浅谈对暖通空调设计方案及节能潜力的分析

　　摘要：在我国，随着人们生活水平的逐步提高，空调技术已经广泛应用，空调系统的节能问题备受关注，设计方案对暖通空调工程设计的成败优劣关系重大，文章从几个方面系统介绍空调系统设计节能的潜力，要想做到空调系统的节能，只有从设计、施工到运行管理各个部门的通力合作，才能真正地实现。

　　关键词：空调系统设计;节能;潜力

　　一、随着我国国民经济的发展、人民生活水平的提高，空调技术在民用建筑，如：医院、宾馆、旅馆、商店、办公楼、影剧院、体育馆、住宅等建筑中广泛应用，从而使建筑物的总能耗逐年增长。从而使全疆各地电力变的十分紧张，但所需能量却在迅速增长。随着现代化建设的发展，能源供应会更加紧张，将会影响经济的持续发展。一般中央空调能耗约占整个建筑总能耗的50%左右，对于商场和综合大楼可能要高达60%以上，因此节约空调系统能耗是刻不容缓的。 空调系统设计的节能是一个系统工程，要求在能源利用的各个环节和系统从规划到运转的全过程中贯彻节能的观点，才可能达到节能的效果，如果在某个环节上造成了能源的浪费，整个系统也不能说是节能的。

　　下面从空调系统的、施工到运行管理等方面谈谈空调系统设计节能的潜力。

　　二、改善建筑维护结构及其保温性能，减少冷热损失建筑物及其围护结构对节能的影响及设计方案比较

　　冷热负荷是空调系统最基础的数据，制冷机、供热锅炉、冷热水循环泵以及给房间送冷、送热的空调新风机组、风机盘管等规格型号的选择都是以冷热负荷为依据的。如果能减少建筑的冷热负荷，不仅可以减小制冷机、供热锅炉、冷热水循环泵、空调新风机组、风机盘管等的型号，降低空调系统的初投资，而且这些设备型号减小，所需的配电功率也会减少，这会造成变配电设备初投资减少以及上述空调设备日常运行耗电量减少，运行费用降低。所以减少冷热负荷是民用建筑节能最根本的措施。减少冷热负荷有以下一些具体措施：

　　(一)改善建筑的保温隔热性能

　　房间内冷热量的损失是通过房间的墙体、门窗、屋面等传递出去的。改善建筑的保温隔热性能可以直接有效地减少建筑物的冷热负荷。改善建筑的保温隔热性能可以从以下几个方面着手：1、合理控制窗墙比。窗墙面积比是影响建筑围护结构节能的主要因素。确定窗墙面积比要综合考虑多方面的因素，其中主要因素是不同地区冬夏季日照情况及日照时间、太阳总辐射强度、阳光入射角、季风、室外温度、室内采光设计标准及外窗开窗面积等。2、采用新型墙体材料与复合墙体围护结构。在经济条件允许的前提下，采用墙体保温材料对其进行保温处理。可在垂直外墙面设置阳台、挑檐等遮阳设施或采用浅色墙面、反射幕墙、植物覆盖等措施，对外墙进行太阳辐射隔离处理3、采用气密性好的门窗以减少空调房间冷(热)量渗漏，通过改进门窗结构，提高门窗气密性，可有效防止室内热量的散失。其中，加设密闭条是提高门窗气密性的有效手段。

　　(二)设计方案比较中的一些误区

　　由于设计方案比较是一项影响因素多、专业技术性很强的复杂技术工作，即使是暖通空调专业的设计人员，要在众多设计方案中选出最佳方案也非易事。目前在该项工作中仍然存在一些认识上的误区。例如，认为采用最新技术的设计方案就是最佳的设计方案，出现不管使用条件而盲目追求新技术的倾向，实际上每种方案都有其适用条件和范围，在其适用范围之外，先进的技术方案就可能变成不合理甚至是不可行的方案。一种设计方案对某个工程项目可能是最佳方案，但对于另一个工程项目就可能是不可行的方案，因此在方案选择时不能赶时髦、搞攀比。另外往往认为投资最低的方案就是最佳方案，但是一次投资低的方案有可能因为其运行费用很高或设备寿命很短，需要经常更换，从长期运行来说并不合算。在评价设计方案时，往往认为复杂的方案就是高水平的方案。但实际上因为系统越复杂，通常其设备越多、投资就越高，系统的可操作性、可控性和可维护性就越差，因此复杂的方案并不一定就是高水平的设计方案，在满足使用要求的前提下，系统越简单越好。此外，在选择设计方案时切忌不加分析地采用建设方的意见，因为建设方通常不是暖通空调专业设计人员，不可能对设计方案进行全面技术经济性分析比较。因此应对建设方的意见进行认真的分析，通过全面技术经济性分析比较来确定最佳的设计方案。

　　(三)控制和正确使用室外新风量

　　由于新风负荷占建筑物总负荷的20%～30%，控制和正确使用新风量是空调系统最有效的节能措施之一。由于新风负荷接近总负荷的1/3，所以要严格控制新风量的大小。除了严格控制新风量的大小之外，还要合理利用新风。春秋季，有些房间仍需供冷，此时当室外空气焓值小于室内空气设计状态的焓值时，可采用室外新风为室内降温，可减少冷机的开启量，节省能耗。

　　减少新风负荷应从以下两方面着手：1.不要随意提高最小新风量标准;2.杜绝非正常渠道引入新风。

　　三、提高冷源效率

　　(一)降低冷却水温度

　　由于冷却水温度越低，冷机的制冷系数越高。冷却水的供水温度每上升1℃，冷机的COP下降近4%。降低冷却水温度需要加强运行管理，停止的冷却塔的进出水管的阀门应该关闭，否则，来自停开的冷却塔的温度较高的水使混合后的水温提高，冷机的制冷系数就减低了。冷却塔使用一段时间后，应及时检修，否则冷却塔的效率会下降，不能充分地为冷却水降温。

　　(二)提高冷冻水温度

　　由于冷冻水温度越高，冷机的制冷效率越高，冷冻水供水温度提高1℃，冷机的制冷系数可提高3%，所以在日常运行中不要盲目降低冷冻水温度。例如，不要设置过低的冷机冷冻水设定温度;关闭停止运行的冷机的水阀，防止部分冷冻水走旁通管路，经过运行中的冷机的水量较少，冷冻水温度被冷机降低到过低的水平。

　　四、利用自然冷源

　　由于建筑室内的人员、照明灯光、电脑的设备等散热量的影响，在春秋季当室外空气温度较低时，室内空气温度仍然较高，仍需要供冷。尤其是大空间房间，此时如果开启冷机供冷，不仅由于此时冷负荷较小，冷机制冷系数较低、能耗大，而且极端不合理。

　　比较常见而且容易利用的自然冷源是春秋季的室外空气。由于较好的自然冷源是春秋季的室外冷空气，此时室外空气较低，可用于这种温度下的空气是较好的冷源，可用于空调系统新风机组供冷。

　　此外，冬夏季利用全热交换器回收冷热量，也可起到很大的节能作用。为了保证室内空气足够新鲜，满足人们的舒适要求，空调系统需要从室外抽取一定量新鲜空气送入室内，同时将室内污染物浓度较高的空气排至室外。而这部分排风的温度、湿度参数是室内的空调设计参数，冬季比室外空气热，夏季比室外空气冷。通过全热交换器，将排风的冷热量传递给新风，可以回收排风冷热量的70%～80%左右，有明显的节能作用。

　　五、减少水泵电耗

　　空调系统中的水泵不仅起着非常重要的作用，而且耗电量也非常大。空调水泵的耗电量占建筑总耗电量的8%～16%，占空调系统耗电量的15%～30%，所以水泵节能非常重要，节能潜力也比较大。减少空调水泵电耗可从以下几个方面着手：

　　(一)减小阀门、过滤器阻力

　　阀门和过滤器是空调水管路系统中主要的阻力部件。在空调系统的运行管理过程中，要定期清洗过滤器，如果过滤器被沉淀物堵塞，空调循环水流经过滤器的阻力会增加数倍。

　　阀门是调节管路阻力特性的主要部件，不同支路阻力不平衡时主要靠调节阀门开度来使各支路阻力平衡，以保证各个支路的水流量满足需要。由于阀门的阻力会增加水泵的扬程和电耗，所以应尽量避免使用阀门调节阻力的方法。

　　(二)提高水泵效率

　　水泵功率是指由原动机传到泵轴上的功率被流体利用的程度。水泵的效率随水泵工作状态点的不同从0～最大效率(一般80%左右)变化。在输送流体的要求相同，即要求的输出功率相同的条件下，如果水泵的效率较低，那么就需要较大的输入功率，水泵的能耗就会较大。因此，空调系统设计时要选择型号规格合适的水泵，使其工作在高效率状态点。空调系统运行管理时，也要注意让水泵工作在高效率状态点。

　　(三)设定合适的空调系统水流量

　　空调系统的水流量是由空调冷热负荷和空调水供回水温差决定的，空调水供回水温差越大，空调水流量越小，从而水泵的耗电量越小。但是空调水流量减少，流经制冷机的蒸发器时流速降低，引起换热系数降低，需要的换热面积增大，金属耗量增大。所以经过技术经济比较，空调冷冻水的供回水温差4℃～6℃较经济合理，空调热水的供回水温差10℃较经济合理，大多数空调系统都按照5℃的冷冻水供回水温差和10℃空调热水供回水温。

　　实际工程中有很多空调系统的供回水温差只有2℃～3℃，如果将供回水温差提高到5℃，水流量将减少到原来的50%左右，所以如果水流量减少50%，水泵耗电量将减少87.5%，节能效果非常明显。但实际工程中常出现如果减少水流量，有些房间就会出现夏季室温降不下来的情况，而不得不提高流量、降低温差来运行。出现这种情况的原因是水系统中各个支路阻力不平衡，夏季过热的房间所属的支路阻力大，当流量减少时，阻力大的支路水流量减小到不能满足需要的程度，致使房间过热。如果加大流量，阻力小的支路就会超过需要的水流量，那些阻力大的支路的水流量则刚好满足要求，不会出现夏季室温降不下来的情况。这种空调系统的运行是以增大流量和耗电量为代价的。

　　(四)变频水泵的使用

　　通过改变水泵电机的转速，就可以连续地改变水泵的流量。电机的转速跟交流电的频率成正比。通常市政电网的电流频率是50hz，变频调速水泵就是利用变频器改变电流频率来改变水泵转速和流量。

　　由于建筑全年平均冷热负荷只有最大冷热负荷的50%左右，如果通过使用变频调速水泵使水量随冷热负荷变化，那么全年平均的水量只有最大水流量的50%左右，水泵能耗只有定水量系统水泵能耗的12.5%，节能效果是非常明显的。

　　六、减少风机电耗

　　空调系统中风机包括空调风机以及其他送风机、排风机，这些设备的电耗占空调系统耗电量的比例是最大的。由于空调系统风机电耗所占比例最大，风机节能的潜力也就最大，风机的节能应引起最大的重视。减少风机能耗主要从以下几个方面入手：定期清洗过滤、定期检修、检查皮带是否太松、工作点是否偏移、送风状态是否合适。

　　七、对系统加强管理，适当调节，提高节能效益

　　日常管理是空调系统节能是否实际有效的关键。一个设计再好的节能系统，如果管理不善，一样达不到节能的目的。日常管理的节能措施有：

　　1.加强日常和定期的对设备和系统地维护。例如阀门、构件等的维护，防止冷、热水和冷、热风的跑、冒、滴、漏;冷凝器等换热设备传热表面的定期除垢或除灰;过滤器、除污器等设备定期清洗;经常检查自控设备和仪表，保证其正常工作等。

　　2.对系统的运行参数进行监测，从不正常的运行参数中发现系统的问题，进行合理的改造。经常出现的问题有设备选择过大、运行能耗高等。

　　3.不连续工作的空调通风系统，尽可能缩短预冷的时间，并且在预冷时采用循环风，不引入新风。

　　4.人员数量变化比较大的系统，最热月和最冷月的新风量应该根据室内的CO2浓度检测器，自动控制新风入口阀门，调节新风量。例如商场，往往在刚开店或闭店前、或非节假日人数比较少，这时可减少新风量，从而节省冷量。

　　5.当过渡季节中室内有冷负荷时，应尽量采用室外新风的自然冷却能力，节省人工冷源的冷量。

　　6.根据季节的变换，合理设置被控制房间的温度，避免夏季室内过冷、冬季室内过热的现象。过冷或过热不仅使人感到不适，而且额外消耗能量 。

　　八、 总结

　　目前，我国的很多建筑中的空调系统都具有节能的潜力，而且节能也逐渐地引起了各个设计、施工和管理单位的注意，但是仍然存在着许多浪费能源的现象。要想做到空调系统的节能，只有从设计、施工到运行管理各个部门的通力合作，才能真正地实现。首先暖通空调设计方案的选择是一个直接关系到暖通空调工程项目的成败和经济效益优劣的重要问题。暖通空调设计方案的比较和优选是一个涉及面广、影响因素多的复杂技术工作。一个优秀的暖通空调工程设计方案，应对设计方案涉及的各种因素进行全面的考虑，使其综合效益最高。综合考虑的因素越多，通常其方案设计的水平越高，同时其设计工作量和难度就越大。但由于目前工程设计周期普遍较短、空调专业的设计收费太低及一些技术性问题没有完全解决等原因，在实际设计工作中往往不能对设计方案进行多方案多参数的综合对比分析和优化选择，在设计管理和技术研究两个方面均要作大量的工作。在设计方案比较选择时必须对工程设计项目的各项实际需求、环境条件的特点、需求和环境条件的变化趋势等情况进行深入调查研究，对各种技术方案的特点、适用条件和范围进行客观深入的分析，对暖通空调各种技术发展的方向和趋势有深入的了解，尤其必须对各种设计方案的可行性、安全性、投资、能耗、运行费用、调节性、操作管理的方便性、环境影响、舒适性和美观性等技术经济评价因素进行客观准确的计算和综合对比分析。只有这样才能对各种设计方案进行科学的比较和优选。