而使得空气处理机组在低负荷时的送风量下降，空气处理机组的送风机转速也随之而降低，减小空气输送能耗，达到节能的目的。变风量系统通常由空气处理设备、送（回）风系统、末端装置（变风量箱）及送风口和自动控制仪表等组成。一般在下列情况下宜采用VAV系统：①同一个空气调节风系统中，各空调区的冷热负荷由于变化而产生一定的差异，低负荷运行时间较长，且需要分别控制各空调区温度；②建筑内区全年需要送冷风。
    VWV(Variable Water Volume)，即变水流量系统，它是以恒定的水温供应空气处理设备，当空调区负荷发生变化时，则利用变频水泵调节水泵转速，改变冷冻水的水量，从而确保室内温度保持在设计范围内，在这个过程中降低了水泵的能耗，达到了节能的目的。
    中央空调系统设计通常是按照最大负荷进行设计，从全年运行情况来看，由于建筑物的实际负荷处于峰值的时间很短，大部分时间都处于部分负荷下运行，所以制冷机组大多数时间将在比较低的负荷下运行，COP值偏低。又因为末端用户侧的运行条件和运行模式的差异，能耗状况差别较大。部分负荷下空调末端冷冻水循环侧如果没有合理的控制手段控制流量，仍就是定流量系统的话，则供回水温度差往往低于标准设计工况值（供／回水=7/12℃），此时冷冻水输送系统保持最大负荷时的冷水流量运行，输送能耗没有对应空调负荷的变化，显然不利于节能。特别是过度季节，冷机的负荷更低，当负荷非常小时，只能采取间歇运行的方式，结果导致运行管理及控制复杂，设备能耗增加。因此根据室内负荷控制水侧流量来保证一定的供回水温差，则可以达到满足室内的温湿度调节需求和节约输送设备能耗的目的。
    增大冷冻水、冷却水温差可以节约水系统的输送能耗，温差越大，水系统输送能耗节约量越大。近年来大温差小流量空调水系统方案受到广泛关注。<公共建筑节能设计标准》(GB 50189-2005)要求冷水供、回水温差不小于5℃，并阐明某些实际工程采用8℃温差，获得良好的节能效果。典型的冷水机组冷冻水温度为5/13℃，冷却水温度为32/40℃，进出口水温差为8℃，与常规水系统5℃温差相比，相应的冷冻水和冷却水流量减少37.5%，节省水泵能耗40%～60%。
    目前，大温差空调系统在国内已部分采用，但在国外己经得到广泛应用。据国外实际工程报告显示，大温差空调系统中水泵节省电力约为30%，空调风机节省电力约为20%，设备初投资节省约为10%～15%。此外，另一分国外预测研究资料表明：这项技术可以带来节省一次能源消耗10%、运行费用消耗15%、设备材料初投资10%～25%的效果。见表8-3、表8-4。
    (5)温度湿度独立控制的空调系统。目前集中空调都使用出口温度为5～7℃或更低的冷水作为冷媒，对空气进行处理，采用温度较低的冷水是因为空气除湿的需要。而如果仅为了降温，采用出口温度为l8～20℃的冷源已经可以满足要求。然而一般除湿负荷仅占空调负荷的30%～50%。结果大量的显热负荷也用这样的低温冷水来处理，就导致冷源效率低下。近年来此领域的一个重要方向就是采用温度湿度独立控制的空调方式。将室外新风除湿后送入室内，可用于消除室内湿负荷，并满足新鲜空气的要求；而用独立的水系统采用18～20℃的冷水循环，通过辐射或对流型末端来消除室内显热。18～20℃的冷水可由冷源设备制取，条件允许时还可直接利用地下循环水。
    这一方面可避免采用冷凝式除湿时为了调节相对湿度进行再热而导致的冷热抵消，还可用高温冷源吸收显热，使冷源效率大幅度提高。同时这种方式还可有效改善室内空气质量，因此被普遍认为是未来的新型空调方式。
    温度湿度独立控制的空调系统的难点是新风的高效大幅度除湿。转轮除湿和溶液除湿是近年来研究热点。而该系统采用高温冷水吸收显热，也会引发现有末端换热装置的革新。
    此外，当无法利用地下水或地下换热时，就需要采用压缩式制冷机。从理论上讲制取这种高温冷水制冷机的性能系数会很高，但此时要求压缩机在很低的压缩比下工作。一般的压缩机此时效率不高，从而不能达到高效节能的效果。为此需要专门研究开发可工作于这一工况的高效制冷机。

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