暖通空调节能技术研究

刘春杰，陈正刚

（1.兰州瑞兴达投资有限公司，甘肃 兰州 730037；2.兰州空间技术物理研究所 真空技术与物理重点实验室，甘肃 兰州 730000）

0 引言

随着我国人民生活水平的提高，建筑面积逐渐增大，从而造成建筑能耗增加。建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”。尤其是建筑耗能伴随着建筑总量的不断攀升和居住舒适度的提升，呈急剧上升趋势。建筑的能耗（包括建造能耗、生活能耗、采暖空调等）约占全社会总能耗的30%，其中最主要的是采暖和空调，占到20%以上[1-3]。以房间空调为例，2006年的装机量就是2000年的3.7倍，近年来空调的装机量增速远大于建筑能耗的增速。空调作为能耗大户，与能源紧张局势特别是电力紧张局势有着密切关系，到2008年底空调能耗已占全国城镇用电能耗的20%以上，尤其是在夏季用电高峰时段，空调用电负荷甚至高达城镇总体用电负荷的44%。因此，降低空调系统能耗对于降低建筑系统的能耗，缓解当前电力紧张，优化能源结构，提高能源利用效率等方面都有着非常重要的意义。

1 节能暖通空调系统

空调制冷系统[4]主要由压缩机、冷凝器、膨胀阀、蒸发器以及辅助部件组成，如图1所示。其工作过程如下：压缩过程-制冷剂（气态）通过压缩机受压后，压力增大且温度上升；冷凝过程-高温高压制冷剂气体通过管路输送至冷凝器，通过冷凝器换热（放热），制冷剂温度降低压力不变，此时制冷剂由气态转化为液态；减压过程-在制冷剂通过膨胀阀（或节流部件）时，制冷剂压力降低，制冷剂膨胀，此时制冷剂为低温低压状态（液态）；蒸发过程-膨胀后的制冷剂进入蒸发器，在蒸发器内与外界换热（吸热）即制冷，制冷剂吸收热量由液态向气态转化；蒸发后的制冷剂再次被吸附压缩机，从而实现整个制冷过程。

图1 空调制冷系统

2 优化设计

2.1 暖通空调的节能设计

在空调工程设计中，因地制宜的选择设计合适的空调系统，可以有效节约能源。我国幅员辽阔，各地在气候状况等方面存在巨大差异，比如：南方夏季高温高湿，冬天低温高湿；北方夏季高温干燥，冬天低温干燥；南方昼夜温差小，北方昼夜温差大，采用同样的暖通空调系统显然并不合适。应当依据当地气候特点，以适宜技术为主，技术集成，形成适合项目特征、地域气候特点的设计理念。目前，随着绿色建筑的推广，节能暖通空调新的设计思路不断涌现，如：汉堡“被动房”，伦敦“零碳馆”，“沪上生态家”等[5]，为暖通空调节能设计提供了借鉴意义。

空调的设计不是简单的选取空调系统，而是与建筑的许多因素相关。因此，在空调设计中应注意以下要点：（1）对于各类地区气候特征、建筑类型、建筑用途、人群特点、建筑布局等细节，建立统计数据；（2）对建筑中的维护结构要进行细致的热计算分析；（3）选择合理的设计参数指标，包括室内温度、湿度、新风量、用水量以及照度等；（4）较精确的计算建筑供冷、供热量需求，为空调系统选择提供合理参数；（5）因地制宜地选择合适空调系统，避免机组闲置，浪费能源。

2.2 暖通空调的方案选择

空调系统按照空气调节范围可以分为[6]：集中式空调、分体式空调和室内空调。集中式空调（又称中央空调）采用集中整体式供冷的方式为多个房间或整栋楼房，甚至是整个小区进行冷气供应。集中式空调一般采用冷水，这样可以极方便的在整个系统中循环。集中式空调的优点是效率高、能耗小，整体占用面积小，适用于一些大型设施、办公场所、住宅小区。缺点是系统较为复杂，需要专人管理；初期需要投入一笔较大费用；整个系统工程需要专门设计。室内空调是指采用独立机组对室内部分空气进行调节的空调，这种机组大多都非常小巧，一般适合于零散住户使用，优点是：安装灵活；缺点是：噪音较大，效率低。分体式空调一般采用一个机组对1个或多个房间进行空气调节的制冷系统，这主要是因为随着技术发展，压缩机效率的提高，压缩机系统可以带动多个蒸发器制冷，同时满足多处空气调节的功能。优点是：安装灵活，使用方便，其效率大于室内空调。目前，多数住户采用这种方式。无论是从节能等各方面比较，集中式空调性能最佳，远优于分体式空调和室内空调，从节能的角度考虑，应尽可能的采用集中式空调方式。

2.3 冷水机组的选择

冷水机组是集中式空调的核心部件，其能耗占整个空调系统的90%以上。冷水机组有两种基本类型：压缩循环冷水机组和吸收式冷水机组。目前，市面上共有四种压缩循环冷水机组，分别为：往复式压缩机冷水机组、涡旋式冷水机组、螺杆式冷水机组和离心式冷水机组。往复式压缩机冷水机组是常规冷水机组，采用往复活塞式压缩机，优点是技术成熟度高，缺点是结构比较复杂，其单机制冷量一般为50～500 kW。涡旋式冷水机组采用涡旋式压缩机，其特点是变容积压缩，涡旋式冷水机组优点是：噪声小、体积小、重量轻、运动部件少。其单机制冷量一般为20～200 kW，适合于小工况工程使用。在较大工况情况下，一般采用螺杆式冷水机组，它采用螺杆压缩机，属于高压制冷剂的大容量冷水机，优点是：运动部件少，可靠性高。螺杆式冷水机组（如图2所示）单机容量一般150～2 000 kW，适合大工况空调工程使用。冷水机组可采用并联模式，满足空调工程使用。目前，暖通空调工程中一般采用前三种，从节能的角度考虑螺杆式冷水机组稍高些，具体采用何种冷水机组，可根据具体工程选择。

图2 螺杆式冷水机组

吸收式冷水机组是一种采用热驱动的制冷系统，其原理与上面四种完全不同。当某种热源量大且便宜时（如：钢厂废热或地热丰富），或是某种生产过程中有热源副产品时，采用吸收式冷水机组将是非常节能的空调制冷方案。

2.4 蒸发器

当温度相对较高的液态制冷剂通过节流组件（膨胀阀或节流阀）时，一部分液相制冷剂闪蒸为制冷剂蒸气，然后部分液相和气相组成的制冷剂经过蒸发器，最后全部转化为气态制冷剂。蒸发器的重要的功能是实现制冷剂液体通过吸热转化为制冷剂气体。在这一过程中，有一个非常重要的温度点-蒸发温度。要使蒸发器高效运行，蒸发器盘管内的制冷剂尽可能在全液态下运行，同时又不允许在盘管出口出现液态制冷剂。这是因为，蒸发器出口的液滴会对压缩机造成伤害，所以需要对蒸发器设定一定的过热度。蒸发器的过热度越高，压缩机的进口制冷剂的蒸气压力越低，不利于压缩机的运行。另外，对于蒸发温度的设定要依据空调运行工况，研究表明在冷凝温度不变的条件下，蒸发温度降低，压缩机的制冷效率降低，排气温度升高。蒸发器中制冷剂，蒸发温度降低1℃，要产生相同的冷量，耗电量约增加4.5%，而保证较高的蒸发温度有利于节省能耗。因此需要在设计空调制冷系统时，选用适当的蒸发器进行匹配。

2.5 冷凝器

冷凝器是类似蒸发器的热交换装置，承担为系统排热的重任。其排热能力决定了整个制冷系统运行的排气压力，排热量越大（即冷凝器内制冷剂的温度越低）制冷剂在蒸发器内吸收的热量越大。对于常规冷凝器主要功能有：消除制冷剂过热、制冷剂冷凝和制冷剂过冷。研究表明，冷凝器的过冷度每降低1℃，制冷效率提高2%。因此，选择好的冷凝器有利于空调系统的节能。目前，冷凝器一般有两种类型：水冷式冷凝器和风冷式冷凝器。水冷式冷凝器优点是换热效果好，缺点是水管结垢的可能性大；风冷式冷凝器优点是结构紧凑，风冷式冷凝器之所以非常普及，是因为风冷式冷凝器几乎不需要维护。因此，在大型的空调系统中选择水冷式冷凝器比较合适，有利于节能；而在小型空调系统中，节能要求不高，通常采用风冷式冷凝器。

2.6 冷凝器的热回收

冷凝器在工作过程中排出大量热量，可以利用过热排气管线回收装置进行热量收集，排气管线的温度一般情况可达100℃，根据制冷量的不同，通过此装置均可获得60℃的水，且系统规格越大获得的热量越多，热回收原理如图1所示。利用热回收装置可回收能源达到30%以上。因此，在较大空调系统中安装热回收装置可以有效进行节能。

3 暖通空调新技术的应用

3.1 变频技术

变频空调是通过变频调节器来改变压缩机供电频率，从而实现制冷功率的调节，实现了连续低速的运转，避免了压缩机的频繁启动，实现了高效节能。

对于活塞式压缩机，制冷量为公式（1）：

式中：Q0为活塞压缩机制冷量，kW；λ为活塞压缩机输气系数；qv为单位容积制冷量，kJ/m3；s为转差率；f为频率，Hz；Z为汽缸数；P为交流旋转磁场的极对数。

对于螺杆式压缩机，制冷量为公式（2）：

式中：Q0为螺杆压缩机制冷量，kW；λ为螺杆压缩机输气系数；qv为单位容积制冷量，kJ/m3；Cn为齿轮系数；L为转子的工作长度，m；f为频率（Hz）；s为转差率；P为交流旋转磁场的极对数。

从公式中可以看出，无论是活塞式压缩机，还是螺杆式压缩机，其产生的制冷量都与频率成正比，只要电源频率确定，在某一工况下压缩机产生冷量就基本确定了。

变频技术在现代空调中的应用越来越广泛，在日本变频空调的应用已超过80%，相关研究表明，通过对压缩机、风机以及泵上使用变频调速装置，可以达到节电30%以上。

3.2 温湿度独立控制技术[3]

空调系统中共有两部分功能：（1）对室内空气进行降温；（2）对室内进行除湿。一般除湿负荷占到空调负荷的30%～50%，这样大量的显热负荷也用低温冷媒处理，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，可用于消除室内产湿，并满足新鲜空气的要求，而独立的水系统使用18～20℃的冷水循环即可满足要求，通过辐射或对流型末端来消除室内显热。这一方面可以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，还可以用高温冷源吸收显热，使冷源效率大幅度提高。同时这种方式还可以改善室内空气质量，因此普遍认为是未来主流空调方式。不过该项技术尚有难点，如新风的高效除湿。华南理工大学近年来开发的除湿转轮[7]，可以进一步发展成为湿度独立控制的新风处理方式。

3.3 蓄冷技术

蓄冷技术是一种利用昼夜电力负荷差异，在夜间或电力不紧张时用制冷机组制冰，使水的潜热以冰的形式存贮起来，在白天电力紧张时，进行融冰释放冷量，从而达到削峰填谷的目的。虽然整个制冷过程并不能节能，但是在一定程度上可以有效缓解用电高峰时期电力紧张的状况，在地区电力价格为阶梯电价时，可以节约用电费用。

3.4 数字化管理节能控制技术

运行管理对于暖通空调具有重要的作用，系统的运行节能控制可以弥补能源设计或管理模式存在的缺陷，通过对设备的运行控制，可以促进能源精确合理的消耗。最理想的状态是通过数字化自动控制系统实现节能控制。自动控制系统主要的功能是进行监测、管理和测量建筑物内的各种设备以保证设备可靠安全运行，节省人力和能源。因此，实现建筑智能化，加强空调的自控系统管理，对空调节能有着重要的作用。

3.5 热泵技术

热泵是把处于低温位的热量输送至高温位的设备，其工作原理与制冷原理相同，与普通制冷空调系统相比较，增加了1个四通阀。如果说电加热产生的热能为1，那么热泵可以产生的热能为3～4，由此可以看出热泵是非常节能且环保的产热方式。由于煤电的转化效率约为30%，这就意味着，热泵的效率系数COP大于3，才具有真正的节能价值。热泵技术是一项成熟技术，其真正难点在于提高效率系数COP大于3。即使这样，热泵技术在许多场合应用都能起到节能作用，如：有电无集中供暖的地区；对燃煤限制的地区等。

另外，随着近年来国外技术的发展，热泵技术的效率系数已逐渐突破3，例如：日本推出的以二氧化碳为工质的热泵型热水器，其效率系数超过3接近4；研制的空调系统在冬季供热时其效率系数已接近4。

4 建筑节能技术

4.1 优化建筑设计

建筑造型及围护结构形式对建筑物的性能有决定性的影响。直接的影响包括建筑物与外环境的热交换、自然通风状况和自然采光等，这三方面的内容构成70%以上建筑供暖通风空调能耗[3]。不同的建筑形式会造成能耗的巨大差别，建筑物是复杂系统，很难简单的计算热负荷的变化情况，采用动态的热模拟技术进行不同建筑方案的热状态模拟，选择适宜的建筑方案，可以有效节约暖通空调能源损耗。此类软件有美国开发的EnergyPlus[8]、英国的 ESP[9]、日本的 HASP[10]等。

4.2 新型建筑围护结构材料

采用新型围护材料，能更好的满足保温、隔热、透光、通风等需求[11]。主要涉及的产品：外墙保温隔热、屋顶保温与隔热、外窗和玻璃墙透光、智能遮阳装置和调湿型饰面材料等。这些新型材料的应用，可以调节室内空气温湿状态，减轻暖通空调热负载。

5 总结与展望

通过优化设计提高暖通空调系统的节能效果，避免人为的能源浪费。采用空调新技术，如：变频技术、热回收技术等，提高能源的利用效率。提出建筑节能技术应用是解决建筑能耗的有效途径，通过建筑节能技术应用降低建筑对暖通空调热负荷的需求。

目前，暖通空调系统节能成为建筑节能的重点，尤其是对占建筑能耗50%～70%的空调系统能耗，节能设计的研究是建筑系统节能的基础。所以要重视暖通空调系统的设计，加快新技术的开发应用。提高建筑的舒适度、成为低能耗的新型建筑。

[1]马建堂，张为民，罗兰，等.中国统计年鉴2013[M]，北京：中国统计出版社，2013.

[2]徐伟.中国建筑能耗现状与节能技术对策[R].中国建筑科学研究院，2013.

[3]江亿.我国建筑能耗状况及有效的节能途径[J].暖通空调，2005，35（5）：30-40.

[4]解国珍，姜守忠，罗勇，等.制冷技术[M].北京：机械工业出版社，2008.

[5]罗继杰.节能减排-暖通空调（设计）行业面临的机遇和挑战[J].暖通空调，2012，42（1）：1-7.

[6]Willian C Whitman，Willian W Johnson，John A Tomczyk.Re⁃frigeration & Air Conditioning Technology[M].Cengage Learn⁃ing，2008.

[7]左远志，丁静，丁云辉，等.太阳能驱动除湿转轮辅助中央空调系统的设计[J].节能技术，2005，23（1）：50-53.

[8]Crawley D B，Lawrie L K，Winkelmann F C，et al.Energy⁃Plus:creating a new-generation building energy simulation program[J].Energyandbuildings，2001，33（4）:319-331.

[9]Clarke J A.Energy Simulation in Building Design[M].Oxford:Butterworth-Heinemann，2001.

[10]松尾阳.空调设备动态热负荷计算入门[M].日本:日本建设协会，1980.

[11]王起霄，刘淑静，汝长海.浅谈节能空调制冷系统分析[J].哈尔滨商业大学学报（自然科学版），2001，29：（3）：69-71.

[12]杨昌智.暖通空调工程设计方法与系统分析[M].北京:中国建筑工业出版社，2001.