从节能的角度谈空调设计

2012-11-06吴达祥

山西建筑 2012年33期

吴达祥

(江阴市建设工程质量监督站，江苏江阴 214432)

0 引言

从2006年起我国广泛实行建筑节能工作，而空调能耗占整个建筑能耗的50%～60%，因此如何降低空调能耗是建筑节能工作的重中之重，而降低空调能耗很大程度上取决于空调系统的设计，因而空调系统的设计决定着空调节能的效果，下面就空调节能设计应遵循的原则和可以采取的一些措施作一闸述。

1 合理选择室内设计参数

室内设计参数的选择，首先必须符合《采暖通风与空气调节设计规范》及相关节能标准的规定，从能耗角度来讲，设计参数应根据实际使用的需要，不能随意提高设计标准，主要原因是:在夏季室内空气温度每降低1℃，将增加约8%的制冷能耗，同时增大系统容量，如风管系统、风机，还会相应增加制冷机容量，空调系统的初投资也随之上升。同样，在冬季室内空调设计温度每升高1℃，将增加10%～12%的供热能耗，同样也会造成空调系统的供热设备包括锅炉(或热力网)、热交换器、热水泵的容量及造价的上升，不利于降低初投资和节能。

2 设计计算应科学、严谨

暖通空调系统的设计计算主要包括三个方面:

1)空调负荷计算;

2)系统的水力计算;

3)设备的选择计算。

2.1 空调负荷计算

空调负荷计算是空调设计最基本、最基础的工作，同时又是涉及节能乃至空调效果的最重要的计算工作，计算数据的准确与否很大程度上决定着该空调系统是否节能、节能多少。在暖通空调及相关的设计规范、设计标准中都要求对空调负荷进行逐项逐时的计算，而本人在工作中发现诸多设计都没有对空调负荷进行严格的计算，而仅按有关经验数据进行估算，对没有把握的地方，安全系数取得较大，富余量就大，这样就造成了空调设计负荷大于甚至远远大于实际负荷，不利于节能。

2.2 系统水力计算

空调系统水力计算包括风系统的水力计算和水系统的水力计算，对这两方面的水力计算必须按系统的最不利管路逐段进行计算，并应选择合适的风速或水流速度，即所谓的经济流速。但在实际设计中，有些设计人员为了贪图方便与简单，仅按照经验数据进行计算，势必造成要么在实际设计中风管或水管尺寸过大，不利于降低造价和建筑空间，要么管路尺寸过小，造成系统阻力增加，风机和水泵的容量与运行能耗也会随之上升，同样浪费能源。

2.3 空调和制冷、制热设备的选择计算

设备的选择计算，一方面取决于风系统和水系统阻力计算的准确程度，另一方面还与安全系数的选取有关，安全系数选取过小，空调系统的水泵、风机富余量不足，当管路中由于某些无法预知的因素导致阻力增加时，就会使得循环水量和空调送、回风风量不足，影响空调效果与用户的使用，对于某些要求较为严格的工艺性空调，还会影响产品质量，这种空调设计虽然有节能效果，但牺牲了产品质量或人的健康，这是不可取的。相反，当安全系数选取过大时，水泵、风机及制冷、制热设备容量过大，空调系统建成后，长期处于大马拉小车的状态，导致空调设备运行效率的下降，能源利用率下降，同样不利于节能。

综上所述，对空调的负荷计算，水力计算和设备的选择计算应严谨、细致和科学，只有这样的设计计算才比较接近实际情况，才能保证空调效果，保证空调系统的节能运行。

3 对空调系统应进行合理的划分

空调系统的范围、空调采用何种方式等都会影响空调系统的节能，如果不同要求的空调房间划分在同一系统，势必会按要求较高的房间标准进行设计，对于要求较低的房间来说就没有必要，同样造成了能耗的上升，另外空调系统的范围过大，管路过长，也不利于节能，有些系统可以采用变风量技术的，应采用变风量系统，可以最大限度地节能。空调系统的划分可从下列几个方面考虑。

3.1 按照房间功能划分

按照房间的功能划分空调系统，一方面可以降低空调的设计负荷，另一方面也为空调系统建成后的节能运行管理创造条件。不同功能的空调房间在使用性质、使用时间、参数要求等方面也不同，空调设计时，应尽可能地按房间功能进行系统分区。

3.2 按空调房间的朝向分区

空调房间朝向不同，空调负荷也不同，甚至相差很大，在夏季南向的空调房间冷负荷较大，需配置的空调系统和设备容量较大，而北向的空调房间，由于没有直接受到太阳的辐射，空调冷负荷相对较小，因此需配置的空调系统和空调设备容量相对较小。空调设计时，在可能的情况下，应尽可能地按照空调房间的朝向分区设置空调系统。

3.3 高大空间的分区空调

在民用建筑中，高大空间越来越多，如旅游宾馆的大堂、大型会议室等，在工业建筑中，某些厂房由于生产设备和工艺流程的需要，也需要设置高大空间，在这些高大空间中，人员活动和生产工艺往往只需要维持在底部或一个特定的区域内，不需要在整个空间内维持一定的空调要求，因此空调设计时，应将空调范围缩小在某个需要的范围内，而范围外不需要设置空调系统。通常的做法是在顶部设置排风系统，底部区域设置空调系统，必将大大减少空调能耗。

3.4 空调房间的内、外分区

目前大型建筑一般进深较大，周边受室外气温影响较大，空调负荷波动也较大，而内区空调负荷相对稳定，某些建筑冬季室内还有余热量，需要冬季供冷，在这种情况下宜将内区与周边区(外区)分开设置空调系统，便于系统的运行管理，也有利于空调节能。如果内、外区合用同一空调风系统，必然会造成内、外区温度的失控，严重影响空调效果。

4 采用合适的新风量和新风比

民用建筑空调设计时采用的新风量由相关的设计规范和设计标准推荐使用，该新风量有一范围，采用何值应根据工程的规模、系统的划分、空调房间使用性质、人员的数量以及停留时间等综合考虑，不应简单地统一按人数计算。对于工业建筑，也应根据空调系统、人员情况确定合适的新风比，同时应在满足工艺要求和卫生要求的情况下，尽量减少室内局部排风，采用密封性能好的门、窗，减少室内排风量和渗透风量，从而减少新风量和新风比，降低系统负荷。

5 采用新风与回风的焓值比较控制技术

对于工业空调，在过渡季节，应尽可能多地采用室外新风，以减少制冷机的开启时间，达到节能的目的。为此什么时候可以采用100%的新风，而回风全部排至室外，单靠人工判断较为困难，必须设置焓值比较控制系统，首先对新、回风的温度和湿度进行检测，通过相应的仪表进行焓值计算，再进行新风与回风焓值的比较，在过渡季节当新风焓值低于回风焓值时，应尽可能多地利用新风。为了达到焓值比较控制的目的，空调设计时必须采用以下两项措施。

5.1 空调设备及系统应能够适应新风量的变化

空调设计时，新风量通常是按规范、标准选取的量小新风量，但实际运行时，随着室外气象条件的变化，尤其是过渡季节必须采用最大新风量，随着新风量的变化，室内排风必须同步变化，室内正压才能基本保持稳定。也就是说，空调房间的风量进行平衡设计时，必须保证新风量等于排风量与正压风量之和。为此空调设备及系统应能够满足新风量和排风量的变化。

5.2 必须设置可靠的自动控制系统

室外空气参数在一年四季甚至一昼夜中始终处于变化之中，新风量也处于不断的变化之中，新风量的调节单靠人工调节是无法满足基本要求的，必须要借助于可靠的检测和控制仪表，才能对室内外参数进行不断的检测和比较，才能确定实时新风量的大小。

6 采用热回收设备和技术

热回收主要指的是排风系统的热量回收。在夏季室内排风的温度和焓值均低于室外新风，如果将排风与新风进行热交换，就能将新风的温度和焓值降低，从而减少表冷器的制冷量，最终降低制冷机的容量，从而降低空调能耗和工程造价。在冬季，室内排风的温度和焓值均高于室外新风的温度和焓值，此时如果将排风和新风进行热交换，就能将新风进行预热，降低新风的热负荷，同样有利于节能。

7 采用冷却塔供冷技术

在一些空调建筑中，如内区面积较大或工业厂房内部发热量较大的场所，冬季室内需提供一定的冷负荷才能消除室内余热，降低室内温度，保证人员和生产工艺所需的温度要求，为此可以考虑采用冷却塔直接提供空调用冷水，这样可以减少冷水机组的运行时间，取得较好的节能效果。在空调水管路设计时，必须充分考虑和保证冷却塔供冷的实现。同时由于冬季冷却塔停运时，冷却塔及管路中的存水会有冻结的可能，必须采取相应的防冻措施。另外必须确定合理的供水参数和合理地选择冷却塔。

8 冷、热源设备种类和容量匹配问题

冷热源方式及系统设计选用时，首先应考虑工程的特点，如空调系统在一天乃至一年中的运行时间、运行方式、空调负荷等情况，然后考虑采用合适的制冷方式，如什么情况下应采用电制冷、什么情况下应采用吸收式或其他制冷方式，在制热情况下何时采用蒸汽供热，何时可以采用热水制热等。

另外空调负荷计算是按系统最大负荷计算的，但实际运行时，最大负荷出现的时间很短，绝大部分时间是在部分负荷下运行的，因此空调设计时必须充分考虑到部分负荷这一特性，做好冷、热源设备的容量与台数的匹配工作，以满足运行管理和节能的要求。

9 降低风系统和水系统的输送能耗

空调系统的输送能耗在整个空调系统的能耗中占有比较大的比例，降低输送能耗是空调节能设计中的一个重要措施。选择生产效率高的风机和水泵，能起到很好的节能效果。

1)风系统。

对于空调和通风的风系统来说，控制风泵系统输送能耗的主要措施是控制合理的风管作用半径和选择合理的空气流动速度，尽可能地减少系统阻力，最终降低风机的风压，为了缩短作用半径，风机应尽可能靠近空调房间或通风房间。根据相关节能设计标准要求，风机单位风量耗功率的限值应满足表1要求。

表1 风机单位风量耗功率限值 W/(cm3·h)

2)水系统。

对于水系统，控制的重点是如何提高供、回水的温差，即尽量采用大温差、小水量的空调形式，以尽可能地降低水系统阻力，从而降低水泵功率，减少水泵输送能耗。空调水系统的输送能效比应满足表2规定。

表2 空调冷、热水系统输送能效比限值

10 积极利用可再生能源

随着能源的大量消耗，可再生能源的利用被提上议事日程。在空调方面能加以利用的可再生能源主要有以下几种。

10.1 地源热泵系统

地球是一个巨大的蓄能体，随着地源热泵系统的逐渐应用，地源热泵技术日渐成熟，已有许多成功的案例。尤其是土壤源热泵系统已得到大量应用，在空调设计中，应根据当地的地质和工程情况尽可能地采用该种系统，以利于节能，当然设计该系统时，必须充分注意到冬季从地中取热和夏季向地中释热的平衡问题，以保证地源热泵系统的可靠、长期运行。

10.2 空气源单冷或热泵系统

空气源制冷或热泵属于对空气能的利用，其特点是夏季通过向较高温度的室外空气散发热量来对建筑供冷，热泵则在冬季从较低温度的室外空气中吸取热量来对建筑进行供热。如果空调建筑只需夏季供冷，应尽可能地采用单冷空气源制冷方式，如果冬季需供热，则应结合当地冬季的气候情况选择合适的空气源热泵系统，以最大限度地节约能源。必须指出的是，在冬季设计状态下的COP值小于1.8时，机组供热效率大大下降，则不宜采用空气源热泵。