城市空调系统能源的可持续发展分析

梁慧敏 杨晓青

（河北工业职业技术大学建筑工程系 河北石家庄 050000）

0 引言

能源一直是全世界重点关注的问题，尤其近几年能源供不应求，存在着前所未有的挑战。美国的建筑能耗已经占到了总能耗的36%［1］。而我国每年的能耗逐年增加，但是能源的利用率与世界先进水平相比却存在着较大差距，能源的生产量远远低于能源的消耗量。我国又是人口众多、资源相对不足的发展中国家。近年来，我国建筑能耗也在不断升高，目前我国建筑全过程能耗总量为22.7 亿tce，占全国能源消费总量的45.5%。为了到2060 年前城乡建设方式全面实现绿色低碳转型，提高城市空调系统能源的利用效率是未来的发展方向。

1 城市空调系统节能的重要性

为了让人们得到更舒适的居住环境，建筑空调系统应运而生。在20 世纪初，美国开利公司首次实现了空调系统的全年运行，标志着人们不再饱受室外恶劣气候的影响，可以满足人类生活和工作需要。同时空调系统的诞生也造成了能源的大量消耗。在我国，城市的建设促使建筑业飞速发展，越来越多的人认为空调不再是奢侈品，因此，中央空调系统也成为了建筑能耗大户。中央空调系统是建筑设备能耗中最大的部分，占比达到了建筑能耗总量的40%～60%［2］。据有关专家统计全国485 栋建筑，总计2 088.853 万m2的建筑能耗的调查问卷及现场测试与分析，得到各类公共建筑的能耗。表1 为北京某商场、高级宾馆和写字楼3 类公共建筑的4 种典型能耗现 状［3］。

表1 公共建筑能耗分析 （%）

调查显示，北京某商场、高级宾馆和写字楼其中的设备能耗主要包括空调、照明、电梯等，其中，3 种建筑中设备的能耗占比最大的是空调能耗，商场能耗最高达到了50%，其次便是宾馆与写字楼。因此，城市空调系统的能源消耗将是建筑节能最重要的研究对象。

2 城市空调系统能耗存在的问题

2.1 空调系统设计方法不科学

目前，有相当一部分公共建筑空调系统都存在能耗高的问题，而造成这些问题的主要因素便是设计方案不合理和施工图纸不精确，例如：水泵容量选择过大，冷热源方式选择不合理；中央空调中的水泵、风机等设备，不会根据实际的负荷状态进行调整，出现资源损耗过大的问题［4］；在设计方案中存在许多耗能隐患，最终导致空调系统在实际运行中能效很低；空调施工图纸不够精确，导致施工人员无法将管道位置精确控制，在安装的过程当中，施工人员按照自己的意愿随意改动，在技术上造成管道定位偏差较大，甚至出现管道交叉严重，空调系统水耗能较大而空调系统又无法实现改造和调节，最终造成无法解决的局面。解决这些问题就需要设计者在最初阶段，将图纸设计地足够精细，并且分析清楚。例如，重点分析制冷机房的能耗，减小设备耗电量和耗水量，冷热源方式选择合理得当；提升图纸的精确度，多方面考虑在施工中施工技术人员的安全便捷问题，从大局出发，合理布置管道，这样既可以减少能耗又能减少人力物力消耗，保证整个空调系统从设计到施工验收及后续维护的整体质量。

2.2 安装施工质量粗糙

施工质量粗糙也是空调系统安装施工中存在的普遍现象，比如风机盘管温控器漏接线、冷冻水泵和冷却水泵装反、水管保温措施安装材料减少以及空调管道存在大量结露滴水问题，这些问题常常得不到重视。而这些问题的存在与施工人员的施工素质有很大关系，例如：在施工过程中对一些施工问题视而不见，安装完成后也不再进行调试运行，管理者也不闻不问，为日后的空调系统良好运行埋下了很多隐患；在保温措施这块简化严重，大量制冷管道与空气接触凝结造成结露现象，空调管道年久失修，能耗只增不减。所以，要想解决这些问题就需要实行工程质量监管与验收机制，及施工人员的培训、持证上岗的管理制度。在设计者完成设计规划、不存在图纸改动问题的前提下，施工人员必须要严格按照图纸进行施工，并且按照进度计划逐步完成施工进度，杜绝偷工减料、严禁出现技术问题、提高施工质量，保证空调系统的平稳运行。因此建立强有力的工程验收机制，确保工程实施质量，是提高公共建筑节能的一个重要因素。

2.3 运行管理维护不到位

（1）绝大多数空调系统的运行维护管理，往往依靠的是运行维护人员的经验和设备运转的程度，而非直观的运行数据与参考工具，运行可靠性低，存在安全隐患。

（2）智能化建筑并未体现出来，比如建筑设备自动化水平低，关于空调系统能源管理的方法并没有具体实施，空调系统设计与自动控制、调试与施工没有很好的结合，导致了空调系统运行效果不佳。空调系统还存在着凭经验的手动调节，最终造成设备无法及时检修和调节；空调供冷、供热时冷时热；管道跑冒滴漏和严重结垢；这些都造成了大量的能源浪费［5］。

（3）当城市中央空调系统保持长期运行的状态下，许多设备管理者并不掌握专业的节能环保知识，若设备的清洁及处理得不到保障，最终也是导致空调系统中出现了大量的污垢杂质，设备的使用寿命严重降低，空调系统的能源消耗大大增加。

（4）在使用空调时，并没有按照室外参数的变化来调节温度，这不仅增加了中央空调系统的耗能，而且也限制了中央空调系统的节能管理［8］。

所以，首先要重视空调系统后期维护的工作落实问题，建立健全的空调系统维护管理体系，做到安装完成后检测抽查，维护管理人员培训上岗，增强专业素质与责任心，做好设备维修管理工作。另外，空调系统的最初设计是保持系统高效运行的根本，设计之初就需要对空调系统进行合理的诊断与优化。对设计方案进行严格审查，分析建筑空调系统内部全年能耗，设计时就要考虑到这些不必要的耗能，从而减少和避免空调系统的高能耗。

3 针对制冷机房系统的能耗对比分析

制冷机房一直都是空调系统能耗最大的支出，占到空调总损耗的60%以上。若制冷系统没有提前设定固定的温度，制冷机房始终处于工作中，这样电力系统就一直工作，大大增加了能源的损耗［4］。因此，以北京某六层办公建筑空调系统为例，分析其制冷机房主要设备功率随室外环境温度变化而改变的逐时值。该系统采用制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵各1 台，通过优化控制得到不同时刻设备的功率与传统不加控制的设备功率比较数据，如表2 所示。

表2 日空调制冷机房优化设备与实际设备功率比较 单位：kW

分析结果表明，不同时刻，根据室外环境温度不同，系统负荷发生变化，进而改变设定温度其运行能耗也发生了变化。与设定固定的温度、制冷系统一直处于同一工作状态下对比，制冷机组、冷冻水泵、冷却水泵每一项的优化功率都比实际功率减少了一半左右的能耗。其中，制冷机组优化后的功率在18∶00 时刻可以节约98.7 kW，节约了58%的能源。因此，通过对制冷机房设备的优化分析，采用变频泵控制系统流量，从而调节变温而引起的负荷变化，达到对系统最初的设计要求，以降低能源消耗。

4 可持续发展的绿色空调系统

随着现代科学技术的进步，大量不合理开发利用能源也带来了前所未有的能源问题，开发新能源和新技术是当今社会发展的首要任务。

4.1 开发可再生能源

（1）适当利用地热和水源的能量。如能将地表层以下的地热资源和深层水源恰当利用好，将会节约大量的能源，因为此温度始终恒定不变，无需再加工，可以作到冬夏季转换使用。

（2）利用风能和太阳能。风能逐步被开发利用转换电能，用于空调系统的制冷部分。太阳能也可以用于空调制冷和采暖系统中。这2 种能源皆是绿色环保、无污染的能源，也为我国能源的可持续发展提供了好的方向。

（3）其他能源的利用。沿海地区的能源开发和应用也将是未来沿海城市的重点，可以利用丰富流动的海水动能来降低沿海地区空调系统的能耗，海潮能也是对生态环境较友好的能源，将有很大的上升空间。

4.2 应用空调节能新技术

（1）空调变水量与变风量的应用。变水量（变风量）空调技术是改变冷水量（和风量）以及根据室外环境的变化从而对室内不同温湿度进行控制，达到所供即所需的自动调节技术。据研究表明，如果将1 个定风量系统改成1 个变风量系统，将实现全年节能35%以上［6］。

（2）热回收技术。使用全热交换器对室内排除的污浊空气进行热回收是新兴的节能技术，有大约75%的热量得以回收；另外，采用冷凝热回收系统回收冷水机组中压缩机排出来的的过热气体，充分利用了制冷剂在冷凝过程中放出来的低温潜热，大大减少了冷却塔排放出来的热量，节省了系统冷却塔风机的耗电量，从而减少了环境的热污染，节约了大量加热热水的能量，特别适合用量较大的旅馆和酒店。这些热回收技术充分发挥了废热和余热的回收，为节约能源提供了很好的技术开发，也是今后可持续发展的长久有效的方式。

（3）地源热泵技术。这项技术适用于冬夏季转换的过程，在夏季使用的冷量是冬季储存在地下的冷量；在冬季使用的热量是夏季储存在地下的热量。低位热能应用于地源热泵系统中，热回收效率高，如地下水、土壤、工业余热及电厂冷却循环水等［7］。其中住宅使用的地源热泵系统，仅在冬季采暖就能减少60%左右的能耗［8］。

（4）空调节能优化系统技术。在设计中加入应用优化系统，结合建筑负荷的动态变化特性，对建筑空调系统进行优化运行，为实际空调运行节约了能源，也为空调系统今后的可持续发展奠定了基础。

5 结论

城市空调能耗在建筑能耗中占比最大，产生能耗的原因有许多种。比如空调系统设计方法不科学、安装施工质量粗糙、运行管理维护不到位。通过分析城市空调系统能耗存在的问题，并提出相应的解决办法，特别分析了在城市建筑中央空调系统设计中制冷机房系统的能耗对比，提出优化完善空调系统设计，采用变频泵控制系统流量，从而调节变温而引起的负荷变化，达到对系统最初的设计要求，以解决一大部分能耗的损失。同时，发展绿色空调系统的新能源，例如地源能、水源能、风能、太阳能、海潮能等。再者就是，应用空调节能新技术，例如变水量（变风量）空调、热回收技术、地源热泵技术和空调节能优化系统技术。如果空调系统长期处于大量的能源被浪费的情况下，会造成全球环境恶化的结果。所以，发展可持续的绿色空调系统是当前城市节能减排刻不容缓的大趋势。