暖通空调系统设计中节能技术的运用

王刘灿

（华诚博远工程咨询有限公司 北京 100042）

近年来，我国经济由粗放型增长模式转型到了集约型经济增长模式，需要减少能源消耗，降低资源浪费，有效解决生态环境污染问题。随着中央空调暖通设备使用数量的增多，能耗问题也越来越突出，受到了社会各界的广泛关注。由于当前阶段中央空调暖通设备生产制造中已经通过应用产业链思维，建立了以研发设计、采购运输、施工建设、订单处理、市场营销、售后运维管理为主要内容的产业链条，并且形成了设计环节引领、其他环节按部就班实施的模式，因而，需要通过在设计环节增加节能措施，较好地实现系统性节能目标，以此解决能耗问题。

1 节能理念的内涵及应用原则

1.1 内涵

节能理念于1979年由世界能源委员会首次提出，通过后续在全球可持续发展方面的应用，获得了广泛研究与推广应用。我国在1997年通过了《中华人民共和国节约能源法》，并且在后续的历次修订中对其进行了完善。我国在提出“双碳”目标的背景下，进一步深化了对节能理念的研究与在各行业诸领域的应用。从概念界定看，节能主要指在满足技术、经济、环境、社会等需求的条件下，采用科学技术、管理技术，合理利用能源与资源，提高生产效率、降低能耗与资源消耗、减少对生态环境污染等，以此保障应用对象使用过程中产生的综合效益［1］。

1.2 应用原则

在节能理念应用原则方面，主要包括节约性原则、系统性或整体性原则、适应性原则、循环利用性原则。以节约性原则为例，既要使能源、资源获得节能，也要求将能源、资源的节能手段所需的成本投入降至最低。因此，要求在节约能源、资源使用量的情况下，节约节能成本与应用能源与资源中产生的成本。例如，节能理念在中央空调暖通设计中的应用就能较好地达到节约目标。以整体性原则为例，节能理念的应用需要在整体上实现节能、在局部确保节能的有效性。目前的经验表明，中央空调应用时属于一个完整的暖通系统，整体上的节能可以使节能设计与节能减排目标趋于一致，并且从更为宏观的层面提高暖通系统运行中的节能效用。以适应性原则为例，中央空调作为一种设备，需要借助不同的辅助措施保障其功能的有效应用。

但我国幅员辽阔，不同的地区、不同的中央空调应用对象及应用需求存在差异，所以，应用节能理念时，需要考虑它的适应性。以循环利用性原则为例，无论是能源还是资源，在其应用过程中，如果通过建立一种循环模式，既可以提高能源与资源利用率，也可以由此推动循环经济的发展。中央空调暖通系统含有不可循环利用原材料，在应用节能理念后，可以借助对材料的选择与对设备使用后的回收利用，以及在使用过程中产生的能量的循环利用，使其转向循环利用方向［2］。

2 节能理念下中央空调暖通设计需求

2.1 系统节能需求分析

中央空调暖通设计要求满足采暖、通风、空气调节三大基本功能。作为一种分户使用的中央空调，其中包括了氟利昂系统与水系统，因而，在进行设计时，为了减少能源消耗与资源浪费，需要通过系统节能实现总的节能减排目标。第一，中央空调暖通系统规模大、功能多，具有一定的复杂性（见图1）。设计师在进行设计时，通常会根据安装场所的时间—温度关系、每日平均最高气温或最低气温等进行折算。可是，由于折算后只有几小时的最高气温与最低气温，导致了冷负荷、热负荷均不能达到最大值，因此容易出现能耗过剩现象。第二，当前，中央空调暖通系统设计过程中，使用的原材料具有多样性，设计趋于多元化，系统参数需要根据运行情况进行持续监测与调整。但是，在系统设计方面的节能评价相对不足，当中央空调暖通系统经过一些特殊区域时，会产生能源损耗。第三，中央空调系统、冷热水系统、风系统属于总系统中的子系统，均具有系统控制特征，在实际使用中，需要将影响它们的因素结合起来，合理地根据季节、温度、自动控制、风量调节、冷冻水、蒸发耗水、飞水、排污换水等进行节能控制，才能达到系统节能目标。所以，在系统节能设计方面，需要充分考虑系统节能与专项节能需求之间的关联性，进而保障设计环节全面节能目标的实现［3］。

图1 中央空调系统原理示意（局部）

2.2 专项节能需求分析

2.2.1 资源节能

在可持续发展战略目标牵引之下，要将节能理念科学地应用到中央空调暖通设计之中，需要充分考虑资源节能问题。根据现阶段的设计经验来看，在能源节能方面，主要以新能源代替旧能源为主。例如，中央空调暖通系统在使用阶段会耗费大量的电能资源，此时，就可以通过太阳能发电、风力发电、热力发电等新能源取代当前使用的火电能源。为了保障中央空调暖通系统应用的节能性，需要在设计通风系统环节时尽可能做好密封设计，预防温度散失、风量损耗；在水系统设计方面，则应该尽量采用循环利用设计，减少水资源消耗，以此满足资源节能需求［4］。

2.2.2 成本节能

中央空调暖通节能设计中，需要投入相应的成本，包括物料成本、设计成本、时间成本、技术成本，以及系统运行阶段的使用成本等，此时，需要对系统设计相关的各类成本进行精准核算，才能达到预期的成本节能目标。当前的设计中，主要是按照制定节能设计要素清单、设置设计指标的办法，运用定额设计方法进行成本节能。例如，在原材料选择方面，连接管道的设计通常要考虑它环保性能、市场价格、使用寿命、配套的保温材料与施工技术等，进而确保管道设计环节节约成本。简单来讲，在水系统、风系统、中央空调系统的设计过程中，需要结合材料、工艺、技术、市场、效用等，促进设计成本节能目标的实现［5］。

2.2.3 使用节能

中央空调暖通设计方案在投入使用后，为了保证专项节能目标的实现，通常会在设计环节引领的思路下，于设计环节提高系统控制方面的参数设计。目前的设计中，包括了以人流量调整设计指标、根据实际使用情况设置制冷主机、结合使用环境调节水系统的设计方法。从经验看，重点集中于相关数据的监测设计、各项指标参数的范围控制设计等，其中包括了传感器、数据分析系统设计等。所以，在资源节能设计需求方面，既应该注重能源资源、设备资源，也应该从能源、设备使用的参数着手，作好数据资源节能设计，尤其应该结合中央空调暖通系统运行管理中的各个环节进行设计，保障设计方案在后续使用中的有效性［6］。

3 节能理念下中央空调暖通设计措施

3.1 科学设计机房位置

中央空调暖通设计方案以具体的建筑物为载体，其中包括不同类型的机房，如排风、空调、热交换、制冷机房。就设计的科学性与合理性而言，冷热源通常要进行集中布置，空调机房则宜采用分散设置。简单来讲，不同的机房功能及作用存在差异，而且其功能的实现主要通过管道实现，因而，需要尽可能选择管道短、段面小、节省空间的方案。例如，在现代的高层建筑物中，中央空调暖通系统要借助总管道、分支管道将热风与冷风输送到各家各户，此时，对于处在核心地位的中央空调系统设计而言，既要考虑到管道的占用的空间位置是处于相对较小的范围，也应该将段面控制到较小范围，提高输送能源的最大化，另外，管道长短直接影响了材料的选择、使用量、成本投入、使用效果。再如：冷冻机、热交换机房的设计要考虑能量的传输方式，尽量将其布置在地下室，使其在能量传输时产生较大的效用；而排风机设计时，应该以屋面为准，尽可能使所有的能量在最大使用效用的条件下获得有效利用后经过最高位置进行排出。由此可见，科学设计机房位置，实际上要求设计师将建筑体、不同机房的功能，以及机房间的资源利用情况结合起来，从而使能源、资源利用达到最大化、能耗达到最小化。

3.2 细化室内设计参数

中央空调暖通系统的应用对象是室内，而集中在办公区域或居住区域，在公共空间的使用相对受限。从整体上看，系统设计方案在实质上是一个封闭系统，根据系统控制需求看，封闭系统中的节能目标之实现旨在提高系统控制的精准度。首先，室内设计参数取值会对舒适度、造价、运行效率、运行能耗产生实质性影响，因此，在参数设计时，需要考虑参数的实际影响，再结合ASHRAE62标准，适当地降低设计标准。其次，中央空调暖通系统设计方案是为了满足其应用效用的最大化、投入资源的最小化目标，因而，在室内设计参数取值控制方面，应注重设备使用指标与外部环境之间的关联性。例如，一天中的温度有变化，变化具体体现在不同的时间段，而中央空调暖通系统应用中，要做到精准调节具有一定的困难，在这种情况下，应该结合节能评价、外部环节监测数据，合理地设计室内参数调节范围。

3.3 降低空调运行能耗

首先，在运行能耗控制方面，应该以节能理念为主导，选择可再生能源，如当前应用较多的太阳能、地源热泵。利用太阳能时，可以在设计中选择主动型、被动型两种方案，考虑到主动型设计方案的应用成本较高，可以选择被动式方案，借助调整建筑构件与暖通设备位置进行设置。利用地源热泵时，制冷与供热均可满足，工作原理相对简单。建议在比较成本投入后选择合适的方案。

其次，在新风量节方面，新风负荷通常占到中央空调总负荷的20%～40%，当满足室内卫生需求后，可以适度地减少新风量，在该方面应该注重设计风量时的取值范围控制。由于运行能耗与围护结构热工性能、气候变化、室内空间使用功能相结合，此时，应该结合数据分析方法，先作好预测控制，再根据降低空调运行能耗的目标，进行舒适度、设备容量、运行时间方面的参数控制设计。目前，在中央空调暖通设计中增加了智能控制系统，因此，建议借助传感器设置、通信关联、数据分析，将终端的数据采用、PC端的数据分析、管理中心的空调运行控制结合起来，进行系统性设计，确保冷热源能源控制、中央空调系统控制、室内外空气状态参数控制达到最佳节能设计目标。

3.4 降低水系统的能耗

建议在设计阶段区分隐性能源的来源，减少水量消耗同时耗费大量电能的情况。例如，当前的隐性能耗主要集中在冷冻水系统、冷却水系统，其中，冷却水系统包括了蒸发耗水、飞水消耗、排污换水消耗。此时，可以按照专项设计思路，在冷冻水系统设计方面，加强管路保温设计，包括保温材料选择、保温方式设计、排污阀与旁通阀控制设计。在冷却水系统节能设计方面，风机大量送风的设计办法虽然降低了冷却塔出水温度，却增加了电能损耗，此时，应该考虑冷凝压力与机组耗电指标间关系进行合理设计。而飞水方面的节能设计，应该从风机叶片的调整设计进行控制；至于排污换水方面的节能设计，建议从清洁水系统方向考虑，能够减少换水频率的设计办法，因此，排污换水过程中的消耗无法规避，只能选择尽可能小的换水频率，以此达到降低能耗的目标。

4 结语

总之，节能已经成为了可持续发展战略中的重要实践途径，在中央空调暖通系统设计中应用节能理念，一方面需要在深度、广度、精度层面加强对节能理念的研讨；另一方面则应该结合中央空调暖通设计需求，制订合理的研发设计应用方案。通过以上初步分析，可以看出，系统节能、专项节能应该体现在中央空调暖通设计的各个层面，因此，建议在机房位置、室内设计参数、空调运行能耗、水系统能耗等方面以节能理念为主导，合理地制定相应的节能措施。