浅谈暖通空调节能新技术优点及存在问题

康红林

0 引言

随着我国城市化进程的加快，全国高耗能建筑面积已超过650 亿m，且每年新建建筑近20 亿m。根据我国建筑节能协会近两年发布的中国建筑能耗研究报告可知，2018 年我国建筑全过程能耗总量为21.47 亿tce，占全国能源消费总量的46.5%。其中：建材生产阶段能耗11 亿tce，占全国能源消费总量的46.8%；建筑施工阶段能耗0.47 亿tce，占全国能源消费总量的2.2%；建筑运行阶段能耗10 亿tce，占全国能源消费总量的21.7%。这些鲜活的数据，无时无刻地提醒着人们面对如此规模的高能耗建筑，面对高能耗建筑如此高的增长速度，如何能妥善处理国民经济健康稳定发展与日趋严重的能耗问题，已迫在眉睫。建筑能耗已占到社会总能耗的40%，可折算成13 亿t 标准煤。而建筑运行的能耗又占到建筑全过程能耗的21.7%，暖通空调运行中产生的能耗占建筑运行能耗的30%～40%，庞大的建筑能耗，已成为国民经济的巨大负担。为了满足人们在生产生活中的需求又能最大限度地节能，除了传统空调技术外，一些暖通空调新技术如蓄能空调、地源热泵、变风量技术、多联机系统等也将得到广泛的应用（2018 年全国建筑全过程能耗、碳排放量数据图如图1 所示；某酒店建筑能耗如图2 所示）。

图1 2018 年全国建筑全过程能耗、碳排放量数据图

图2 某酒店建筑能耗构成图

1 冰蓄冷技术

冰蓄冷技术代表着当今世界中央空调的发展方向，主要指在城市用电低谷时的夜间用电制冰，在这个过程中水从液态转化成固态，从外界或者冷量（环境温度为0℃）并暂时将冷量储存在特殊的蓄冰装置中,在城市用电高峰期的白天，在温度保持不变的情况下，将冰融化成水，把冷量释放出来，以满足建筑空调不同时间的使用需求。为了让蓄冷槽中的水变为固态，制冷机需要提供温度为-3～9℃的传热液。冰蓄能技术使得人们在应对城市的用电高峰期和低谷期更加自如，使对电网能量“移峰填谷”成为可能,城市电网供电更加平衡，更好地维护电网的安全高效运行。

1.1 冰蓄冷的优点

冰蓄冷技术的优点：平衡电网峰谷负荷，降低发电装机容量，维持电网的安全高效运行。对国家而言，是节能的，能使制冷主机的装机容量减少，冰蓄冷空调系统按运行策略可分为两类，一类是全部蓄冷模式，另一类是部分蓄冷模式。不论哪种运行方式，蓄冰装置总是要承担一部分冷负荷的，通常所说的减少了制冷主机的装机容量，实质上就是蓄冰装置承担了制冷机组本应该要承担的一部分负荷，这部分负荷值的大小也就是蓄冰装置的蓄冷量大小，能较好地缓解建筑暖通空调用电与城市用电供应能力的矛盾，巧妙地利用电网高峰与用电底谷期的电力差价，有效降低暖通空调运行费用。对用户而言，是节约的，冷冻水温度可降到1～4℃，实现大温差、低温送风空调，使空调风处理及运输处于一个低温环境，可抑制细菌病菌繁殖，空调品质提高，蓄冷空调系统特别适合用于负荷比较集中、变化较大的场合加体育馆、影剧院、音乐厅、机场、教堂等，可以快速达到冷却效果。

1.2 冰蓄冷存在的问题

当然冰蓄冷技术也不是完美的，其缺点主要是：系统太过复杂、太过庞大，机房内除通用的空调制冷系统设备如冷水机组、冷却塔、冷冻泵组、冷却泵组、加压泵组、风机盘管等，还必须设有一整套冰蓄冷设备，包括蓄冰设备（池、槽或罐）、制冰板换器、融冰板换器、乙二醇溶液泵、蓄冷水泵、释冷水泵、蓄冷介质（如冰球等）等设施。从投资回收期的角度看待，冰蓄冷空调异常复杂庞大，占地面积大，工程造价高，一次性投资费用比常规空调大。有的项目由于制冷主机和蓄冰槽选型过大，往往蓄冷时间要在12h 以上，并非用电全部在用电谷价，节约费用有限。蓄能装置要占用一定的建筑空间，维护困难，对操作人员素质要求高。从世界运行效果看，结冰膨胀作用力会产生局部或者整体破坏，导致系统运行不稳定，这也是大部分冰蓄冷系统提前报废的原因。由于系统复杂，同时控制困难，维护工作量成倍增加，而且对人员的素质要求非常高。调控困难，其放冷速度开始时较快，到后面放冷速度越来越慢，最后有相当一部分剩余的冷量无法使用（冰蓄冷空调原理图如图3 所示）。

图3 冰蓄冷空调原理图

2 地源热泵

地源热泵技术是利用地能这种可再生资源，夏季通过泵组将热量传输到地下，实现对建筑的降温，储存热量，冬季通过热泵机组将热量传输到房间，实现对建筑的升温，释放热量。地能是一种春夏秋冬无论地上温度如何变化但其很稳定空调冷热源，该技术通过电力做功，将土壤中获取的低品质热能转化成高品质热能，这种热能的转化将是直接利用高品质电能转化成热能的3 倍，甚至更高。地源作为得天独厚的冷热源，加之水源热泵机组、蒸发器冷凝器地热能交换系统、旋流除沙器以及建筑物内末端风机盘管等设备，共同组成暖通空调系统。该系统不仅运行效率高而且节能节费效果显著，是国内地热能利用的一个新发展方向。

2.1 地源热泵系统优点

一年四季，相对稳定的地表浅层地热资源，冬暖夏凉为地源热泵提供很好的系统运行冷热源。地表浅层地热资源来自太阳，每天浅地表层吸收大量的太阳能，并将其很好地存储起来。地表浅层资源面积广，无处不在，地表浅层储存的这种巨大可再生能源，加之利用方便，使得地源热泵技术得到更好的推广，拥有更广阔的发展前景。地能无论一年四季地上温度如何变化但其很稳定的特性，使用当中冷热源形态不发生巨大变化，使得热泵机组、管道系统运行更安全可靠，效能更是优于传统空调系统，且节约近40%的运行成本，地源热泵系统兼具高效性和经济性。以地表水为冷热源，向其放出和吸收热量，不仅不会消耗水资源还不造成污染，在使用建造使用过程中与传统的空调系统相比无冷却塔、锅炉、储油房等设施，也不产生废气废渣，大大节约了建筑空间，还提高建筑的美观度。地源热泵系统建造方便、运行稳定、机组使用灵活，可一用一备或者三用一备，不会因为某一台机组出现问题导致整个系统无法使用，每台机组可独立供冷或供热。

地源热泵系统机组运行工况稳定，使用多种环境，即使在北方寒冷的冬季供暖也不会结霜更不需要除霜。家用空调设计寿命8 年，燃气锅炉为10 年，地源热泵机组为30 年，水循环和风管系统40 年以上，地耦管路系统为50 年，它比所有各种空调系统和供暖设备的寿命都要长。远程控制智能化控制系统可以利用系统末端探测装置，如二氧化碳浓度探测器感知人流量变化，进而自动调整地热泵制冷或供暖，更好地匹配室内的冷热负荷，这样既节电节能，又实现运行费用的最小化。地源热泵系统功能多，应用范围广，可以实现独立的供暖、制冷，一套地源热泵系统就可以完成传统空调制冷、锅炉制热两套系统的工作，广泛地应用于宾馆、购物商场、写字楼、学校、住宅、公寓楼、别墅等建筑。由于地源热泵机系统相对于传统空调系统，管道及阀部件数量大为减少，设备为成套热泵机组，室内的管道及部件设备安装在机房内，室外部件安装在地下，环境影响及人为因素损坏的概率大幅度降低，使得地源热泵不光安装方便简捷，其运行维护费用也大大降低。

2.2 地源热泵系统存在问题

与传统空调系统相比，虽然地源热泵系统工作效率高，运行维护费用低，但其一次性造价要高于传统空调系统30%左右。地源热泵中央空调的使用受到场地限制，热交换是在地下进行的，必须具备足够的场地才能满足能量交换。设计难度大，目前还没有一个统一、简便的计算方法。前期准备工作繁琐，时间较长，前期需做可行性分析，岩土分析、导热测试等。地下埋管换热是一种非常复杂的不稳态传热现象，地下埋管的安装几何特性、地下土壤特性、回填材料特性都对地下埋管的热量交换起着重要的影响。目前地源热泵的技术存在的最大不足是“土壤热不平衡”的问题。我国南北方跨度大，制冷采暖也有很多差异，北方地区夏季供冷冬季采暖，而南方地区主要以夏季供冷为主，冬季几乎不用采暖，南北方长年地源热泵运行，使地源表层吸收、释放的能量失衡，进而影响生态环境，影响换热量。维修难度大，虽然地源热泵理论上后期基本不会出现维修的情况，但由于设计和施工难度较大加上施工人员素质问题，一旦出现问题需要维修，代价十分巨大。施工工艺有待完善，在我国地源热泵技术尚未发展成熟，相关的一系列设计水平、施工工具、工艺、人员水平都有待提高（地源热泵空调原理图如图4 所示）。

图4 地源热泵空调原理图

3 变风量空调系统

3.1 变风量系统与额定风量的比较

变风量空调系统是因室内需求负荷变化或室内负荷要求参数发生变化，保持恒定送风温度，通过弱电控制系统自动调节空调系统送风量，从而使室内冷热负荷达到使用要求的一种全空气空调系统。变风量系统可以同时满足室内的空气品质，又达到节能的目的。变风量空调系统区别于其它空调形式的优势有:节能、无冷凝水烦恼、系统灵活性好、系统噪声低、不会发生过冷或过热、提高楼宇智能化程度、维修工作量小、使用寿命长等。集中式空调定风量系统无法智能的随着室内冷热负荷的变化对风量做出相应的调整，一年四季，按照设计的最大热湿负荷确定送风量，全年送风量不变，这是集中式空调定风量系统的最大缺陷，存在着诸多不足，它是按照最大热湿负荷确定送风量的，送风量全年不变，这样即造成能源的浪费又无法给使用者带来舒适的体感。

3.2 变风量空调系统应用现状与问题

虽然变风量空调系统具节约风机耗能、系统灵活性较好，易于建造，适合多种建筑、对室内负荷变化响应迅速、用户体感舒适等诸多优点，但它的缺点也是同样突出，尤其是控制调节最为复杂。变风量系统风机的控制，当大量使用节流型变风量风口后，管道的系统特性曲线性能将发生改变，风机的最佳工况点位也随之变化，虽然管道内静压增加风量是减少了，但是风机风压却增大，风机能耗随之增加。过分的管道节流，风压增大，随之带来的后果就是管道出现噪声，风机也可能进入不稳定区工作，管道内压的变化，特别是管道内压增加将会对一些末端探测装置的使用造成影响，灵敏度降低或者调节失灵。道内加装静压控制器就很好地预防了这一系列毛病，根据风管内静压的变化来控制送风机的总风量，比较经济合理的措施是调节风机的转速或风机的进口导叶装置或调节风机出口风阀，才能从实际上达到节约动力的效果。

变风量空调系统智能化控制目前也不是尽善尽美，当下变风量空调系统多采用PID 控制，PID 控制应用范围广，参数较易整定，非常适合模型和线性参数稳定的系统。但是变风量空调系统本身就是一个非线性、时变模型参数不稳定的系统，只要使用负荷发生变化，系统的特性曲线就会变化，就需要对PID 参数重新整定。因此设计前期系统的合理性，以及是施工前变风量空调系统的优化，从设备到管道再到阀部件的选择使用就是整个系统控制的关键环节,它关系着整个系统的能耗情况和系统的稳定性和可靠性及后期的维护使用。

20 世纪60 年代的美国开始出现变风量空调系统，在以后的不断完善中，逐渐成为一套成熟稳定的系统，后经日本的研究改善，变风量空调系统得到很大的推广。变风量空调系统真正进入我国并投入使用的时间较晚，面对该系统技术相对复杂、控制环节多、系统和设备控制要求较高这些问题,只有提高设计水平和施工工艺水平,让变风量系统更智能更节能地服务于我们的国民经济发展。

4 结语

暖通空调与每个人的生活息息相关，不仅关系到千家万户的冷暖，还在经济社会的发展中扮演着重要角色，是建筑节能的重头戏。建筑节能里建筑运行节能是重点，笔者从事建筑机电安装工程多年，深感对新技术要不断钻研，要持续地解读，用实践去检验设计思路和想法。事情环环相扣，一个新系统源头的设计是关键环节，设计师对自己所设计的暖通空调系统是否匹配建筑，是否对该系统的细节仔细考量过，是否能更优化更节能，这都是对设计师本人的深度拷问。广大的建造者在实现新系统的功能中，也要不断地优化施工技术和施工工艺。只有设计、建造、运行都有质的提升，才能更好地让暖通空调新技术在我国节能减排中做出更大的贡献，实现绿色建筑长效健康的发展。