暖通空调节能技术在建筑工程中的应用

罗东光

1 引言

近年来我国建筑工程市场飞速发展，由此导致的大量能源消耗与环境污染问题层出不穷。建筑能耗在我国社会总能耗中占比高达25～30%，且还在不断增加。在我国民用建筑当中，能源的损耗主要来源于以下几个方面：照明采暖、空调、通风、生活用水等。相关的统计资料显示，仅空调、通风以及采暖这三方面的能耗就占能源损耗总量的50～65%。这就提示我们，今后建筑工程的重点之一就是有效利用暖通空调节能技术，并由此降低我国建筑的整体能耗，达到节能减排的目标。

2 暖通空调节能技术的重要性

我国自进入21世纪以来，现代化建设的步伐明显加快，建筑工程方面，暖通空调系统的广泛应用导致了大量的能源损耗，使我国原本就存在的资源匮乏情况进一步加深。建筑工程暖通空调设备的正常运转需要依赖大量的不可再生能源（如煤炭），这些能源的转化与利用在很大程度上依靠电能的供应。尤其是当夏季来临，用户的制冷需求会导致空调负荷的大量投入，此时若不采取有效的节能技术控制空调负荷的用电量，电力紧张的情况势必会更加严重，因此暖通空调节能技术的应用迫在眉睫。

相关资料表明，以我国目前的暖通空调节能技术研究程度来看，现阶段我国暖通空调节能技术有着良好的应用前景，预计能使暖通空调设备的能耗降低至现有水平的65～80%，有效改善我国能源损耗现状。从我国现阶段的暖通空调设备的使用情况来看，暖通空调节能技术有着广阔的优化与改进空间。可以预见的是，随着对现有技术的不断完善与升级，暖通空调系统可以在满足人民生活需求的同时，有效改善我国的生态环境现状。

3 暖通空调节能新技术

3.1 变频技术

变频技术作为一种综合性技术，被广泛运用到各行各业的发展中，变频空调就是变频技术应用在暖通空调上的产物。压缩机是暖通空调的重要组成部分，在空调制冷工况下，整个空调系统耗电量的40%都由压缩机消耗，传统的暖通空调根据系统预设的工况（即220V、50Hz）条件下工作，当建筑内外温差不大，温控需求比较低，空调系统负荷较小的情况下，暖通空调依旧按设定功率工作，不能根据外部环境变化做出相应调整，这就会导致大量电能的浪费。

变频空调的原理是通过变频器改变空调制冷压缩机的供电频率，从而达到改变制冷功率的目的，其需要的启动电压低，当供电电压或者外部环境温度较低时，变频空调可以正常启动，这就意味着变频空调可以在一些环境恶劣的地区（如供电电压不稳定、工作温度低）持续、可靠地工作。变频空调可通过内置的传感器测定室内温度，进而通过改变空调压缩机的转速来调节制冷量，为人们提供舒适的生活、工作环境。变频技术赋予了暖通空调内置压缩机无级变速的能力，可以有效应对大面积、大范围的制冷、制热需求。变频空调分为两种，分别是交流变频空调和直流变频空调，交流变频空调的工作原理是测量工作环境温度与空调内的预设温度间的温度差，将该差值输入频率控制器，产生特定的频率信号，由该信号控制加在压缩机的电机上的电压，改变压缩机的转速和制冷量。直流变频空调的工作原理是通过改变加在永久磁铁上的电压控制转子的转速，进而实现制冷、制热需求。

表1 变频空调与传统空调的比较

目前，国内外的空调均已广泛采用变频技术，特别是日本国内非变频空调的数量只占空调总数的10～20%，变频技术带来的节能效益也十分显著，通过对压缩机安装变频装置，可以使空调系统的耗电量降低到原水平的70%以下。

3.2 温湿度独立控制技术

暖通空调的主要功能有两个：①降低室内环境温度；②降低室内环境湿度。一般用于第二种用途的空调负荷占到空调总负荷的40%左右，占比相当高，而这种负荷属于显热负荷，使用低温冷媒处理规模庞大的显热负荷，必然会导致冷源效率的降低。采用温湿度独立控制技术的空调可以有效避免这种情况的发生，该技术已成为近年来空调技术领域内的研究热点。温湿度独立控制技术的原理如下：室内环境湿度的降低可以通过向室内送入经过除湿环节后的室外新风达到，这样一来既满足了降低湿度的要求，也达到了输送新鲜空气的目的；另一方面，室内温度的降低可以通过独立的水系统实现，该系统使用的循环水温度在18～20℃，通过辐射或对流型末端来达到降低室内温度的目的。这种技术的运用可以达到一举三得的效果：①可以避免降温、除湿两种矛盾需求带来的冷热抵消；②可以用独立水系统中的高温冷源吸收显热，大幅提高冷源效率；③可以提高室内空气质量，改善室内工作生活的舒适度，因此该技术被普遍认为是未来空调的主流技术。不过该项技术尚处于攻坚阶段，一个需要攻克的重点就是如何对室外新风进行高效除湿。我国国内已有高校开发出了一种除湿转轮，有望发展成为一种湿度独立控制的室外新风处理方法。

3.3 蓄冷技术

空调蓄冷的原理是在电网负荷处于低谷、电价较低时将冷能储存起来，当制冷需求较大或电网负荷处于高峰、电价较高时，将预先储存的冷能释放出来，以满足电网负荷较大时人们生活工作的制冷需求，可以简称为“削峰填谷”。

蓄冷技术的使用可以达到合理使用能量的目的，一般来说，空调蓄冷系统的制冷设备容量占常规空调系统容量的50～70%，较低的容量意味着制冷剂使用量的降低，也意味着噪音的减少和工作环境的改善等。此外，蓄冷系统的工作时间一般在夜间，此时冷却水的温度必白天低，因此冷凝温度叫白天也有了显著降低，间接提高了制冷系统的效率，降低了电能的消耗。

3.4 热泵技术

热泵的工作原理与制冷原理类似，不同的是与空调中的制冷系统相比，热泵多了一个四通阀，热泵是将低温位的热量输送至高温位，以达到升温取暖的效果。在耗电量相同的情况下，热泵产生的热能可达三倍甚至四倍于电加热产生的热能，这充分证明了热泵是一种高效、节能、环境友好的采暖方式。科学统计表明，煤电的转化效率约为30%，在这一前提下，热泵的效率系数必须大于三才能真正意义上成为一种节能的取暖措施。如今热泵技术已经十分成熟，其应用的难点在于如何尽可能地使效率系数更高。虽然要达到足够高的效率系数还面临着很多挑战，但是热泵技术已经在无集中供暖、有燃煤限制的诸多地区发挥着它的节能作用。令人欣喜的是，国外研究人员已率先使热泵的效率系数达到甚至超过了3，比如日本近年来推出的以CO2为工作媒质的热泵型热水器的效率系数、最新研制出的空调系统在冬季时供热状态下的效率系数都已经突破了3的大关，正在向着“效率系数达到4”这一新目标发展。

3.5 数字化管理节能控制技术

暖通空调的运行管理是一项十分重要的任务，技术参数设计或管理规范存在的缺陷可以通过空调系统的运行节能控制来弥补，运行节能控制的应用可以对设备的运行状态进行评估和修正，能够使能源消耗向着更加精确细化的方向进行。实现节能控制的最理想途径是数字化自动控制系统，其主要功能是对建筑物内的各种设备进行工况监测、功能管理和相关数据测量，能够以其智能、高效的特点保证建筑物内的设备安全、可靠地运行，最大程度上节省人力和资源。因此，实现建筑智能化和空调的自控管理，是暖通空调的必然发展趋势。

4 工程实例

本文选取上海某繁华地区商办楼空调系统作为工程实例。

4.1 冷热源

根据工程定位需求及节能方面的考虑，空调冷源选用四台高性能离心式变频电制冷机组，同时选用一台水冷螺杆式电制冷机组用以辅助调节，空调系统的热源选用三台真空燃气热水锅炉。

4.2 空调水系统

空调水系统采用机械循环四管异程式，一次泵变频变流量系统。离心式冷水机组配备五台变频冷冻水泵；螺杆式冷水机组配备两台定频冷冻水泵，真空锅炉配备四台变频热水泵。冷冻水、热水系统均配备有分集水器，分集水器均为三路配备，一路为商业空调，一路为办公塔楼，一路作为备用。

图1 冷源水系统示意图

4.3 冷却水泵

离心式冷水机组配备五台变频冷却水泵，螺杆式冷水机组配备两台定频冷却水泵，塔楼屋面层配备八台开式横流冷却塔，各冷却塔风扇均配备有变频器及防冻电加热器。此工程还配备有余热利用系统，市政给水可以通过容积式换热器与冷却水换热后作为居民用热水的预热环节。

由于计算机机房、通讯设备房的空调需求较为特殊，此工程在塔楼屋面层设置24h冷却水系统，为4～27层办公楼标准层供应冷却水。系统配备三台闭式冷却塔，其中两台投入使用，一台作为备用。整个冷却水系统结构为竖向、横向皆同程，以满足系统的水力平衡需求。

4.4 空调节能自动控制系统

此工程采用了只能楼宇自动控制系统。系统配备一套设备能耗及效率监测中心，逐时对系统内主要设备的工作状态参数进行计算，并能在检测到异常状态时发出信号，将相关设备的运行频率修改为指定值，达到不断优化的目的，以降低空调系统的能耗。

5 结束语

综上所述，我国正全力推进现代化建设，在这一大背景下，建筑工程也在飞速发展。暖通空调的广泛应用使得社会各界开始关注暖通空调节能技术研究，暖通空调节能技术的应用不仅可以加快我国的建设步伐，也符合节能减排和可持续发展的要求。随着暖通空调节能技术的完善和进步，我国建筑工程市场必将再上一个台阶，进一步贯彻落实科学发展观。

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