目前国内大面积电力紧张的严峻形式下, 空调节能已成为节约能源的核心话题。在工业发达的国家中, 建筑能耗已高达总能耗的30%~50%, 其中绝大部分能耗又消耗在建筑物中。我国建筑空调能耗较大, 一般宾馆、写字楼空调能耗约占建筑总能耗的30%~40%, 大中型商场空调能耗则高达50%, 有的空调系统能耗占建筑总能耗的60%或更多。全球变暖和大气臭氧层破坏两个全球性问题对空调的广泛应用也提出了挑战。因此, 改善和提高空调系统运行效率, 减少能耗, 已成我国空调业发展的一个亟待解决的问题。在设计和应用空调系统时提高节能意识, 充分合理地运用各项节能方法与措施降低能耗, 对缓解我国能源危机具有十分重要的战略意义。
影响空调能耗的因素有很多, 例如, 室内温湿度设定值、室外空气量、空调方式、空调系统的控制运行和维护管理等。建筑物的朝向和平面布置、建筑维护结构的保温性能、窗户隔热和建筑遮阳等也对空调能耗产生很大影响, 因此, 在空调设计运行时应综合考虑各个因素的影响, 力求在最大程度上降低空调能耗。
一般可将空调系统的能耗可分为两大部分:
(1) 供给空气处理设备冷 (热) 量的冷热源耗能。
(2) 动力耗能:克服空调系统工作介质循环阻力的耗能。
空调系统总能耗的计算一般有以下几种方法:度日法 (degreedays) 、电子计算机模拟计算法、当量满负荷运行时间 (τE) 法和负荷频率表法。
空调系统通常由多个环节组成, 其总能耗受诸多因素影响, 因而节能是一个综合系统工程。有效可行的节能措施和策略可有多种, 设计和使用空调系统应对各节能方法综合利用以趋利避害。
目前, 大部分空调建筑的设定温度为24~28℃, 而一些公用建筑中空调温度控制得更低, 甚至低于22℃, 不但浪费能源, 而且舒适性很差, 这是导致“空调病”发生的主要原因。因此, 合理提高空调房间的设定温度显得尤其重要。
合理提高空调房间设定温度有如下节能效果和优点:
(1) 降低室内外传热温差, 从而可降低因围护结构传热形成的空调负荷;还可降低新风要求 (大部分公用建筑对新风的要求比较高, 新风负荷在这些建筑中约占总空调负荷的30%~40%, 但实际运行中大部分建筑存在新风量不足的问题) 形成的空调负荷。
(2) 与外温比较低时的合理通风措施相结合, 可有效降低空调运行时间 (小时数) 。
(3) 可提高空调系统的送风温差, 从而降低输配系统的电耗。
(4) 可降低对电力高峰负荷的需求, 节约用电量需求。还可避免因空调温度过低带来的不舒适性及“空调病”等问题。
在满足人体舒适的范围内, 夏季供冷时选取较高的室内干球温度, 冬季供热时选取较低的室内干球温度, 可减少围护结构的传热负荷和新风负荷, 从而降低空调系统能耗。由表1可见, 将夏季空调室温从24℃提高到28℃时节能36.6%, 冬季空调室温从22℃降低到18℃时节能55.5%。因此, 有必要摒弃过去传统设计中片面追求夏季“够冷”冬季“够暖”的温度设计误区, 在满足生产和人体健康要求前提下, 夏季尽量提高空调房间温度基数, 冬季尽量降低空调房间温度基数, 可得显著的节能效果。
同样形状的建筑物, 南北朝向比东西朝向冷负荷小。对一个长宽比为4∶1的建筑物, 东西向比南北向冷负荷约增加70%。因此, 选择合理的建筑物朝向是一项重要的节能措施。
建筑物体形系数S=F/V
其中, F——建筑物与室外大气接触的外表面积, 外表面积不包括地面、未采暖的楼梯间隔墙和户门的面积;V——建筑物所包围的体积。
对于相同体积的建筑物, S越大, 则其外表面积越大, 通过围护结构的传热越多, 空调冷负荷也越大。为节能起见, 在建筑设计时应尽量控制S, 如果出于造型和美观的要求需要采用较大S时, 应尽量增加围护结构的热阻。
从建筑物的围护结构 (窗、墙、楼板、屋盖、地板等) 传入室内的热量中, 外窗的传热量和太阳辐射占围护结构的总传热量比例很大。因而要尽量减少外窗面积, 并采取有效的遮阳措施, 如选用特种玻璃、双层玻璃和窗帘或遮阳板等。
建筑围护结构的保温性能直接影响空调房间的冷热负荷。有关文献指出, 围护结构传热系数每增大1W/m2·k, 在其他工况不变条件下空调系统设计计算负荷约增加30%。因此, 提高建筑物保温性能是减少空调系统能耗的重要措施之一。以下措施可有效降低围护结构的传热系数, 从而降低能耗。
①合理控制窗墙比。通过外窗户的负荷占建筑总负荷的近40%, 在保证室内采光通风前提下合理控制窗墙比。一般的窗墙比如下规定:北向≤25%;南向≤35%;东西向≤30%。
②①用新型墙体材料与复合墙体围护结构。在进行经济性、可行性分析的前提下, 在墙体内外侧敷设保温隔热新材料, 屋顶可设通风屋面、遮阴棚和栽种花草树木以降低建筑物的得热量。
③采用气密性好的门窗以减少空调房间冷 (热) 量渗漏, 建筑外表面尽可能处理成白色或浅色调以减少辐射得热。
④在工程允许的经济条件下, 尽量采用具有隔热保温性能的吸热玻璃、反射玻璃、低辐射玻璃等, 避免使用单层白玻璃。
在人员长期停留的空调房间, 人们呼出CO2的增加会逐渐破坏室内空气的正常成分, 对人体健康产生不良影响。从满足室内人员卫生要求出发, 必须保证每人有一定的室外新风量。在空调系统总冷 (热) 负荷中, 新风冷 (热) 负荷占较大比例, 例如, 在我国主要空调地区的商场中, 随客流密度的变化, 新风冷负荷占总冷负荷的比例高达21%~42%。因此, 在满足室内人员卫生要求的前提下, 减少新风冷 (热) 负荷是空调系统的重要节能措施。
一般地, 舒适性空调设计均是根据建筑物的使用功能及设计规范来确定新风标准 (每人每小时所应供给的新风量) 的。用这一新风标准乘以室内人数即得空调系统的设计新风量。可见, 新风量与室内人数是紧密相关的。在空调设计阶段不可能有室内人数的确切数据, 设计人员只能根据设计资料及经验选取一个数据, 这一数据代表了正常情况下室内人数的最大值。在空调系统运行过程中, 室内人数是经常变化的, 实际室内人数经常少于设计值, 例如, 商场室内人数的变化范围为0.1~1.5人/m2, 办公楼室内人数的变化范围为0.03~0.25人/m2。随着室内人数的变化, 若能相应地调节新风量, 则可大幅度减少新风冷 (热) 负荷以降低空调系统能耗。
为了控制新风量, 可在回风管道上设置CO2检测仪, 根据CO2气体浓度的变化自动控制新风量;也可根据星期或时刻不同室内人数的变化, 手动控制新风量。空调系统一般按以下三种方式运行:
(1) 新风阀门一直固定在设计新风量的开度上。
(2) 根据顾客的变化情况, 手动控制新风阀门, 平日半开, 节假日全开。
(3) 根据顾客的多少, 用CO2气体浓度仪比例调节新风阀门的开度, 使室内CO2气体浓度保持在0.08%~0.1%之间。
这3种运行方式能耗比较如表2所示:
由此可见, 自动控制新风阀门调节新风量与固定新风量的情况相比, 在最热月系统冷负荷约减少25%, 在最冷月系统热负荷约减少68%。对于周边负荷影响小而内区发热量较大的建筑物 (大型商场、影剧院等) , 过渡季或冬季室内仍需供冷, 此时, 由于室外空气焓值低于室内空气焓值, 应充分利用室外新风所具的冷量, 加大新风使用量直至全部使用室外新风向空调房间送风。这样不仅可减少人工冷源的使用时间、降低人工冷源的能耗和运行费用, 还可改善室内空气品质。
目前, 空气-水系统在我国空调系统中所占比例较大, 因而空调水系统的运行管理也是影响空调节能的一个重要因素。在一个综合性建筑物内各空调系统不可能同时使用, 为此可将其划分为不同的空调系统, 但空调水系统在满足设备承压的情况下一般不分区不分设系统, 只采用阀门控制各系统的开关。但循环水泵的流量是无法控制的, 只能在用户末端设三通调节阀将多余的水流量通过旁通阀流回系统。当空调系统低负荷运行时, 水泵却在满流量下运转, 能源耗费相当严重。一般水系统通过阀门节流, 风系统通过再加热以适应部分负荷运行的需要, 此种调节方式耗能严重。有资料统计表明, 此类调节方式中, 定速泵和风机所耗电能有60%~70%消耗于调节阀、截流控制压降等处。
将变频技术应用到空调水系统中, 通过改变循环水泵的转数使水泵在变流量变扬程下运行。而水泵转数的改变并不影响其特性曲线的形状, 在管道特性曲线不变时, 水泵始终在高效率下工作, 可代替节流调节, 是一种可行有效的节能方法。空调系统的水泵和风机的工作点随空调负荷的变化而变化, 根据相似理论可得如下关系式:
其中, G为设计工况流量, N为轴功率, n为转速G′为实际工况流量, N′为轴功率, n为转速。
当空调负荷下降时, 可通过变频装置调节水泵 (风机) 的转速, 从而减小水 (风) 量, 节省电机的耗电量, 达到节能目的。例如, 若泵转速降至额定转速的90%, 流量下降10%, 而轴功率可下降27.1%, 节能效果较明显。变频调速解决了空调水系统循环水泵冬夏流量不等的矛盾, 同时增加了工程初投资, 但可通过节约运行费用在短时间内加以回收。
动力能耗主要是指空调系统运行中风机和水泵所消耗的电能, 采用科学的方法使之降低对整个空调系统的节能有十分重要的意义。在工程设计与实践中常采用以下方法减少动力能耗:
若系统中输送冷 (热) 量的载冷 (热) 介质的供回水温差采用较大值, 则当它与原温差的比值为N时, 从流量计算式可知, 采用大温差时的流量为原来的流量的1/N, 管路损耗即水泵或风机的功耗则减小为原来的1/N2, 节能效果显著。故应在满足空调精度、人体舒适度和工艺要求的前提下尽可能加大温差, 但供回水温差一般不宜大于8℃。
水泵和风机的功耗与管路系统中流速的平方成正比, 采用低流速能取得较好的节能效果, 且有利于提高水力工程的稳定性。
一般情况下, 用水输送冷 (热) 量的耗能量比空气输送要小, 且输送相同的冷 (热) 量所用水管管径要小于风管, 所占空间相应也小得多。
由于建筑室内的人员照明灯光、电脑设备散热量的影响, 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, 尤其是没有外墙、外窗的内区房间, 即使在寒冷的冬季, 由于室内的散热量没有途径散发到室外, 室内仍需供冷, 此时若开启冷机供冷, 不仅由于此时冷负荷较小, 冷机制冷系数较低、能耗大, 而且极不合理。较常见且容易利用的自然冷源主要有以下两种:
春秋季和冬季的室外冷空气由于地下水常年保持在18℃左右的温度, 所以地下水不仅能在夏季作为冷却水为空调系统提供冷量, 而且冬季还可利用水源热泵机组为空调系统提供热量。
春秋季和冬季的的室外空气温度较低, 可用于空调系统供冷。例如, 北京春秋季的室外空气温度一般低于15℃, 冬季室外空气湿球温度一般低于0℃, 这种温度下的空气是较好的冷源, 可用于空调系统供冷。
向空调房间供冷时, 如果室内温度低于设定值过多则称为过冷;同理, 向空调房间供热时, 如果室内温度高于设定值过多则称为过热。过冷和过热不仅浪费能量, 而且对人体的舒适和健康也不利。造成空调房间过冷和过热的原因主要有:
(1) 空调系统自动控制装置不完备或失灵。
(2) 空调设备选择不当, 设备容量过大。
(3) 空调分区不合理等。
例如, 对于目前广泛采用的风机盘管空调系统, 若不采用恒温器控制风机盘管, 则盘管始终处于接通状态或其水量始终为设计流量, 室内人员若不及时关闭风机或通过三速开关调整风机转速, 室内必然处于过冷或过热状态。若采用恒温器控制, 冷量和热量在一定程度上都会得到节省, 同时, 室内环境的舒适度也明显改善。
当建筑物在冬季或过渡季仍需供冷时, 对于全空气空调系统, 可按全新风方式运行以降低系统能耗;但对于风机盘管空调方式, 由于其新风量无法增加, 因而不能以全新风方式运行, 可采用冷却塔供冷。理论上冷却塔出水温度最低值为当地当时室外空气的湿球温度, 在过渡季和冬季, 随着室外气温逐渐下降, 室外空气的湿球温度也相应降低, 因而冷却塔出水水温也随之降低。当室外湿球温度降至某个值以下时, 冷却塔出水温度与空调末端装置 (如风机盘管) 所需水温接近, 此时可关闭人工冷源, 以流经冷却塔的循环冷却水向空调系统供冷, 从而达到节能的目的。
在建筑空调负荷中, 新风负荷所占比例较大。在国外, 新风负荷一般占总负荷的20~30%, 因此, 利用热交换器回收排风中的能量, 节约新风负荷是空调节能的一项有力措施。如果在排风中设置热交换器 (如转轮式全热交换器) , 最多可节约70~80%的新风能耗, 相当于节约10~20%空调负荷。据日本空调学会提供的计算资料表明, 若以单风道定风凉空调系统为基准, 加装全热交换器后, 冬季1月份可节省加热量约50%, 夏季8月份可节省冷量25%。
因此, 采用合理的措施来节约空调能耗, 对我国来说可以节约资源、保护环境, 而且可避免不必要的电力建设投资;对用户来说则可减少空调运行费用的开支, 其经济性是显见的。在某种程度上, 综合利用各种技术措施达到空调节能, 有利于国民经济的可持续发展, 是一件利国利民的好事。
摘要：空调节能涉及到诸多因素, 是一项系统工程, 对国民经济的发展产生很大影响。随着新技术和新材料的诞生与应用, 关于空调节能的研究与应用技术也将不断发展。在此, 变频调节、水源热泵、冰蓄冷、太阳能和空调系统的智能控制等在空调节能方面将得到更深入的应用。
关键词：节能,措施,围护结构,新风量,变频调速,自然冷源
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