暖通空调系统节能设计研究

2023-09-30吴耀洲

装备制造技术 2023年6期

吴耀洲

（海德联创设计集团有限公司，浙江杭州 310000）

1 暖通空调系统节能设计概述

暖通空调系统节能设计是基于与常规暖通空调系统实现功能设计的情况下，满足室内技术参数温度、相对湿度、气流组织、新风量、噪声等要求；目标系统运行载荷，满足系统载冷流量、压力、温度等要求，系统实现安全、稳定、可靠运行达到节能。系统节能设计是通过合理的建筑结构设计、系统设备功能设计、空调冷热源机组产品节能设计、控制系统设计及使用管理制度等要素，综合、科学组合实现；暖通空调系统主要是由冷热源机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔、末端装置、盘管风机、空调风柜、空气处理机组、新排风系统等组成。系统通过消耗能源介质转换，实现供热制冷达到室温的目的，通过科学、高效的节能设计将每一构成要素降低消耗能量或最大限度低耗，提高整个暖通空调系统全年综合能效比，从而实现系统初期节省投资，降低造价，运行使用节能，使用增值。暖通空调系统节能评价应贯穿于设计阶段和运行阶段。

2 暖通空调系统节能设计原则

2.1 系统性原则

系统性原则是暖通空调节能设计的基础，基于国家节能减排政策、自然生态环保法律规定，行业标准及用户对系统功能、工艺等要求，故设计方案既要符合运行节能的经济性及维修保养操作要求，又要确保系统达到设计使用寿命周期，满足功能性用途。系统性的原则，体现设计人员对节能设计的整体思路，建立节能设计平台，针对性对系统全年综合能效比计算，优化节能方案，比选方案，最终正确选择方案。

2.2 动态原则

暖通空调设计是一项技术性复杂、综合的工作，影响因素很多，涉及建筑构造设计图原始数据及第一手现场资料，以及功能、工艺的需要；再者，随着冷热源机组技术开发的不断更新，控制系统人工智能化广泛应用，技术方案也应结合实际情况，不断优化完善。

2.3 科学技术发展原则

暖通空调系统节能设计以科学发展观为原则[1]，采用各项节能措施及运行策略，在系统设计中不断导入新技术元素，既符合国家节能减排产业导向，又有利于建设工程施工管理、系统全寿命周期运营管理及节省建造施工运行成本。

3 暖通空调系统节能设计的研究

3.1 强化设计节能意识，建立节能设计审核管理制度

在方案设计中，设计理念主导着空调系统的节能方向，主要体现在工程项目造价、成本、运营、管理等费用支出大小的特点。设计方案在符合专业设计的情况下，应充分了解业主使用意图及习惯，导入业主对系统的节能规划、节能控制及节能管理，形成优化节能管理体系。如审定的设计方案是否影响占用机房或占用机房用面积的大小及建成投入运行后的值班、操作、维护人员数量等，这些因素将决定运行管理成本高低。

3.2 合理选择暖通空调系统设计参数

暖通空调系统设计参数是直接影响系统的能耗指标之一，其合理性决定系统冷热源机组、系统设备、末端机组等投入的运行时间的长短。室内设计参数主要有室内温度、相对湿度、新排风量、风速、噪声等，在规范规定的设计取值范围内，确保人体舒适或工艺要求，满足客户要求，再者也要避免标准过高。比如不同地区，室内、外空气的参数、相对湿度及室外平均风速不同，夏季空调室内设计参数，规范设计取值为24 ～27 ℃、相对湿度50% ～60%，当取值为24℃/50%或27 ℃/60%时均在设计参数范围内，但前者使空调负荷增加约30%，增大了电功率。再者，合理设定冷热源机组运行参数，是最直接有效的节能措施之一。比如冷水机组供水回水温度常规控制7/12 ℃，结合工程项目使用实际可控制在8 ～13 ℃，温差控制在4 ～6 ℃，如此，提高了机组的制冷效率。相关文献及经测试表明，机组设定温度每升高1 ℃，能耗可以节省电功率4% ～6%[2]，同时降低冷量单价成本，减小投资空调费用。

3.3 暖通空调系统冷热源机组选配节能设计

空调系统冷热源机组能耗约占系统总能耗的60%，选择COP 值大，高附加值产品。从不同角度作方案比选：

（1）根据水冷式螺杆机组、水冷式离心机组、风冷式模块机组、地源热泵机组、海冷式机组等不同机型在不同建筑环境中的使用优劣，取长补短，灵活组合使用，不同的需求环境选择不同冷量机型，以搭配方式满足要求；根据场所的不同，选择相应的模式机型，比如医院、宾馆、餐饮行业优先选择带余热回收功能机型，把回收余热的能量转换为生活热水，从而节约制造热水成本，同时提高机组高效率运行，大幅度提高综合能效比，降低能耗。

（2）不断优化制冷控制系统，选择的空调主机控制系统需具有变频、智能调节调级功能。设计技术方案并根据项目工程的需要，制冷控制系统导入BP 神经网络功能、Matlab 语言、自适应模糊控制系统技术三者综合应用，整合反馈数据，它能根据系统参数偏差值的大小调节和控制系统运行状态[3]，使系统实时对冷冻水流量、冷却水流量、冷却塔风量及房间的温湿度进行监测并合理的判断和设定，最终实现机组动态运行效率与室内最佳的空气温湿度质量相适应，当制冷量与负荷达到平衡时，机组能耗最小。

3.4 水系统节能设计

水系统一般由冷冻泵、冷却泵、冷却塔、末端风机盘管、风柜及管道、阀门等组成一个闭式或开式环路，输送系统载冷剂进行能量转换。该系统可采用如下步骤实现节能设计：

（1）通过科学对系统管路布局不断优化，简化路径设置，准确计算水路沿程阻力损失，选择合适的水泵扬程，避免扬程过大，增加能耗。

（2）水泵、水塔电机根据系统需要设置定频+变频智能结合使用，如两台以上循环泵组系统。系统循环水流量根据工程特点，定频定流量+变频变流量控制，避免大流量小温差。采用上述两种方式，水系统泵组及冷却电机节能率约占其额定功率15%。

（3）供冷网管压力、流量均衡设计，除了增设必要的压力平衡阀（水力平衡装置）外，注重管网整体与局部的流量分配，如区域间采用同程管网或同程管网与异程网结合，以达到冷量均衡，温度场舒适，减小投入大功率机组运行，节省能耗。

（4）减小供冷管网的冷量损失。在满足设计压力的情况下，冷冻管材可以选择导热损失小的U-PVC管替代热镀锌管，降低冷水输送过程冷量损失。

（5）相关测试验证，提高供回水温度，网管冷水输送过程冷量减小损失10% ～15%。

3.5 暖通空调末端设备节能设计

末端设备主要有风机盘管、全空气空调风柜、全热新风机等，是载冷剂转换能量的主设备，是室内温度、相对湿度、噪声、风速、气流组织及新风量的影响因素，也是影响能耗大小的直接因素。

（1）整体与局部区域的机型选择，关系运行区间设备工作时间的长短，对于建筑空调使用面积较大、功能用途相同且集中温控场所，应选择全空气空调风系统控制模式；对需要控制不同房间不同温度的，应采用变风量系统控制，如风机盘管。

（2）新风系统在空调使用过渡季节，采用室外自然冷源输送入室内，满足新风量及冷量的需要；夏季采用空气全热交换机组，通过带低温冷源的排风与室外输送入室内的高温新风进行热交换，降低室外送入新风温度，充分利用排风交换的能量，大大降低空调能耗。

（3）结合建筑主体结构及室内环境，改善建筑构造保温性能，减小冷热损失。如建筑外结构采用保温性能差的玻璃幕墙将直接影响设备配置及能源消耗。

（4）室内管道采用节能产品及材料，提高绝热性，选择末端设备具有控流量、风量、温度功能的产品。

3.6 暖通空调系统导入BIM 技术节能设计

设计阶段结合建筑设计模型（BIM）技术进行优化图纸设计，通过对建筑数据和设计方案进行整体分析，更精准计算暖通空调系统负荷参数，准确配置区间设备功率大小，减小设计误差。特别在大、中型的暖通空调系统，在已有的设计方案基础上，进一步优化系统，计算管网水力损失、冷热负荷，为方案决策提供科学依据，精准选择制冷机组、冷冻泵、冷却泵、冷却塔型号及组合数量，降低投资及系统运行能耗。建造设计中应用BIM 技术汇集各专业数据，搭建数字模型可以通过三维技术和数字技术对设计数据和施工信息完整表达出来，其可视化和模拟性能有效提高方案设计质量和施工安装技术水平。如对设备安装标高、管线走向路径、综合排布仿真模拟，将二维设计图转变为三维立体模型，把实际问题清晰显示出来。方案设计是否合理或所存在的问题，设计人员通过三维图一目了然，有效防止管线间相互碰撞，合理处置与消防、电气、给排水等专业设施、管道的空间定位或其他问题，避免管路水循环系统不畅通或形成气囊，保证空调系统的制冷效果，同时节约能耗。BIM 技术不但具有视化性、模拟性、优化性，同时也具有信息完备性、信息关联性、信息一性[4]，设计人员可以根据动态信息或业主要求随时优化设计参数或设计变更，大大提高工作效率。

3.7 暖通空调系统水质处理节能设计

由于水系统中含有大量的钙镁离子，其在温度及二氧化碳作用下析出晶体，系统长期运行后晶体不断沉积于换热器及管道表面，形成的常见水垢，其增加管道阻力及降低冷凝器、蒸发器热交换效果，严重制约机组最佳运行状态，使制冷机组性能下降，增加了水泵、制冷机组运行功率，增加了能耗。相关资料表明:当冷凝器水垢厚度达0.5 mm 时，制冷机组能耗增加约20%，冷凝温度每上升1 ℃，机组制冷性能下降2%，管道水垢每增加0.15 mm，水泵能耗增加15%。由此，在做方案设计时要充分考虑上述诸因素，在系统管道增设降低水垢或去除水垢装置，如电子除垢仪。科学进行水质处理，减小系统中运行的不利因素，有利于提高设备运行效率，延长寿命，节省能耗。

3.8 暖通空调系统室内冷凝水合理利用节能设计

空调室内冷凝水有两个明显特点:

（1）温度较低，根据空气调节原理可知，当空气温度低于其露点温度，空气中的湿空气就会形成凝结水，即产生冷凝水，冷凝水通常较冷冻水回水温度高5 ～6 ℃。测试数据表明，当冷冻水供水温度为8.0～9.1 ℃，回水温度13.0 ～14.0 ℃时，室内冷凝水排出管口水温为18.2 ～19.5 ℃，夏季室外温度33.5 ℃以上，冷凝水是一个很好的冷源。

（2）冷凝水产量不但与空调系统运行时间有关，还与空气的温度、湿度、表冷器蒸发温度、蒸发面积、风量、冷量有很大的关系。

经计算与测试表明风机盘管及制冷风柜，冷负荷当量产冷凝水约0.5 ～0.6 kg/kW·h，新风机组冷负荷当量产冷凝水0.6 ～0.7 kg/kW·h[5]。若设计系统冷源制冷量3500 kW，室内配置冷负荷总冷量4200 kW，系统每天运行时间15 h，室内负荷利用率按75 %计算，则收集冷凝水4200 kW × 0.6 kg/kW·h × 15 h ×75% = 23625 kg，相当23.6 m3/天；系统冷源制冷量3500 kW 对应配置冷却塔循环水流量为3 500 kW ×0.215 m3/ kW·h = 752 .5 m3/h（标准工况下每kW 冷量配比水流量按0.172 m3/h，冷却水流量取冷冻水的1.25 倍，即0.172 m3/h × 1.25 = 0.215 m3/h），冷却塔水损失量一般在0.8% ～1.5%，取1. 5%则补水量为752.5 m3/h × 1.5% = 11.3 m3/h；每天运行按15 h 计算，侧总补水量为11.3 m3/h × 15 h = 169.3 m3，每天节约率23.6 m3÷ 169.3 m3= 13.9%。节约用水量转换经济价值，每立方水按4.0 元计算，每个月相当节约费用30 天× 23.6 × m3/天× 4 元/ m3= 2832 元，每年按6 个月计算，每年节省费用2832 元/月× 6 月=16992 元。

由此可见，对于冷负荷较大的大、中型的中央空调系统，夏季制冷运行时，末端制冷设备产生大量的冷凝水，并将其利用于冷却系统补水，大大节约水资源，具有很大的经济意义。同时，利用冷凝水具有冷源低温的特点，对降低冷却水也有很大作用，正常工况下冷却塔集水盘出水温度30.0 ～32.0 ℃，回水温度35.0 ～37.0 ℃，当加入18.2 ～19.5 ℃冷凝水补水时，无需消耗电功率就可以抵消部分热量，使冷却水在冷却塔原散热的基础上，进一步降低温度，低温的冷却水更有利于降低制冷机组冷凝温度，提高制冷系数，减小能耗。传统做法是把冷凝水直接排放，不再利用，其实这是一种水资源及能源的浪费。故此，技术方案设计需考虑冷凝水回收合理利用的积极因素。

3.9 暖通空调系统管理节能设计

采用节能管理系统（合同能源管理）管理运行，集中管理分散控制。该系统根据室内冷热负荷变化智能调节冷热源机组投入运的台数或调节容量，综合运用恒流量变温差、变流量变温差或供水温度不变提高回水温度等控制策略及调节方式控制冷量。基于暖通空调系统使用是动态的、受干扰因素多，具有不确定性，外部气象参数的变化直接影响系统机组运行相互耦合特性、系统运行效率。节能管理系统运行，通过计算机技术、变频技术、系统集成技术及终端传感触角、网络全方位对冷热源机组、末端设备、室内参数自动监测、收集、反馈、分析处理、存储，适时自动调节控制，并实时提供数据给管理者。这种管理方式能让管理者随时撑握系统运行参数及能源消耗情况，系统节省能耗率占整个系统暖通空调功率的21%。