建筑采暖通风空调工程的节能减排措施分析

2022-11-11赵中强

中国建筑金属结构 2022年1期

赵中强

0 引言

建筑节能并非一个新课题，在本世纪初就有人开始对这方面展开研究。相关的课题研究发现，建筑采用通风空调工程的能耗在建筑整体能耗中占比超过50%，因此建筑采暖通风空调工程的节能减排一直以来都是研究的热点。导致建筑采暖通风空调工程能耗长期居高不下的主要原因有两方面：（1）采暖通风空调工程本身不具备节能效果，这与最初的设计有关；（2）建筑采暖通风工程使用过程中缺乏节能意识或者使用不当导致能源虚耗，这在一些大型公用及商用建筑中表现最为突出。因此在当前高度关注生态以及节能的大背景下，有必要对建筑采暖通风空调工程的节能减排措施进行研究。

1 计算采暖通风空调系统冷热负荷以及合理选择冷热源

冷热负荷是建筑采暖通风空调系统的基础数据，控制冷热负荷对建筑采暖通风空调系统中制冷机、风机盘管、锅炉以及冷热水循环泵等设备的影响，可以降低采暖通风空调系统配电功率，进而从根本上控制空调系统能耗。根据我国现行《采暖通风与空气调节设计规范》的规定，除方案或初步设计阶段可使用冷负荷指标进行必要的估算外，应对空气调节区进行逐项逐时的冷负荷计算。这就要求在建筑采暖通风空调系统设计中必须准确计算建筑室内夏季的热量与冬季散热量，最终通过累加计算出建筑冷负荷，进而合理控制制冷机制冷量。目前建筑采暖通风空调系统设计的缺陷在于多采用概算指标进行估算，这就导致建筑采暖通风空调系统的热、冷源机长期处于低效率、低负荷的状态。对于此问题，设计人员可以利用负荷计算软件，结合建筑维护结构数据以及气象数据等准确计算冷热负荷。

关于冷热源的选择，其中制冷主机目前比较常用的包括螺杆式、离心式以及活塞式制冷主机，主机都要按最大负荷进行设计，而对每个具体工况而言，都有一条最佳的特性曲线，满足这条曲线工作时，主机运行效率最高，系统能耗最低，能够有效达到节能减排的目的。热源的选择目前多以城市热网以及工业锅炉为主，以工业锅炉为例，选择高效率的锅炉可以显著提高热效率，同时结合建筑冬季热负荷情况，合理选择锅炉容量以及数量，也可以达到节能的目的。

需要注意的是，关于冷热源的机组选择，不能选择等容量机组，易出现系统调节灵活性较差的情况，机组数量不宜过多也不宜过少，过多则意味着单机容量变小，COP 下降，机组能耗增加；过少则意味着单机制冷、制热负荷变大，机组发生故障的风险增加。因此关于机组的选择与组合，必须结合建筑全年冷热负荷情况合理进行配置。

2 新风系统的节能措施

新风系统的风机风量可以设计为总送风量和最小新风量两档调节。当室外空气焓值大于室内空气焓值时，采用最小新风档；反之则采用全新风运行，并可关闭冷源及其水系统，可有效减少设备能耗，而且能改善室内空气品质。某些建筑物在冬季仍需供冷，对于风机盘管空调系统来说，由于其新风量无法增加，可以采用冷却塔供冷。此外，新风系统中的风管应采用保温性能良好的材料，使风管具备良好的保温隔热性能，关于保温层的厚度重点应考虑两方面因素，一是防结露要求，二是节能要求。与此同时也要确保新风系统密闭性，若密闭性不佳，则系统在运行过程中会出现漏风的情况，由此而损失的风量可达到总送风量的10%左右，会严重增加系统能耗，因此必须选择气密性较好的设备以及材料，尤其是风管连接位置要做好密封处理。

3 空调水系统节能措施

建筑空调水系统主要包括冷冻水、冷凝水以及冷却水系统，建筑冬季供暖期间空调水系统耗电量大约占建筑总耗电量的25%；建筑夏季供冷期间空调水系统的耗电量大约占建筑总耗电的20%，因此降低空调水系统能耗可以有效达到建筑采暖通风空调系统的节能减排目标。关于建筑空调水系统的节能具体可以采用以下几方面措施：

（1）系统的优化选择。从节能的角度考虑，冷却水系统最佳选择为闭式冷却水系统，该系统在运行过程中仅需要克服水在管道中的流动阻力，能耗相对较低，而开放式冷却水系统还需要克服冷却水池到高位冷却塔之间的高差，能耗较高。

（2）各环路平衡计算。在空调水系统的设计上，设计人员应确保各环路的水力保持平衡，尽可能增加供回水的温差、控制循环水量，从而降低输送水产生的能耗，落实节能要求。夏季期间，在确保符合空气处理标准的基础上，应尽可能利用初温相对较高的水，有相关研究表明，水的初温提高1℃，大约可以降低2%的能耗。

（3）冷却塔节能措施。冷却塔作为冷却水系统的核心构成，不仅影响冷却水系统运行，甚至会对整个空调系统产生影响。选择冷却塔时要结合建筑所处地区的气候、循环水量以及冷却水出入口的温差合理选择。

（4）控制空调水系统中水的损失量。空调水系统运行过程中，必然造成部分水量损失，若损失量过高，不仅会增加水资源消耗，同时也会导致冷却塔、冷水机组以及水泵等设备电能消耗。冷冻水系统中通过加强监控和管理，可以减少因旁通阀、排污阀失效造成的水损失，进而降低系统水损失量。冷却水系统中，合理控制冷却塔风机转速以及运行台数，可以避免因风量过大造成的水损失，进而降低系统水损失量。

（5）运用变频技术。在空调水系统中，变频技术主要应用于冷水机组与水泵，但就目前而言，在水泵中的应用相对比较成熟。一般选择水泵时会根据最大负荷进行选择，大致保留有10%的余量，但水泵在运行过程中绝大部分时间实际运行负荷要低于设计负荷，水泵全年保持在50%以下负载率的运行时间占总运行时间超过50%，即系统在流量固定的情况下，大部分时间内冷却水与冷冻水温差不超过3℃，长时间处于大流量、低温差的运行状态，这就导致管路系统能量损耗增加，也就意味着系统运行能耗较高。采用变频技术的优势在于可以通过采集水泵运行时的变量，从而计算具体的控制参数，利用自动控制系统可以调整水泵转速，以改变循环流量，使系统保持最为理想的运行状态，有效控制系统运行能耗。

4 空调系统设计节能技术

4.1 采用蓄冷空调技术

蓄冷空调技术的基本原理是利用水、冰或者其他物质的蓄热特性，在非峰值用电情况下让空调制冷机组保持满负荷运行，将建筑所需制冷量通过潜热或者显热的形式进行储存，当需要空调系统超负荷运行时，即可释放储存冷量来满足建筑内部制冷需求。该技术的优势在于尽可能利用用电低谷期进行蓄冷，从而缓解当前我国电力设施建设与不断增加的用电需求之间的矛盾，而且也能避免空调系统长时间超负荷运行，延长空调系统的使用寿命。对于用户侧而言，采用蓄冷空调技术可以降低空调系统用电成本，减少空调系统运行维护保养费用。目前，蓄冷空调技术比较成熟的主要有四种形式，分别是水蓄冷、气体水合物蓄冷、冰蓄冷以及共晶盐蓄冷，不同蓄冷物质适用于不同的环节，具体需要根据建筑的实际情况进行选择。

4.2 变频调速控制技术

变频调速是集电力电子技术、微电子技术、控制技术于一体，通过改变电机电源频率来改变交流电动机转速，从而实现变速调节降低能耗的一种技术。在建筑采暖通风空调系统中采用变频调速控制技术可以有效应对风机与水泵运行环境参数的非线性模量变化，在系统运行过程中通过采集各种变量，可以计算出具体的控制参数，从而利用自动控制系统可以适时调节风机与水泵的转速，以控制循环流量，确保空调系统在不同负荷情况下都保持最为理想的运行状态，进而达到节能减排的目的。目前，国内诸多建筑采暖通风空调系统均开始采用变流量水系统与变风量系统，这都是变频调速技术的具体应用，从实际运行情况来看，可以取得比较理想的节能效果。某地区邮政局智能大厦在采暖通风空调系统改造项目中就采用了变频调速控制技术，通过对系统全年运行情况进行监控，新风系统与空调水系统能耗显著下降，每年可以节省约33 万元的电费支出。

4.3 吸收式制冷技术

吸收式制冷技术的基本原理是通过制冷机气化吸热以达到制冷的目的，可以直接采用热能进行驱动，通过消耗一定热能作为代价可以将热量由低温物体向高温物体转移。建筑采暖通风空调系统中的制冷机组采用吸收式制冷技术可以充分利用建筑周围的废热以及工业余热等热源，冬季可以通过加热外界低焓值的空气或者直接利用太阳能作为热源，夏季可以直接实现对外界空气的冷却。这项技术的优势在于其不仅能够达到节能减排的目的，而且对综合化利用热能方面具有现实意义。