吳耀洲

（海德聯(lián)創(chuàng)設(shè)計集團有限公司，浙江 杭州 310000）

1 暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計概述

暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計是基于與常規(guī)暖通空調(diào)系統(tǒng)實現(xiàn)功能設(shè)計的情況下，滿足室內(nèi)技術(shù)參數(shù)溫度、相對濕度、氣流組織、新風量、噪聲等要求；目標系統(tǒng)運行載荷，滿足系統(tǒng)載冷流量、壓力、溫度等要求，系統(tǒng)實現(xiàn)安全、穩(wěn)定、可靠運行達到節(jié)能。系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計是通過合理的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)備功能設(shè)計、空調(diào)冷熱源機組產(chǎn)品節(jié)能設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計及使用管理制度等要素，綜合、科學組合實現(xiàn)；暖通空調(diào)系統(tǒng)主要是由冷熱源機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、末端裝置、盤管風機、空調(diào)風柜、空氣處理機組、新排風系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)通過消耗能源介質(zhì)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)供熱制冷達到室溫的目的，通過科學、高效的節(jié)能設(shè)計將每一構(gòu)成要素降低消耗能量或最大限度低耗，提高整個暖通空調(diào)系統(tǒng)全年綜合能效比，從而實現(xiàn)系統(tǒng)初期節(jié)省投資，降低造價，運行使用節(jié)能，使用增值。暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能評價應(yīng)貫穿于設(shè)計階段和運行階段。

2 暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計原則

2.1 系統(tǒng)性原則

系統(tǒng)性原則是暖通空調(diào)節(jié)能設(shè)計的基礎(chǔ)，基于國家節(jié)能減排政策、自然生態(tài)環(huán)保法律規(guī)定，行業(yè)標準及用戶對系統(tǒng)功能、工藝等要求，故設(shè)計方案既要符合運行節(jié)能的經(jīng)濟性及維修保養(yǎng)操作要求，又要確保系統(tǒng)達到設(shè)計使用壽命周期，滿足功能性用途。系統(tǒng)性的原則，體現(xiàn)設(shè)計人員對節(jié)能設(shè)計的整體思路，建立節(jié)能設(shè)計平臺，針對性對系統(tǒng)全年綜合能效比計算，優(yōu)化節(jié)能方案，比選方案，最終正確選擇方案。

2.2 動態(tài)原則

暖通空調(diào)設(shè)計是一項技術(shù)性復(fù)雜、綜合的工作，影響因素很多，涉及建筑構(gòu)造設(shè)計圖原始數(shù)據(jù)及第一手現(xiàn)場資料，以及功能、工藝的需要；再者，隨著冷熱源機組技術(shù)開發(fā)的不斷更新，控制系統(tǒng)人工智能化廣泛應(yīng)用，技術(shù)方案也應(yīng)結(jié)合實際情況，不斷優(yōu)化完善。

2.3 科學技術(shù)發(fā)展原則

暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計以科學發(fā)展觀為原則[1]，采用各項節(jié)能措施及運行策略，在系統(tǒng)設(shè)計中不斷導(dǎo)入新技術(shù)元素，既符合國家節(jié)能減排產(chǎn)業(yè)導(dǎo)向，又有利于建設(shè)工程施工管理、系統(tǒng)全壽命周期運營管理及節(jié)省建造施工運行成本。

3 暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計的研究

3.1 強化設(shè)計節(jié)能意識，建立節(jié)能設(shè)計審核管理制度

在方案設(shè)計中，設(shè)計理念主導(dǎo)著空調(diào)系統(tǒng)的節(jié)能方向，主要體現(xiàn)在工程項目造價、成本、運營、管理等費用支出大小的特點。設(shè)計方案在符合專業(yè)設(shè)計的情況下，應(yīng)充分了解業(yè)主使用意圖及習慣，導(dǎo)入業(yè)主對系統(tǒng)的節(jié)能規(guī)劃、節(jié)能控制及節(jié)能管理，形成優(yōu)化節(jié)能管理體系。如審定的設(shè)計方案是否影響占用機房或占用機房用面積的大小及建成投入運行后的值班、操作、維護人員數(shù)量等，這些因素將決定運行管理成本高低。

3.2 合理選擇暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)

暖通空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)是直接影響系統(tǒng)的能耗指標之一，其合理性決定系統(tǒng)冷熱源機組、系統(tǒng)設(shè)備、末端機組等投入的運行時間的長短。室內(nèi)設(shè)計參數(shù)主要有室內(nèi)溫度、相對濕度、新排風量、風速、噪聲等，在規(guī)范規(guī)定的設(shè)計取值范圍內(nèi)，確保人體舒適或工藝要求，滿足客戶要求，再者也要避免標準過高。比如不同地區(qū)，室內(nèi)、外空氣的參數(shù)、相對濕度及室外平均風速不同，夏季空調(diào)室內(nèi)設(shè)計參數(shù)，規(guī)范設(shè)計取值為24 ～27 ℃、相對濕度50% ～60%，當取值為24℃/50%或27 ℃/60%時均在設(shè)計參數(shù)范圍內(nèi)，但前者使空調(diào)負荷增加約30%，增大了電功率。再者，合理設(shè)定冷熱源機組運行參數(shù)，是最直接有效的節(jié)能措施之一。比如冷水機組供水回水溫度常規(guī)控制7/12 ℃，結(jié)合工程項目使用實際可控制在8 ～13 ℃，溫差控制在4 ～6 ℃，如此，提高了機組的制冷效率。相關(guān)文獻及經(jīng)測試表明，機組設(shè)定溫度每升高1 ℃，能耗可以節(jié)省電功率4% ～6%[2]，同時降低冷量單價成本，減小投資空調(diào)費用。

3.3 暖通空調(diào)系統(tǒng)冷熱源機組選配節(jié)能設(shè)計

空調(diào)系統(tǒng)冷熱源機組能耗約占系統(tǒng)總能耗的60%，選擇COP 值大，高附加值產(chǎn)品。從不同角度作方案比選：

（1）根據(jù)水冷式螺桿機組、水冷式離心機組、風冷式模塊機組、地源熱泵機組、海冷式機組等不同機型在不同建筑環(huán)境中的使用優(yōu)劣，取長補短，靈活組合使用，不同的需求環(huán)境選擇不同冷量機型，以搭配方式滿足要求；根據(jù)場所的不同，選擇相應(yīng)的模式機型，比如醫(yī)院、賓館、餐飲行業(yè)優(yōu)先選擇帶余熱回收功能機型，把回收余熱的能量轉(zhuǎn)換為生活熱水，從而節(jié)約制造熱水成本，同時提高機組高效率運行，大幅度提高綜合能效比，降低能耗。

（2）不斷優(yōu)化制冷控制系統(tǒng)，選擇的空調(diào)主機控制系統(tǒng)需具有變頻、智能調(diào)節(jié)調(diào)級功能。設(shè)計技術(shù)方案并根據(jù)項目工程的需要，制冷控制系統(tǒng)導(dǎo)入BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能、Matlab 語言、自適應(yīng)模糊控制系統(tǒng)技術(shù)三者綜合應(yīng)用，整合反饋數(shù)據(jù)，它能根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)偏差值的大小調(diào)節(jié)和控制系統(tǒng)運行狀態(tài)[3]，使系統(tǒng)實時對冷凍水流量、冷卻水流量、冷卻塔風量及房間的溫濕度進行監(jiān)測并合理的判斷和設(shè)定，最終實現(xiàn)機組動態(tài)運行效率與室內(nèi)最佳的空氣溫濕度質(zhì)量相適應(yīng)，當制冷量與負荷達到平衡時，機組能耗最小。

3.4 水系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計

水系統(tǒng)一般由冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔、末端風機盤管、風柜及管道、閥門等組成一個閉式或開式環(huán)路，輸送系統(tǒng)載冷劑進行能量轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)可采用如下步驟實現(xiàn)節(jié)能設(shè)計：

（1）通過科學對系統(tǒng)管路布局不斷優(yōu)化，簡化路徑設(shè)置，準確計算水路沿程阻力損失，選擇合適的水泵揚程，避免揚程過大，增加能耗。

（2）水泵、水塔電機根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)置定頻+變頻智能結(jié)合使用，如兩臺以上循環(huán)泵組系統(tǒng)。系統(tǒng)循環(huán)水流量根據(jù)工程特點，定頻定流量+變頻變流量控制，避免大流量小溫差。采用上述兩種方式，水系統(tǒng)泵組及冷卻電機節(jié)能率約占其額定功率15%。

（3）供冷網(wǎng)管壓力、流量均衡設(shè)計，除了增設(shè)必要的壓力平衡閥（水力平衡裝置）外，注重管網(wǎng)整體與局部的流量分配，如區(qū)域間采用同程管網(wǎng)或同程管網(wǎng)與異程網(wǎng)結(jié)合，以達到冷量均衡，溫度場舒適，減小投入大功率機組運行，節(jié)省能耗。

（4）減小供冷管網(wǎng)的冷量損失。在滿足設(shè)計壓力的情況下，冷凍管材可以選擇導(dǎo)熱損失小的U-PVC管替代熱鍍鋅管，降低冷水輸送過程冷量損失。

（5）相關(guān)測試驗證，提高供回水溫度，網(wǎng)管冷水輸送過程冷量減小損失10% ～15%。

3.5 暖通空調(diào)末端設(shè)備節(jié)能設(shè)計

末端設(shè)備主要有風機盤管、全空氣空調(diào)風柜、全熱新風機等，是載冷劑轉(zhuǎn)換能量的主設(shè)備，是室內(nèi)溫度、相對濕度、噪聲、風速、氣流組織及新風量的影響因素，也是影響能耗大小的直接因素。

（1）整體與局部區(qū)域的機型選擇，關(guān)系運行區(qū)間設(shè)備工作時間的長短，對于建筑空調(diào)使用面積較大、功能用途相同且集中溫控場所，應(yīng)選擇全空氣空調(diào)風系統(tǒng)控制模式；對需要控制不同房間不同溫度的，應(yīng)采用變風量系統(tǒng)控制，如風機盤管。

（2）新風系統(tǒng)在空調(diào)使用過渡季節(jié)，采用室外自然冷源輸送入室內(nèi)，滿足新風量及冷量的需要；夏季采用空氣全熱交換機組，通過帶低溫冷源的排風與室外輸送入室內(nèi)的高溫新風進行熱交換，降低室外送入新風溫度，充分利用排風交換的能量，大大降低空調(diào)能耗。

（3）結(jié)合建筑主體結(jié)構(gòu)及室內(nèi)環(huán)境，改善建筑構(gòu)造保溫性能，減小冷熱損失。如建筑外結(jié)構(gòu)采用保溫性能差的玻璃幕墻將直接影響設(shè)備配置及能源消耗。

（4）室內(nèi)管道采用節(jié)能產(chǎn)品及材料，提高絕熱性，選擇末端設(shè)備具有控流量、風量、溫度功能的產(chǎn)品。

3.6 暖通空調(diào)系統(tǒng)導(dǎo)入BIM 技術(shù)節(jié)能設(shè)計

設(shè)計階段結(jié)合建筑設(shè)計模型（BIM）技術(shù)進行優(yōu)化圖紙設(shè)計，通過對建筑數(shù)據(jù)和設(shè)計方案進行整體分析，更精準計算暖通空調(diào)系統(tǒng)負荷參數(shù)，準確配置區(qū)間設(shè)備功率大小，減小設(shè)計誤差。特別在大、中型的暖通空調(diào)系統(tǒng)，在已有的設(shè)計方案基礎(chǔ)上，進一步優(yōu)化系統(tǒng)，計算管網(wǎng)水力損失、冷熱負荷，為方案決策提供科學依據(jù)，精準選擇制冷機組、冷凍泵、冷卻泵、冷卻塔型號及組合數(shù)量，降低投資及系統(tǒng)運行能耗。建造設(shè)計中應(yīng)用BIM 技術(shù)匯集各專業(yè)數(shù)據(jù)，搭建數(shù)字模型可以通過三維技術(shù)和數(shù)字技術(shù)對設(shè)計數(shù)據(jù)和施工信息完整表達出來，其可視化和模擬性能有效提高方案設(shè)計質(zhì)量和施工安裝技術(shù)水平。如對設(shè)備安裝標高、管線走向路徑、綜合排布仿真模擬，將二維設(shè)計圖轉(zhuǎn)變?yōu)槿S立體模型，把實際問題清晰顯示出來。方案設(shè)計是否合理或所存在的問題，設(shè)計人員通過三維圖一目了然，有效防止管線間相互碰撞，合理處置與消防、電氣、給排水等專業(yè)設(shè)施、管道的空間定位或其他問題，避免管路水循環(huán)系統(tǒng)不暢通或形成氣囊，保證空調(diào)系統(tǒng)的制冷效果，同時節(jié)約能耗。BIM 技術(shù)不但具有視化性、模擬性、優(yōu)化性，同時也具有信息完備性、信息關(guān)聯(lián)性、信息一性[4]，設(shè)計人員可以根據(jù)動態(tài)信息或業(yè)主要求隨時優(yōu)化設(shè)計參數(shù)或設(shè)計變更，大大提高工作效率。

3.7 暖通空調(diào)系統(tǒng)水質(zhì)處理節(jié)能設(shè)計

由于水系統(tǒng)中含有大量的鈣鎂離子，其在溫度及二氧化碳作用下析出晶體，系統(tǒng)長期運行后晶體不斷沉積于換熱器及管道表面，形成的常見水垢，其增加管道阻力及降低冷凝器、蒸發(fā)器熱交換效果，嚴重制約機組最佳運行狀態(tài)，使制冷機組性能下降，增加了水泵、制冷機組運行功率，增加了能耗。相關(guān)資料表明:當冷凝器水垢厚度達0.5 mm 時，制冷機組能耗增加約20%，冷凝溫度每上升1 ℃，機組制冷性能下降2%，管道水垢每增加0.15 mm，水泵能耗增加15%。由此，在做方案設(shè)計時要充分考慮上述諸因素，在系統(tǒng)管道增設(shè)降低水垢或去除水垢裝置，如電子除垢儀?？茖W進行水質(zhì)處理，減小系統(tǒng)中運行的不利因素，有利于提高設(shè)備運行效率，延長壽命，節(jié)省能耗。

3.8 暖通空調(diào)系統(tǒng)室內(nèi)冷凝水合理利用節(jié)能設(shè)計

空調(diào)室內(nèi)冷凝水有兩個明顯特點:

（1）溫度較低，根據(jù)空氣調(diào)節(jié)原理可知，當空氣溫度低于其露點溫度，空氣中的濕空氣就會形成凝結(jié)水，即產(chǎn)生冷凝水，冷凝水通常較冷凍水回水溫度高5 ～6 ℃。測試數(shù)據(jù)表明，當冷凍水供水溫度為8.0～9.1 ℃，回水溫度13.0 ～14.0 ℃時，室內(nèi)冷凝水排出管口水溫為18.2 ～19.5 ℃，夏季室外溫度33.5 ℃以上，冷凝水是一個很好的冷源。

（2）冷凝水產(chǎn)量不但與空調(diào)系統(tǒng)運行時間有關(guān)，還與空氣的溫度、濕度、表冷器蒸發(fā)溫度、蒸發(fā)面積、風量、冷量有很大的關(guān)系。

經(jīng)計算與測試表明風機盤管及制冷風柜，冷負荷當量產(chǎn)冷凝水約0.5 ～0.6 kg/kW·h，新風機組冷負荷當量產(chǎn)冷凝水0.6 ～0.7 kg/kW·h[5]。若設(shè)計系統(tǒng)冷源制冷量3500 kW，室內(nèi)配置冷負荷總冷量4200 kW，系統(tǒng)每天運行時間15 h，室內(nèi)負荷利用率按75 %計算，則收集冷凝水4200 kW × 0.6 kg/kW·h × 15 h ×75% = 23625 kg，相當23.6 m3/天；系統(tǒng)冷源制冷量3500 kW 對應(yīng)配置冷卻塔循環(huán)水流量為3 500 kW ×0.215 m3/ kW·h = 752 .5 m3/h（標準工況下每kW 冷量配比水流量按0.172 m3/h，冷卻水流量取冷凍水的1.25 倍，即0.172 m3/h × 1.25 = 0.215 m3/h），冷卻塔水損失量一般在0.8% ～1.5%，取1. 5%則補水量為752.5 m3/h × 1.5% = 11.3 m3/h；每天運行按15 h 計算，側(cè)總補水量為11.3 m3/h × 15 h = 169.3 m3，每天節(jié)約率23.6 m3÷ 169.3 m3= 13.9%。節(jié)約用水量轉(zhuǎn)換經(jīng)濟價值，每立方水按4.0 元計算，每個月相當節(jié)約費用30 天× 23.6 × m3/天× 4 元/ m3= 2832 元，每年按6 個月計算，每年節(jié)省費用2832 元/月× 6 月=16992 元。

由此可見，對于冷負荷較大的大、中型的中央空調(diào)系統(tǒng)，夏季制冷運行時，末端制冷設(shè)備產(chǎn)生大量的冷凝水，并將其利用于冷卻系統(tǒng)補水，大大節(jié)約水資源，具有很大的經(jīng)濟意義。同時，利用冷凝水具有冷源低溫的特點，對降低冷卻水也有很大作用，正常工況下冷卻塔集水盤出水溫度30.0 ～32.0 ℃，回水溫度35.0 ～37.0 ℃，當加入18.2 ～19.5 ℃冷凝水補水時，無需消耗電功率就可以抵消部分熱量，使冷卻水在冷卻塔原散熱的基礎(chǔ)上，進一步降低溫度，低溫的冷卻水更有利于降低制冷機組冷凝溫度，提高制冷系數(shù)，減小能耗。傳統(tǒng)做法是把冷凝水直接排放，不再利用，其實這是一種水資源及能源的浪費。故此，技術(shù)方案設(shè)計需考慮冷凝水回收合理利用的積極因素。

3.9 暖通空調(diào)系統(tǒng)管理節(jié)能設(shè)計

采用節(jié)能管理系統(tǒng)（合同能源管理）管理運行，集中管理分散控制。該系統(tǒng)根據(jù)室內(nèi)冷熱負荷變化智能調(diào)節(jié)冷熱源機組投入運的臺數(shù)或調(diào)節(jié)容量，綜合運用恒流量變溫差、變流量變溫差或供水溫度不變提高回水溫度等控制策略及調(diào)節(jié)方式控制冷量?；谂照{(diào)系統(tǒng)使用是動態(tài)的、受干擾因素多，具有不確定性，外部氣象參數(shù)的變化直接影響系統(tǒng)機組運行相互耦合特性、系統(tǒng)運行效率。節(jié)能管理系統(tǒng)運行，通過計算機技術(shù)、變頻技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及終端傳感觸角、網(wǎng)絡(luò)全方位對冷熱源機組、末端設(shè)備、室內(nèi)參數(shù)自動監(jiān)測、收集、反饋、分析處理、存儲，適時自動調(diào)節(jié)控制，并實時提供數(shù)據(jù)給管理者。這種管理方式能讓管理者隨時撐握系統(tǒng)運行參數(shù)及能源消耗情況，系統(tǒng)節(jié)省能耗率占整個系統(tǒng)暖通空調(diào)功率的21%。

4 結(jié)語

暖通空調(diào)系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計貫穿系統(tǒng)運行使用的全壽命周期，系統(tǒng)源頭設(shè)計節(jié)能奠定后期維護使用節(jié)能的基礎(chǔ)。通過多維度思考，建立節(jié)能設(shè)計平臺，應(yīng)用科學技術(shù)，不斷優(yōu)化系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計，綜合各項節(jié)能設(shè)計措施，提高暖通空調(diào)系統(tǒng)全年運行的綜合能效比，實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能，最終達到預(yù)期經(jīng)濟效益。