暖通空调系统节能分析

董圆圆

20 世纪70 年代，石油危机的爆发，人们才认识到以牺牲环境为代价的高速社会发展史难以继续。耗用自然资源最多的建筑产业必须改变发展模式，走可持续发展道路。在2003 年8 月发布的《绿色奥运建筑评估体系》中，提出绿色建筑就是为人类提供健康、舒适的工作、居住、活动的空间，同时实现最高效的利用资源、最低限度地影响环境的建筑物。也就是说，在建筑寿命期限内，最大限度地节省资源，保护环境和减少污染，为人们提供健康、适用和高效的使用空间，与自然和谐共生的建筑。

在我国，建筑行业的能耗占到社会总能耗的1/3，而在建筑行业里，暖通空调专业的能耗占到建筑总能耗的1/2 多，暖通空调系统的广泛应用，已使其成为建筑能耗大户。在世界性能源紧张的今天，降低暖通空调的能耗对建筑节能有着重要的意义。

一栋建筑要进行暖通空调设计的时候，其建筑的围护结构的传热特性、室外气象参数及周围热湿环境都已成为定值，不可改变，而这些恰恰是影响暖通空调系统能耗的部分主要因素。为此我国建设部于2001 年制定并颁布了《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》，要求新建建筑通过采用保温隔热性能更好的围护结构材料以及采用高能效比的采暖空调设备，在保证室内同等热环境指标的前提下，与未采取节能措施前相比，采暖空调能耗节约50%。在此基础上进行暖通空调的设计，室内设计参数及空调作用方式、系统各设备自身的性能和效率、空调系统整体的性能和系统运行方式以及运行管理情况等因素对节能效果就显得更为重要了。

（1）方案选择方面，设计暖通空调系统，应使其在高效经济的状况下运行，同时推广使用可再生能源或低品位能源作为系统冷热源。

在整个中央空调系统中，冷水机组的能耗占空调系统能耗的55%～65%，所以冷热源方案的选择将对整个空调系统的节能起很大的作用。选择冷热源要符合国家能源和环境政策、法规，还要注意地域优势，考虑天然可再生能源、低品位能源，比如太阳能、风能、地热源、各种废热等。甚至建筑周边环境也要关注，如有发电厂，要充分发挥发电厂的供热技术。现如今，冷热源方案中可加入蓄热蓄冷空调，即在用电低谷时段蓄冷蓄热，供用电高峰空调使用。这样能节省电费同时节省能源。在绿色建筑中，节能这个重头任务，不仅是因为我国面临能源紧缺的压力，高能耗导致环境排放的压力增大也是重要的因素。

目前，热泵装置技术的应用越来越广泛，地源热泵就是其中一项，地源热泵技术是通过输入少量的高品位能源（如电能），既可实现热量从低温热源向高温热源的转移。在冬季和夏季，分别将地热能作为高温热源和低温热源，在冬季将地热取出来用于采暖或热水供应，在夏季将室内的热量提取后释放到地层中去。目前在自然界和工业生产中，存在大量的低品位热源，储藏于空气、土壤、水，以及工业废气、废水中，利用热泵可以回收这些低品位热源，产生高品位热量来供应生产和生活之用。

冷热回收技术可以使系统实现能源的最大限度利用。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，显著提高空调系统能源利用率。

（2）系统设计方面，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。

暖通空调系统是一个复杂的系统，系统设计的优劣直接影响其使用性能。系统在设计时均按最大负荷取值，而实际运行基本上是在部分负荷下运行，如果系统各部分的设计不能适应部分负荷运行的要求，长期在高负荷状态下运行，系统的能耗是很大的。另外新风系统应该能随着室外气象参数的变化改变新风量，以最大限度地缩短主机的开启时间。可以说空调系统的设计对系统的节能起着重要的作用。

传统空调设计时一般以室内空气为控制对象，也就是所说的工况设计，所有负荷取最大值，所有设备按最大负荷选取，但是这样的结果使得一些空调房间夏季过冷冬季过热，造成很大的浪费。如果可以按过程设计，以人的感觉为研究对象，室内温度可以适当升高或者降低，这样既让人更舒适同时又节省了能量。

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、环境平均辐射温度进行的，人体对环境的冷热感觉是这些环境因素综合作用的结果。以往的空调控制方式仅仅控制空气的温度湿度，显然是不全面的，势必带来许多问题，如空调系统对人体的作用不直接、当环境变化时对环境的调控不迅速、人体感到不舒适。热湿环境研究成果的应用，为我们采用新的控制方式方法提供了理论基础。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，如采用PMV 或SET 指标对空调系统进行调控，不仅可以解决传统控制方法存在的弊病，而且可以实现大幅度的节能，据初步研究表明，采用这种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）系统运行管理方面。

高效的运行管理制度对建筑节能起着很重要的作用，如果管理不善，将会造成较大地能源浪费。空调系统的运行基本都是在部分负荷下进行，室外气象参数也与设计不同，那么系统的运行工况和设计就是不同的。所以在设计时我们应注意，系统部分负荷运行时，系统和设备应可调，并能使系统和设备在部分负荷工况时在高效状态下进行，避免“大马拉小车”。当室外空气的温度或者焓值低于室内空气时，要考虑尽量使用室外新风，这样可以减少空调主机开启的时间，因为一台主机能耗一般是一台新风机组能耗的几倍甚至几十倍，而此时新风的使用即降低了能耗，又对室内空气品质得到保证，这也是所谓的过程设计的重要性了。同时，空调房间一般设有排风系统，排风的空气参数与空调房间的室内空气参数相仿，如果新风在送入之前可以与部分排风混合，吸收排风的冷量或者热量，这样就可做到部分能量的回收。间歇工作的空调通风系统，尽可能在预冷时采用循环风，不引入新风。人员数量变化大的系统，最热月和最冷月的新风量应该根据人员需要自动控制新风入口阀门，调节新风量。过渡季节应尽量采用室外新风的自然冷却能力，节省人工冷源的冷量。根据室外气候的变化，合理设置被控制房间的温度，避免夏季室内过冷，冬季室内过热的现象。

在绿色建筑中节地、节材的任务在建筑建成之后就完成了，但节能、节水却必须在建筑的全寿命期内的运行中体现，尤其是用能系统（包括采暖、空调、通风、照明、生活热水、电梯等），建筑本身的寿命超过50 年，而其中的用能设备系统往往只有15～20 年的寿命，因此在寿命期内用能系统不仅要精心维护，而且要经历数次更新、改造、升级。如果不能很好的运行维护，哪怕设计的再好，也不能达到节能的目的。

（4）改善建筑维护结构的保温性能，采用新型节能舒适健康的空调方式也可对节能起一定的作用。

对于暖通空调系统而言，通过维护结构的传热量占总负荷很大比例，而维护结构的保温性能决定维护结构综合传热系数的大小，亦即决定通过维护结构的传热量大小。所以国家节能规范中要求提高维护结构的保温隔热性能。

如前所述，影响人体热舒适性的环境参数很多，不同的环境参数组合可以得到相同的热舒适性效果，但不同的热湿环境参数组合空调系统的能耗却是不相同的。例如在冬季，如果我们采用传统的空调方式，通过加热的室内空气实现人体与环境的热湿交换，就需要较高的空气温度，此时通过维护结构的热损失和加热新风的热损失都比较大。如果我们根据热湿环境的研究成果，改变传统的空调方式，增加辐射热（如低温地板辐射采暖），此时所需要的空气温度将会显著下降，一般l2～l4 度即可，而传统方式设计温度在l8～20 度，显然后者比前者具有明显节能效果。

暖通空调专业在绿色建筑领域发挥着重要作用，甚至是主导性作用，担任能源工程师的职责。在建筑设计阶段，能源工程师对建筑设计方案的节能效果进行定量评价；在暖通空调、照明、冷热源等用能系统设计中，利用各种模拟分析工具进行深入分析，提出低成本、节能、运行可靠、最恰当的系统方案。