暖通空调系统现行节能技术问题的探讨及分析

赵青玲，陈灵阁，户澳文

（华北水利水电大学环境与市政工程学院，郑州 450046）

随着国民经济的增长和人们生活水平的提高，民众对生活的舒适性要求也越来越高，极大地促进了暖通空调系统的推广和普及，同时造就了暖通空调能耗所占建筑能耗的比例亦越来越大[1]，据资料显示，目前，暖通空调的能耗已占建筑能耗的30%～50%[2]。当前，空调系统运行的动力以常规能源生产的电能为主，空调系统应用规模的扩大间接地提高了常规能源耗量及其燃烧带来的环境污染问题。因此，如何降低空调系统能耗目前已经成为人们研究的一个热点。

1 暖通空调系统的节能措施和应用分析

研究表明，暖通空调系统的耗能主要包括建筑物耗能和空调系统的耗能。目前的建筑普遍存在耗能大、效率低、围护结构的保温隔热性能差等问题，并且具有夏季空调用电量大和冬季采暖能耗高的特点。空调系统本身在设计、生产、安装和使用方面也存在很多问题。因此，为了降低暖通空调系统运行过程中的能耗，达到节能的目的，人们从建筑物的材料、结构、暖通空调系统运行的替代能源及暖通空调系统自身技术的改进和提高等方面进行了研究。

1.1 降低围护结构的散热量

外围护结构是房屋的主要组成部分，主要包括墙体、门窗和屋顶等。在采暖过程中，透过外围护结构散失的热量占总热损失的比例较大，赵士怀等人研究表明：北方地区公共建筑采暖空调能耗中，建筑外围护结构传热耗能占比为40%～50%[3]，建筑围护结构的热工性能与建筑结构形式、构造方式及构造选材有关。不同的建筑结构类型直接导致围护结构选择的不同，从而影响其热工性能的改变。使用导热系数小的保温材料，将会大幅度地降低围护结构的传热系数[4]。

1.1.1 围护结构的设计

墙体是外围护结构的重要组成部分，目前大多数墙体只能满足承重的作用，难以满足保温的性能要求。因此，复合墙体应运而生，并得到广泛的利用[5]。复合墙体的本质是墙体加一层保温层。保温层的主要作用是减少房间内热量的散失，提高供热量的利用率，从而达到节能的目的。目前，复合墙体的保温层的位置有内保温、外保温和中间保温三种。由于内保温和中间保温难以避免“热桥”现象的产生，“热桥”现象会导致墙体出现裂纹，从而降低墙体的保温性能，还有可能导致住宅的可使用面积减小[6]。外保温方式的保温性能好而且可以避免墙体内部出现冷凝的现象。因此，目前在做复合墙体设计时，多采用外保温的方式[7]。

门窗是建筑最主要的散热构件，是建筑节能的最薄弱环节。因为大部分门窗的保温性较差，室内热量散失较多，门窗面积越大，传热量越大。因此，在设计门窗时，应根据不同地区的不同气候设计好窗体比。根据国家居住建筑节能设计标准规定，寒冷地区住宅各朝向的窗墙比取值要求分别为：北向窗≤0.3、东西向窗≤0.35和南向窗≤0.5[4]。在广东和广西等温热湿润的地方，则可以设计较大的窗墙比，夏季可以利用南向的窗户进行自然通风降低房间温湿度，冬季则可以得到更多的太阳辐射热。普通民用建筑应减少落地窗的设计，以减小通过窗框和窗玻璃散失的热量。同时也可以使用窗帘来减少传热损失，还可以增加门窗的热工特性。增强门窗的严密性，窗框部分也可以选用节能效果比较好的“热断桥”型材。

屋顶降低耗能常采用以下几种设计方法：1）采用架空屋顶。在屋顶设置遮阳板，遮阳板下部再设置具有通风作用的架空板，遮阳板可以阻挡一部分的太阳辐射热，遮阳板自身所吸收的热量可以通过对流换热的作用传递到架空板空气中随风散失掉。这种方法一般应用在通风较好的平屋面上，较大的风量能有效地带走热量，但是对于夏季风量小的地区和通风差的建筑不宜采用，对于寒冷地区，这种方式会降低屋面温度，使室温降低，也不宜采用。2）采用蓄水屋顶。此方法是在平面屋顶设置3～5 cm的蓄水层，利用水的蓄热和蒸发特性，可以有效减少通过屋顶的传热量，进而起到有效的保温隔热作用。缺点是水会蒸发，尤其是在夏季，蒸发更快，需要时刻注意水量并及时补充水，将造成一定程度上水资源的浪费，另外水具有渗透性，若屋顶的建筑材料不够好，则可能出现渗水的现象，不仅会导致房屋的保温性能下降，还会降低房屋的寿命。3）采用植被屋顶，即在屋顶上铺一层土，并种植一些绿色植物，通过植物的覆盖作用以及蒸腾作用来降低太阳辐射热对屋顶的影响。杨子江研究表明[8]建筑屋顶绿化可明显降低建筑物周围环境温度(0.5～4.0℃)，而建筑物周围环境温度每降低1℃，建筑物内部空调的能耗可降低6%，对低层大面积的建筑物，由于屋顶面积比墙面面积大，夏季从屋面进入室内的热量占总围护结构得热量的70%以上，绿化的屋顶外表面最高温度比不绿化的屋面外表面最高温度可低20℃以上[8]。但由于屋顶的土层厚度有限，种植的植物扎根深度相对较浅，难以抵挡风雨的作用，因此，这种方法只适用于弱风的情况，而且植物还需要专门的人员打理，比较繁琐。

1.1.2 围护结构的保温材料

材料是影响围护结构热工性能的一个主要因素，建筑部位不同，围护结构的作用也不同，例如窗体材料需要良好的透光性，而墙体材料需要较强的抗压能力，这就需要在选材时既要考虑其应用部位又要兼顾其热工性能。

用于建筑墙体的保温材料主要有矿棉、岩棉、聚苯乙烯泡沫塑料板和聚氨酯等。其中，聚苯乙烯泡沫塑料板和聚氨酯的材料易得，它们具有比强度高和保温导热系数小等优点，但其燃烧性能等级为B2，一般不能用于高度大于24 m的建筑或人员密集的建筑的外保温材料，若采用，应用不燃材料做防护层，施工相对繁琐，而且聚氨酯保温材料对太阳光的反射率较低，在夏季不能很好地隔绝太阳辐射热，会增加夏季空调的冷负荷。岩棉和矿棉常用于高层建筑的外保温材料，其燃烧性能为A级，属于不可燃材料，但由于岩棉板的压缩强度较低，纤维层不利于施工和环保，价格较高，随着岩棉板做外围护结构保温材料的技术的进步，相信未来岩棉板在围护结构保温材料方面有广阔的应用前景[9]。

提高门窗的保温隔热性能，既要提高材料（玻璃、窗框、门板材料）的热工性能又要兼顾其光学性能。在商业和工业建筑中经常采用低辐射的LOW-E玻璃作为窗户材料，LOW-E玻璃因其镀膜面的辐射率可以小到0.08～0.15，是普通玻璃表面辐射率(0.84)的1/5～1/10，所以LOW-E玻璃有比较低的表面辐射率，在夏季既可以降低周围物体短波辐射传热透过玻璃的效率，也对长波辐射热有较高的反射率，因此可以阻止来自室外各方的辐射热进入室内，冬季可以将照明设备、采暖设备和人体表面产生的长波辐射热反射回室内，从而就有效地阻止冬季室内辐射热的外泄，大大提高了能源的利用率[10]。但是与传统玻璃相比，LOW-E玻璃存在透光率较低，容易氧化的缺点。

屋顶保温材料常用的有聚氨酯硬泡、聚苯板隔热层和FB新型复合屋面板等。聚氨酯硬泡具有热导率小、隔热性能好、吸水率低和施工方便等优点，但由于技术原因，目前聚氨酯硬泡保温材料的利用还处于起步阶段，随着技术的发展，聚氨酯硬泡具有很大的利用前景。聚苯板隔热层的保温效果较好，而且价格低廉，在相同的保温效果下，聚苯板的成本更低，节省资金，但聚苯板的阻燃性能不好，施工性能也较差。FB新型复合屋面板采用轻质结构板、保温板和空气层三层保温隔热层，保温隔热效果明显优于传统屋面。另外，它采用结构板自身刚性防水和TS卷材柔性防水的复合防水体系，板接缝处采用密封材料嵌缝、密封和水卷材相结合的两道接缝处理，可取得刚柔并济和双重保险的防水效果。因此，FB新型屋面板具有重量轻、保温、隔热和防水等功能[11]，但造价相对较高。

1.2 利用其它资源降低暖通空调系统对常规能源的消耗

太阳能和风能是取之不尽和用之不竭的清洁能源，将风能和太阳能等能源应用于暖通空调系统中，能够有效降低暖通空调系统对常规能源的消耗。

1.2.1 太阳能的利用

利用太阳能降低暖通空调系统对常规能源的消耗主要有直接利用和间接利用两种方式。直接利用就是使太阳光照射到室内，通过短波辐射加热室内物体表面的方式或者通过太阳能热水器加热水满足人们对热水的需要[12]。中国建筑科学研究院的近零能耗办公楼夏天利用太阳能制冷，使空调能耗比普通建筑降低50%，照明能耗相对一般建筑要降低75%[13]。太阳能的直接利用具有利用率较高、安全和节能的优点，但是受天气、季节和地域等因素的影响较大，不能完全满足人们的季节性需求。

间接利用是将太阳能转换为电能应用于暖通空调系统中。近年来光伏发电技术已日趋成熟，将太阳能转换为电能驱动传统的制冷供暖设施，或者为热泵提供电能而用于冷源和热源装置。将太阳能转换为电能受天气等因素的影响小、并且可以收集、储存和运输；但由于能量的转换往往会伴随着能量的损失，所以这种方式对太阳能的利用率并不理想。根据孟华等人的研究显示，由于压缩机中一般尚未考虑光伏系统的特性，因此整个系统效率较低，相应成本相比以热能为动力的制冷循环要高3～4倍[12]。所以太阳能的高效利用可以从如何提高太阳能发电效率及在传统的制冷供暖设施尽可能地直接利用太阳能减少能量的转换两方面进行研究，例如可以用太阳能直接加热集热器内的低沸点介质，使其气化后进入汽轮机，驱动制冷设备工作。

1.2.2 风能的利用

将自然风应用到暖通空调系统中，不但可以保护环境，也可降低通风所需的能耗[14]。根据风压或热压技术原理，通过科学合理地对室内通风管路系统进行设计，利用设备的余热模仿热压作用下的自然通风模型，可以使通风系统的能耗降到最低甚至是完全的自然通风。研究显示，自然通风仅在冷却通风方面起到的作用，就可以降低能耗达45%以上[15]。这种方式的缺点是新风的舒适性没有保证，并且需要根据实际情况进行特殊的设计，耗费大量的人力，另外，目前这种概念还没有被人们普遍认可，相关技术的研究还不全面，急需利用这种概念建设一栋具有代表性的建筑，来推进相关的研究和发展。

1.2.3 其它能源的利用

地源热泵技术在空调中的应用具有较为突出的节能效益与经济效益，因此，应用于建筑暖通空调系统中不仅可以有效解决建筑供暖问题，而且系统制冷方面也有很大的优势[16]。比如：冬天地源热泵空调吸收土壤、地下水和地表水的能量，向建筑中提供热能，夏天向土壤、地下水和地表水释放一定的热量，实践证明地源热泵空调系统夏季制冷效率可比空气源空调制冷装置提高1倍以上，而且冷暖供应时系统比空气源制冷和燃煤锅炉供暖降低能耗约50%以上[17]。地源热泵空调技术相对成熟，也可以以并联或串联的方式与太阳能联合应用。缺点是造价较高，为了达到其经济性，主要应用于居民住宅、商业用户和学校等大型用户，若为独立的单个用户提供热量，将会极大地造成能源浪费。为此，急需技术上的突破，使地源热泵也能为独立的单个用户供暖。

1.3 暖通空调系统自身技术的改进和提高

1.3.1 自控技术在暖通空调系统节能中的应用

自控技术可以实现对建筑物的室内温度、湿度和风速等参数进行实时地在线监测，并对暖通空调的运行状况进行实时地自动化控制，在确保室内环境舒适度的前提下，降低能源的损耗[18]。比如：中央空调机房节能集控系统就是利用自控技术实时监控空调负荷的动态变化，然后根据监测到负荷的变化来调节设备的运行状态，在满足用户需要的前提下使设备能耗最低。这种系统具有高度的智能化，节省了大量人力，体现了管理的效益，实现了物管水平的高端化。自控技术在暖通空调节能中的应用拥有广阔前景。

1.3.2 变频技术在暖通空调系统节能中的应用

空调系统是按照所有用户同时使用和工作环境最恶劣的最大负荷进行设计和安装，而实际运行中95%以上时间空调系统处于低负荷状态，于是变频技术应运而生。VRV空调系统是典型的多元变频，其变频装置接受主板传来的相关参数，采用“模糊逻辑”专用软件自动准确地分析空调系统负荷变化，并利用变频技术实时改变压缩机的频率和压缩机排气口压力调节系统中的水流量或风量，从而达到降低能耗的效果。这种系统的年均节电率在40%以上，能够显著降低运行费用[19]。但这种系统由于调节部件和管道接头多，存在制冷剂泄露、稳定性和节能性控制的问题尚待人们进一步研究。

1.3.3 热回收技术在暖通空调系统节能中的应用

众所周知，空调机组在运行过程中会排出多余的热，这种现象不仅增加了空调系统的能耗并且给周围环境造成了热污染。热回收技术就是要尽可能将这部分热再次利用，以此减小甚至避免能量的浪费。原理是在压缩机与冷凝器之间增加一个水热交换器，水热交换器将制冷工质吸收的热量排放给生活用水，使生活用水加热到一定温度，实现制冷机组的热回收。当活塞式压缩机的高压达13 kgf/cm2左右时，其排出温度高达100℃左右，通过热交换器加热的热水一般可达60℃，最高温度可达80℃左右，热回收效率达70%左右。热回收技术可以提高能量的利用率，减少热排放对环境的影响；但是其设备难以布置，且前期投入较高，因此限制了其推广和应用。

2 结语

综上所述，暖通空调作为现代建筑的重要组成部分，当前的节能技术有很多，各有优缺点。为实现节能降耗目标和推进建筑行业节能减排工作，应进一步加强空调系统节能降耗技术的研究，同时在应用时，尽可能地对各种节能技术进行综合利用，将暖通空调系统的能耗降到最低，不断推动现代建筑沿着节能、环保和绿色方向的发展。