暖通能耗現狀和節能
1．暖通能耗現狀和節能要求
隨著社會發展和人民生活水平不斷提高，建筑能耗在總體能耗中所占比例越來越大，在我國接近30%并還在持續增長，在發達國家甚至已高達到40%。而在建筑能耗里，暖通空調系統能耗是其中的大戶，針對不同類型的建筑，其所占比例高達30%～60%。因此，暖通空調系統能耗規模是十分可觀的。
現有的暖通空調系統使用的能源主要是高品位能源，其中電能占了相當大的比例。減少暖通空調系統能耗，對于節能減排、保護生態環境、實現可持續發展意義十分重大。相關研究表明，采用合理的節能技術和措施，現有暖通空調系統完全能實現節能20%～50%。
為了改善公共建筑的熱環境，提高暖通空調系統的能源利用效率。近年來國務院和有關部委頒布了相關的建筑節能法規，如《公共建筑節能設計標準》和《居住建筑節能設計標準》等，此外各地方政府也根據氣候條件和能源特點，制定了各自的建筑節能標準和規定。由于居住建筑與公共建筑功能性質的不同，暖通空調系統在公共建筑中受到相對重視和依賴，因此其節能問題也顯得較為突出和重要。
以《公共建筑節能設計標準》為例，該標準提出了50%的總體節能目標，即以20世紀80年代改革開放初期建造的建筑作為參考建筑（又名“基準建筑”），在維持目前標準規定的室內空氣參數條件下，計算該“基準建筑”全年的暖通空調和照明能耗，而《公共建筑節能設計標準》的要求能耗降低到基準建筑能耗的50%以下，由此可見我國目前對建筑節能的要求愈來愈嚴格，也愈來愈重視。研究表明，總體節能目標中，圍護結構預期約可承擔13%～25%，暖通空調系統約為16%6～20%，而照明設備約為7%～18%。
2．暖通空調系統節能途徑和措施
暖通系統的節能可以通過減負、開源和節流等多種思路來實現，一般性節能措施和途徑有以下幾種：
(1)合理降低室內溫濕度標準
暖通空調工程中，夏季室內設定溫度、相對濕度越低，系統能耗越大；冬季室內設定溫度、相對濕度越高，系統能耗越大。
日本曾對已投入使用的舒適性空調房間的室內溫度進行了調整，其節能效果見表8-2。
鑒于降低建筑室內溫度標準具有較大的節能潛力，自2005年后，我國政府對此逐漸重視，也做了很多有益的嘗試，如2007年6月1日，國務院辦公廳發布了“關于嚴格執行公共建筑空調溫度控制標準的通知”，要求夏季室內空調溫度設置不得低于26℃。冬季室內空調溫度設置不得高于20℃。
(2)減少新風負荷，降低新風能耗
由于室內環境中存在著污染物發生源，因此暖通空調系統中攝入室外新鮮空氣量（簡稱新風）是必要的。為將室外新風處理至室內狀態點，必須消耗能量。從大量工程實例可以知道，空調工程中為處理新風所需能耗大致要占到總能耗的25%～30%，對于高級賓館和辦公室建筑可能更高達40%。所以采取相應措施降低新風能耗是有重大實際意義的。降低新風能耗的措施主要包括：1)在暖通空調系統中取用最小必要新風量，降低新風需求；2)使用能量回收裝置，回收利用空調排風中的能量；3)加強運行期空調系統中新風的質和量的管理，如在夜間或過渡季節，使用室外空氣供冷。
(3)合理選擇暖通空調系統形式，減少輸配系統的能耗
系統形式的選擇，尤其是輸配系統的選擇及設計，對空調能耗有很大的影響。輸配系統的能耗主要為空氣、冷熱水輸送和分配系統中風機和水泵的能耗，降低這部分能耗的措施主要有：1)采用變流量技術，如變風量(VAV)技術、變水量(VWV)技術；2)適當增大送風溫差和供回水溫差；3)降低輸配系統中水和空氣的流速，減少阻力損失。
(4)推廣應用可再生能源或低品位能源。隨著空調系統的廣泛應用，空調對不可再生能源的消耗將大幅度上升，同時對生態環境的破壞也在日趨加劇。如何利用可再生能源及低品位能源已經成了該領域重要的研究課題。地源熱泵空調系統就是在這種形勢下得以開發和應用，該技術可以顯著提高空調系統的能效，使得同等制熱（或制冷）量下的系統能耗大幅度下降；利用太陽能供熱或制冷技術現也得到了持續的關注和研究；此外還有城市廢熱的利用等。
(5)開展冷熱回收利用的運用研究，實現能源的最大限度利用。目前許多空調系統冷熱回收利用研究也在蓬勃開展，如空調系統排風的全熱回收器，夏季利用冷凝熱的衛生熱水供應等，都是對系統冷熱的回收利用，顯著提高了空調系統能源利用效率。
(6)提高設計和運行管理水平，使其在高效經濟的狀況下運行。暖通空調系統特別是中央空調系統是一個龐大復雜的系統，系統設計的優劣直接影響到系統的使用性能。第一，必須深入了解各種不同的空調系統和冷熱源形式的能耗特征；第二，必須針對建筑物負荷的全年變化特征來選擇合適的空調系統和冷熱源方式。
除設計外，運行管理也起著非常重要的作用。空調系統的節能措施需要正確的運營管理才能達到相應的節能效果。同樣一套系統，管理水平的不同，系統的能耗也大不相同。
(7)提高系統控制水平，調整室內熱濕環境參數，盡可能降低空調系統能耗。空調系統特別是舒適性空調系統對人體的作用是通過空氣溫度、濕度、風速、環境平均輻射溫度等來實現的，人體對環境的冷熱感覺是這些環境因素綜合作用的結果。傳統的空調控制方式僅僅是測控空氣的溫濕度，這顯然是不全面的。
影響人體熱舒適性的環境參數眾多，不同的環境參數組合可以得到相同的熱舒適性效果，但是其空調能耗卻是不相同的。熱舒適方向的研究成果，為采用新的控制方式方法提供了理論基礎。如果采用舒適性評價指標即體感指標作為空調系統的調控參數，不僅可以解決傳統控制方法存在的弊端，而且可以實現大幅度節能。初步研究表明，該控制方法可使空調系統在人體舒適的條件下節能30%左右。
3．現代空調節能新技術
綜合前面談到的建筑暖通系統的節能途徑和措施，以下將分別介紹一些得到廣泛關注或應用的空調節能新技術。
(1)地源熱泵。地源熱泵是一種能有效利用地下淺層地熱資源（包括地下水、土壤或地表水等）來“取”或“放”熱的既可供熱又可制冷的節能空調技術。地源熱泵通過輸入少量的高品位能源（如電能），實現低溫位熱能向高溫位轉移，即在冬季，把地能中的熱量“取”出來，提高溫度后，供給室內采暖；夏季，把室內的熱量取出來，釋放到地能中去。與地源熱泵技術相關的詳細介紹見第九章相應內容。
(2)冰蓄冷。隨著我國經濟和電力需求持續快速增長，一天內用電高峰與低谷差距在不斷拉大，電網運行的不均勻情況日趨嚴重。而夏季高峰用電量中，空調用電就占了30%以上，使得電力系統峰谷差急劇增加，電網負荷率明顯下降，這極大影響了發電的成本和電網的安全運行。
冰蓄冷空調就是利用用電低谷時段制冷機組制冰，將冷量蓄存起來，隨后在用電高峰時段，化冰取冷，以供空調系統之需要。該技術是20世紀90年代以來在國內外興起的一門實用綜合技術，從社會效應出發由于可以對電網的電力起到“移峰填谷”的作用，有利于整個社會的資源優化配置；同時，從經濟性角度出發由于國內不斷加大峰谷電價的差額，使蓄冷空調用戶的運行電費大幅下降。因此推廣使用冰蓄冷中央空調是一項利國利民的雙贏舉措。電力尖峰負荷轉移原理如圖8-10所示。
(3)冷熱電聯產。BCHP(Building，Cooling，Heating ﹠ Power)建筑冷熱電聯產，即通過能源的梯級利用，燃料通過熱電聯產裝置發電后，所排放的低品位熱能可用于采暖、生活供熱等用途的供熱，這一熱量也可用來驅動吸收式制冷機，用于夏季的空調，從而形成熱電冷三聯供系統。為了協調熱、電和冷三種動態負荷，實現最佳的整體系統經濟性，系統往往需要設置輔助的壓縮式制冷機和鍋爐，甚至蓄能裝置等。
BCHP主要由發電設備和吸收式制冷機兩部分構成。用于BCHP系統的發電設備有：常規渦輪發電機組、微型渦輪發電機組、柴油發電機組、燃氣內燃發電機組和外燃發電機組。燃氣輪機以燃料高溫煙氣為工質，而蒸汽輪機以蒸汽為工質。工質推動轉輪葉片做功，帶動發電機勵磁發電。發電機出來的廢氣或蒸汽乏汽是吸收式制冷機的理想熱源，被用來制冷、采暖和提供衛生熱水。冷熱電聯產能量梯級利用如圖8-11所示。圖8-12以微型渦輪機為例說明了冷熱電聯產流程。
(4) VRV/VAV/VWV空調系統。VRV( Variable Refrigerant Volume)系統，即變制冷劑流量系統，系統結構上類似于分體式空調機組，采用一臺室外機對應一組室內機（一般可達16臺），控制技術上采用變頻控制方式，按室內機開啟的數量控制室外機內的渦旋式壓縮機轉速，進行制冷劑流量的控制。VRV空調系統與全空氣系統、全水系統、空氣一水系統相比，更能滿足用戶個性化的使用要求，設備占用的建筑空間比較小，而且更節能。正是由于這些特點，其更適合那些需經常獨立加班使用的辦公樓建筑工程項目。VRV空調系統的設計包含兩個部分：空調設備選型及空調管路設計；空調系統控制設計，前一部分內容由設計院的暖通工程師設計，后一部分內容通常由提供全套產品的系統工程承包商配套設計。
VAV(Variable Air Volume)系統，即變風量空調系統，與定風量空調系統一樣，變風量空調系統也是全空氣系統的一種空調方式，它是通過改變送風量，而不是送風溫度來控制和調節某一空調區域的溫度，從而與空調區負荷的變化相適應。其工作原理是當空調區負荷發生變化時，系統末端裝置自動調節送入房間的送風量，確保室內溫度保持在設計范圍內，從而使得空氣處理機組在低負荷時的送風量下降，空氣處理機組的送風機轉速也隨之而降低，減小空氣輸送能耗，達到節能的目的。變風量系統通常由空氣處理設備、送（回）風系統、末端裝置（變風量箱）及送風口和自動控制儀表等組成。一般在下列情況下宜采用VAV系統：①同一個空氣調節風系統中，各空調區的冷熱負荷由于變化而產生一定的差異，低負荷運行時間較長，且需要分別控制各空調區溫度；②建筑內區全年需要送冷風。
VWV(Variable Water Volume)，即變水流量系統，它是以恒定的水溫供應空氣處理設備，當空調區負荷發生變化時，則利用變頻水泵調節水泵轉速，改變冷凍水的水量，從而確保室內溫度保持在設計范圍內，在這個過程中降低了水泵的能耗，達到了節能的目的。
中央空調系統設計通常是按照最大負荷進行設計，從全年運行情況來看，由于建筑物的實際負荷處于峰值的時間很短，大部分時間都處于部分負荷下運行，所以制冷機組大多數時間將在比較低的負荷下運行，COP值偏低。又因為末端用戶側的運行條件和運行模式的差異，能耗狀況差別較大。部分負荷下空調末端冷凍水循環側如果沒有合理的控制手段控制流量，仍就是定流量系統的話，則供回水溫度差往往低于標準設計工況值（供／回水=7/12℃），此時冷凍水輸送系統保持最大負荷時的冷水流量運行，輸送能耗沒有對應空調負荷的變化，顯然不利于節能。特別是過度季節，冷機的負荷更低，當負荷非常小時，只能采取間歇運行的方式，結果導致運行管理及控制復雜，設備能耗增加。因此根據室內負荷控制水側流量來保證一定的供回水溫差，則可以達到滿足室內的溫濕度調節需求和節約輸送設備能耗的目的。
增大冷凍水、冷卻水溫差可以節約水系統的輸送能耗，溫差越大，水系統輸送能耗節約量越大。近年來大溫差小流量空調水系統方案受到廣泛關注。<公共建筑節能設計標準》(GB 50189-2005)要求冷水供、回水溫差不小于5℃，并闡明某些實際工程采用8℃溫差，獲得良好的節能效果。典型的冷水機組冷凍水溫度為5/13℃，冷卻水溫度為32/40℃，進出口水溫差為8℃，與常規水系統5℃溫差相比，相應的冷凍水和冷卻水流量減少37.5%，節省水泵能耗40%～60%。
目前，大溫差空調系統在國內已部分采用，但在國外己經得到廣泛應用。據國外實際工程報告顯示，大溫差空調系統中水泵節省電力約為30%，空調風機節省電力約為20%，設備初投資節省約為10%～15%。此外，另一分國外預測研究資料表明：這項技術可以帶來節省一次能源消耗10%、運行費用消耗15%、設備材料初投資10%～25%的效果。見表8-3、表8-4。
(5)溫度濕度獨立控制的空調系統。目前集中空調都使用出口溫度為5～7℃或更低的冷水作為冷媒，對空氣進行處理，采用溫度較低的冷水是因為空氣除濕的需要。而如果僅為了降溫，采用出口溫度為l8～20℃的冷源已經可以滿足要求。然而一般除濕負荷僅占空調負荷的30%～50%。結果大量的顯熱負荷也用這樣的低溫冷水來處理，就導致冷源效率低下。近年來此領域的一個重要方向就是采用溫度濕度獨立控制的空調方式。將室外新風除濕后送入室內，可用于消除室內濕負荷，并滿足新鮮空氣的要求；而用獨立的水系統采用18～20℃的冷水循環，通過輻射或對流型末端來消除室內顯熱。18～20℃的冷水可由冷源設備制取，條件允許時還可直接利用地下循環水。
這一方面可避免采用冷凝式除濕時為了調節相對濕度進行再熱而導致的冷熱抵消，還可用高溫冷源吸收顯熱，使冷源效率大幅度提高。同時這種方式還可有效改善室內空氣質量，因此被普遍認為是未來的新型空調方式。
溫度濕度獨立控制的空調系統的難點是新風的高效大幅度除濕。轉輪除濕和溶液除濕是近年來研究熱點。而該系統采用高溫冷水吸收顯熱，也會引發現有末端換熱裝置的革新。
此外，當無法利用地下水或地下換熱時，就需要采用壓縮式制冷機。從理論上講制取這種高溫冷水制冷機的性能系數會很高，但此時要求壓縮機在很低的壓縮比下工作。一般的壓縮機此時效率不高，從而不能達到高效節能的效果。為此需要專門研究開發可工作于這一工況的高效制冷機。
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