浅析公共建筑暖通空调系统的降耗及能耗平衡途径

2019-01-23童宁

中国设备工程 2019年1期

童宁

（德宏职业学院，云南德宏 678400）

1 我国建筑能耗现状

当前建筑行业呈现繁荣景象，同时也存在高能耗建筑占比大的情况。根据前瞻产业研究院发布的《2013-2017年中国智能建筑行业市场前景与投资战略规划分析报告》中的数据显示，我国目前既有建筑面积超过500亿平方米，90%以上是高耗能建筑，城镇节能建筑占既有建筑面积的比例仅为23．1%。而如果要达到同样的室内舒适度，我国单位建筑面积能耗是同等气候条件发达国家的2～3倍。这样的高能耗指标，不利于经济发展和环境保护。

同时，我国建筑能源消耗呈现出了很大的不平衡。就当前看来，我国建筑的主要消耗能源为电力和天然气，这两种建筑消耗能源都呈现出“峰谷”结构。夏季，白天工作时间空调制冷，造成电力紧张。夜晚，部分公共建筑关闭，电力需求下降；冬季，供暖锅炉启动，天然气需求量大。采暖期结束后，供暖锅炉停止运行，只有热水锅炉运行，导致天然气有所囤积。这样的消耗特点，不紧降低了发电厂和天然气站的运行效率，还使得能源管理变得困难重重。

2 建筑能耗构成

建筑能耗指建筑物内各种用能系统和设备的运行能耗，主要包括采暖、空调、照明、家用电器、办公设备、热水供应、炊事、电梯、通风等能耗。通常所说的建筑能耗仅指非生产性建筑的能耗，即民用建筑能耗。依据建筑功能，民用建筑可以分为住宅建筑和公共建筑两大类。本文主要讨论公共建筑。建筑能耗系统示意图如图1。

图1 建筑能耗系统示意图

然而，在建筑能耗的构成中，暖通空调系统（采暖、空调及通风）的能耗占了整个建筑能耗的50%～60%。

3 能耗过高的原因

由于暖通空调系统在建筑能耗中占的比重较大，因此，降低建筑能耗及平衡能源结构的核心就是优化暖通空调系统在建筑中的应用。根据以往的一些工程案例，暖通空调系统存在一定程度的能源浪费现象，而该现象主要是由于“系统设计不合理”和“运行管理不到位”所导致。

3.1 系统设计不合理

在一些项目特别是中小型项目中，暖通空调系统的设计没有充分考虑到地域性、功能性、结构性以及建筑材料等因素，一概采用经验来进行设计、选型。暖通空调系统设计的基础是建筑冷热负荷计算，而很多的项目并未根据建筑实际情况进行精确的计算，取而代之的是“指标估算（W/m2）”。这种方法可以缩短设计周期，但并不准确。“负荷指标”本身只是过往经验的一种大概总结，是一个范围值，在估算的过程中，由于保守的心态，担心将来系统效果不好，就会往大的值估算。另外，在循环泵的选型上也普遍存在扬程高估算的情况。而很多实际案例表明，设备的选型都存在功率过大的情况，因而造成了能耗过高。此外，一些项目在冷热源设备类型的选择上，没有根据实际情况做到充分论证、评估节能效果，盲目的选型也是造成能耗过高的原因之一。

3.2 运行管理不到位

系统的运行应当符合建筑的实时需求，在保证了建筑舒适度的同时减少能源消耗。然而在过往的很多项目中，系统的操控主要由人工进行，由于对一些信息（气象参数、使用面积等）的变化把握不准，不能做到让系统的工作状态随环境的变化而及时作出调整，也会造成能源浪费。

4 改善途径

4.1 规范设计、合理选择

在建筑的暖通空调系统设计过程中，一定要切合实际，遵循相关设计规范，进行标准设计、合理选择。例如《建筑工程设计文件编制深度规定》（2016）版明确规定要提供冷热负荷、风量、水量的计算书；《采暖通风与空气调节设计规范》对中央空调设计夏季室内参数规定为22～28℃，冬季工况室内参数为16～24℃。《公共建筑节能设计标准》（GB50189-2015）中明确提出供暖空调冷源与热源应根据建筑规模、用途、建设地点的能源条件、结构、价格以及国家节能减排和环保政策的相关规定，通过综合论证确定。

4.2 加大自动化控制程度

暖通空调系统的设计是以建筑的最大冷热负荷为依据进行的。然而建筑的冷热环境并不是一成不变的。气候条件的变化、使用面积的变化、工作时间的变化都会改变建筑的实际负荷需求。因此，要让系统处于最佳运行状态，就需要及时获取与建筑环境相关的实时参数，才能保证系统的运行与环境变化相一致。而这一工作如果由人工去完成，不仅耗时长，还有可能不精确，从而也就不能对系统运行进行及时调整，达不到节能降耗的目的。有效的途径是借助计算机网络及信息技术、自动化技术，采用自动控制的方式。近些年，自动化技术在暖通空调系统中的应用取得了一定的成就，但是还不够。比如，控制逻辑不严谨、自动化程度不高、小型项目不应用自动控制等等。因此，在暖通空调系统的基础上，合理设计一套针对性的自动控制系统。根据系统结构，设置相应的参数检测点，利用相关仪表和检测装置完成温湿度、压力、流量、风速等参数的检测，并通过传输线路以数字信号或模拟信号的形式及时反馈至控制器，再由控制器根据预先编制的控制逻辑同样以数字信号或模拟信号的形式发出指令到机组、泵组以及电动阀、电动调节阀、电动风阀、变频器等机构，最终高效、准确的完成对系统运行状态的调整。

5 平衡能源结构

平衡能源结构就是要“削峰填谷”。前面提到电力和天然气两大能源的使用状况均呈现出“峰谷”结构，这对于能源的开发和管理是极为不利的。在考虑节能降耗的同时，应当还要考虑能源结构的平衡。

5.1 蓄能技术抑制高峰用电

为了达到电力的“削峰填谷”，我国多地电力需求管理侧推行了峰谷电价政策。以北京为例（见表1、2）。

从价格表1、2中可以看出，以一般工商业1～10kV为例，尖峰价格是低谷价格的4倍之多；高峰价格是低谷价格的近4倍。如果能将白天尖峰、高峰的空调用电转移到夜间低谷，不但能为用户节省大量的电费，还能实现电力的“削峰填谷”。在这样的政策背景下，中、大型暖通空调系统设计应当优先考虑使用蓄能式系统（图2），即冰蓄冷、水蓄冷、水蓄热。

表1 北京城区非居民用电价格表

表2 北京郊区非居民用电价格表

图2 蓄能式系统削峰填谷示意图

目前我国的蓄能技术有待进一步发展。究其原因，主要是用户意识不够，因为蓄能式系统初始投资较普通系统要高，但是后期的运行费用要比普通系统低很多，一般3～5年可将超额投资部分回收，之后的时间可实现收益。因此，设计方在提供蓄能式系统设计方案时应当向用户进行详细的数据分析、充分的收益说明，让用户明白投资蓄能式系统的收益点。这样，政策的支持加用户的意愿，才能将蓄能系统推广开来。

5.2 燃气热泵助力夏季制冷

燃气热泵（GHP，GAS HEAT PUMP），也可以简单的理解为燃气空调。1979年世界第二次石油危机爆发，同年日本出现夏季罕见酷暑，全国空调用电量激增，电力公司供电告急。在这样的背景下，1981年日本政府组织相关地方燃气部门、相关企业共同研发燃气热泵。1987年，YANMAR牌燃气热泵诞生，之后，燃气热泵在日泵市场迅速扩张，不但缓解了电力供应，还实现了天然气的“削峰填谷”（图3）。

图3 GHP削峰填谷示意图

燃气热泵自2003年进入我国，目前还因以下原因有待进一步推广。第一，企业对设备的宣传、推广不够，导致众多潜在用户并不知道此类设备，甚至很多设计院都不了解。第二，目前国内市场的燃气热泵均为日本品牌，一半以上是原装进口，导致价格过高，很多用户接受不了较高的投资。因此，要实现良好的“削峰填谷”，还增加燃气热泵的实际应用。首先，企业、燃气部门应当联合起来，结合设计院进行广泛的宣传和推广，让用户明白燃气热泵的优势。燃气热泵除了能在宏观实现“削峰填谷”，就设备而言，还能实现冬季的强劲制热，这是普通空气源热泵（EHP）无法做到的。所以，就这点而言，对于冬季制热需求高的北方特别适用，一套设备可以实现冬夏两季共用，无需再加辅助设备。其次，为了长期的发展，企业应当考虑逐步国产化，这样可以缩短订单周期，也降低用户成本。在天然气供应设施完善、并且价格不太高的地区，可优先考虑使用燃气热泵。