為實(shí)現碳達峰、碳中和的愿景，簡(jiǎn)述了作為建筑行業(yè)能耗較高的暖通空調可以大力推廣應用的幾種常見(jiàn)的節能系統解決方案。

 

　　氣候變暖是跨越國界的全球性挑戰，會(huì )引發(fā)長(cháng)期深層次的危機，如極端天氣增加、海平面上升、傳染病增加、瀕危物種滅絕、沖突和戰爭爆發(fā)等。為應對氣候變化，全球197個(gè)國家于2015年在法國巴黎通過(guò)了《巴黎協(xié)定》，旨在大幅減少全球溫室氣體排放，將氣溫升幅限制在比工業(yè)化前水平高2 ℃以?xún)?，并努力控制?.5 ℃以?xún)?，每五年審查一次各國對減排的貢獻。2020年9月22日，習近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì )上發(fā)表重要講話(huà)，提到“2019年爆發(fā)的新冠肺炎疫情啟示我們，人類(lèi)需要一場(chǎng)自我革命，加快形成綠色發(fā)展方式和生活方式，建設生態(tài)文明和美麗地球。人類(lèi)不能再忽視大自然一次又一次的警告，沿著(zhù)只講索取不講投入、只講發(fā)展不講保護、只講利用不講修復的老路走下去。中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前達到二氧化碳排放峰值，努力爭取2060年前實(shí)現碳中和”。

 

　　“雙碳”戰略背景之下，作為與人類(lèi)生產(chǎn)生活息息相關(guān)的建筑業(yè)，碳排放量更不容小覷。而作為建筑運行使用階段的能耗大戶(hù)，暖通空調系統的能耗一直獨占鰲頭，因此對于能否達成“雙碳”目標，暖通空調的節能變得至關(guān)重要，成為關(guān)乎國計民生的大事，大力推廣節能系統意義重大。

 

　　隨著(zhù)暖通行業(yè)技術(shù)的日益成熟與推陳出新，暖通空調的節能系統已在較多領(lǐng)域應用，如酒店、寫(xiě)字樓、商場(chǎng)、醫院醫療、生物制藥、工業(yè)制造、數據中心、食品加工等。其中應用較為廣泛的系統有高效機房全變頻系統、熱回收系統、自然冷卻系統、熱泵系統、冰蓄冷系統，本文將對這幾種節能系統的特點(diǎn)和適用場(chǎng)所進(jìn)行闡述。

 

　　高效機房全變頻系統

　　高效機房全變頻系統指采用變頻冷水機組及變頻附屬設備如水泵、冷卻塔等并搭配能源管理平臺的節能系統，適用于酒店、寫(xiě)字樓、醫療、數據中心等場(chǎng)所。以酒店建筑為例，一般全變頻系統較定頻系統節能約30%。

 

　　01 冷水機組變頻

　　冷水機組變頻節能分為部分負荷下的節能和低冷卻水溫下的節能兩方面。下面以離心機組為例，詳細闡述其節能原理。

 

　　·部分負荷下的節能

　　常規空調設備的容量是按照建筑物最大負荷配置，且留有設計余量。在沒(méi)有采用變頻調節的系統中，無(wú)論季節和用戶(hù)側負荷如何變化，各設備都長(cháng)期在定頻狀態(tài)下全速運行，定頻機組通過(guò)調節導流葉片開(kāi)度來(lái)調節機組負荷，高效率點(diǎn)在70%～80%負荷，當負荷繼續降低時(shí)，電機轉速恒定，單位電耗增加。而變頻機組通過(guò)調節導流葉片開(kāi)度和電機轉速來(lái)調節機組負荷，在部分負荷下，電機轉速下降，可有效降低電耗。

 

　　·低冷卻水溫下的節能

　　在過(guò)渡季節，冷卻水溫度一般遠低于設計工況。對于定頻機組，穩定運行需有恒定的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。但冷卻水溫度降低后，冷凝壓力隨之降低。為維持機組運行，需關(guān)小導葉開(kāi)度，減小循環(huán)量，以調整壓縮機工作點(diǎn)，來(lái)適應更低的冷凝壓力。這樣不但降低了機組效率，還消耗了更多電功率。而變頻機組可以通過(guò)調節電機的轉速來(lái)適應冷凝溫度與壓力的變化，在冷卻水溫度越低、負荷越低的情況下，電機轉速越小，節能越顯著(zhù)。

 

　　02 水泵變頻

　　常見(jiàn)的空調水系統流量調節方式為變閥開(kāi)度調節和水泵變頻調節。變閥開(kāi)度調節是通過(guò)改變管道閥門(mén)的開(kāi)度來(lái)調節泵的流量，特點(diǎn)是水泵的性能曲線(xiàn)不變，泵的功率基本不變，但相較于水泵變頻節能量有限。變頻調節是通過(guò)變頻器改變電源的工作頻率，從而實(shí)現對電機的無(wú)級調速[1]。由《流體力學(xué)泵與風(fēng)機》第十一章葉片式泵與風(fēng)機的理論可知，水泵功率與轉速的3次方成正相關(guān)關(guān)系，當系統實(shí)際所需的供水流量降低時(shí)，可以相應地降低水泵轉速，使水泵功耗降低。因此，當季節、晝夜溫差變化或末端需求變化時(shí)，系統處于部分負荷狀態(tài)下，水流量都會(huì )低于額定流量，均可通過(guò)水泵變頻實(shí)現能耗降低。

 

　　熱回收系統

　　熱回收系統的基礎是同時(shí)有冷熱負荷需求，一般用于生產(chǎn)工藝、酒店等（有生活熱水、泳池、廚房/洗衣房熱水）。常見(jiàn)的形式有兩種，一是機組自帶熱回收器，通過(guò)機組自身實(shí)現的熱回收；二是機組為常規主機，通過(guò)在水系統增加板換實(shí)現的熱回收。

 

　　01 機組自帶熱回收器的熱回收

　　以離心機組為例，傳統的冷水機組僅有蒸發(fā)器和冷凝器、壓縮機、節流這四大部件。熱回收機組指的是在四大部件基礎上增加一個(gè)熱回收換熱器，結構形式同冷凝器，在制冷運行的同時(shí)可實(shí)現熱回收。流程如圖1所示，熱回收機組以制冷工況運行時(shí)，來(lái)自蒸發(fā)器的冷水通過(guò)冷水循環(huán)泵送至用戶(hù)末端，冷凝器側的熱量通過(guò)冷卻水經(jīng)冷卻水循環(huán)泵送至冷卻塔排放，熱回收器的熱水通過(guò)熱水循環(huán)泵送至熱水系統。

 

　　02 水系統冷卻水熱回收

　　在既有建筑已使用常規冷水機組，且建筑有熱水需求的情況下，可以在冷卻水系統側做熱回收。對于常規冷水機組壓縮機做功產(chǎn)生的廢熱主要通過(guò)冷卻水經(jīng)冷卻塔散失掉，所以將冷卻水中所含的熱量加以利用制取熱水可以達到很好的節能效果。流程如圖2所示，冷卻水系統串聯(lián)一個(gè)板換，冷水機組運行時(shí)，冷凝器側的冷卻水出水經(jīng)過(guò)板換與自來(lái)水換熱，將自來(lái)水加熱，達到為建筑提供生活熱水的目的。

 

　　其他幾種節能系統

　　01 自然冷卻系統

　　在過(guò)渡季及冬季，隨著(zhù)室外溫度的下降，此時(shí)仍有供冷需求的系統，可通過(guò)換熱器提取室外低溫環(huán)境的冷負荷實(shí)現制冷，壓縮機可不運行或部分負荷運行。這種方式叫做自然冷卻，廣泛應用于數據中心、電子廠(chǎng)房等場(chǎng)所，根據我國的地勢氣溫分布，在長(cháng)江以北地區，冬季室外溫度越低，節能效果越明顯。常見(jiàn)的自然冷卻系統有水冷式和風(fēng)冷式。水冷式系統指的是應用水冷主機、冷卻塔和板換的形式，需配置機房；風(fēng)冷式系統指的是使用具有自然冷卻功能的風(fēng)冷主機，無(wú)須機房。

 

　　·水冷式自然冷卻系統

　　水冷式系統中冷水機組和板換多為并聯(lián)的形式，在過(guò)渡季及冬季，隨著(zhù)室外溫度的下降，經(jīng)過(guò)冷卻塔處理的冷卻水溫度也在降低，對于末端仍有供冷需求的建筑，可充分利用低冷卻水溫向末端供冷。當室外溫度低到設定值時(shí)，冷水機組關(guān)閉，冷卻塔的冷卻水管路和用戶(hù)末端管路切到板換兩側，由板換代替冷水機組，通過(guò)冷卻塔和板換將來(lái)自末端設備的冷凍水降溫，再送至末端設備中。這種供冷形式機組的壓縮機不運行，可節省較多的運行費用。值得注意的是，因北方地區冬季溫度較低，所以該系統需要配置防凍保護措施，可在冷卻塔集水盤(pán)及戶(hù)外冷卻水管道上增加電伴熱預防結冰。

 

　　·風(fēng)冷式自然冷卻系統

　　風(fēng)冷式系統是指采用帶有自然冷卻的風(fēng)冷主機，在常規風(fēng)冷主機的基礎上增加了風(fēng)冷自然冷卻換熱器。機組夏季運行的時(shí)候，與常規機組一樣，開(kāi)啟壓縮機制冷，自然冷卻器不使用。過(guò)渡季，當環(huán)境溫度低于冷凍水溫度一定值時(shí)，開(kāi)啟自然冷卻器預冷冷凍水，若自然冷卻不夠，再開(kāi)啟常規壓縮機制冷進(jìn)行接力。冬季，當室外溫度遠遠低于冷凍水溫度時(shí)，可進(jìn)入完全自然冷卻模式，壓縮機無(wú)須開(kāi)啟做功。

 

　　02 熱泵系統

　　目前華北地區冬季采暖大多使用燃煤集中供熱形式，為了降低碳排放，傳統燃煤向清潔能源轉型勢在必行。常見(jiàn)的供熱形式有電熱泵和溴化鋰吸收式熱泵，其中電熱泵有水地源熱泵系統及空氣源熱泵系統。

 

　　·水地源熱泵系統

　　水地源熱泵可利用水、土壤或工藝污廢水的低品位熱能資源，采用熱泵原理，實(shí)現低品位熱能向高品位熱能轉移，另外熱泵機組還可同時(shí)制冷制熱，一機多用。一般情況下，水地源熱泵的制冷、制熱系數可達3～5，與傳統利用率只有80%～90%的電鍋爐、燃氣鍋爐相比，能節省大量用電能耗，可應用于商場(chǎng)、醫院、學(xué)校、別墅住宅等場(chǎng)所。

 

　　·空氣源熱泵系統

　　目前，隨著(zhù)暖通行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，低環(huán)溫的空氣源設備也日趨成熟，已廣泛應用于北方地區?？諝庠礋岜脵C組直接與空氣進(jìn)行換熱，無(wú)須其他配置，相較于水地源熱泵系統，不受水源、地源條件限制，系統簡(jiǎn)單，也是常見(jiàn)的清潔能源形式。

 

　　·溴化鋰熱泵系統

　　溴化鋰吸收式熱泵是一種以溴化鋰溶液和水作為工作介質(zhì)，以熱能如蒸汽、熱水作為驅動(dòng)方式的熱泵類(lèi)型。在熱電、石化、氮肥、鋼鐵、化工、食品、石化等行業(yè)通常會(huì )有一些高溫煙氣余熱、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、爐渣余熱、化學(xué)反應余熱、廢料余熱等可利用能源，采用溴化鋰熱泵系統實(shí)現回收再利用，可以提高能源使用效率。

 

　　03 冰蓄冷系統

　　蓄冷空調系統，即在電力負荷很低的夜間用電低谷期，采用電制冷機制冷，將冷量以冰的形式貯存起來(lái)，在電力負荷較高的白天，把貯存的冷量釋放出來(lái)，以滿(mǎn)足建筑物空調負荷需要的空調系統。冰蓄冷系統一般配置載冷劑為乙二醇溶液的制冷機組及蓄冰裝置。蓄冷技術(shù)是轉移高峰電力、開(kāi)發(fā)低谷用電、優(yōu)化資源配置、保護生態(tài)環(huán)境的一項重要技術(shù)措施。采用冰蓄冷系統一個(gè)最基本的前提條件是，建筑物所在區域要有合適的分時(shí)電價(jià)結構和相關(guān)優(yōu)惠政策，冰蓄冷系統夜間制冰，最適用于在夜間沒(méi)有供冷要求或僅需部分供冷的場(chǎng)所，如商場(chǎng)、機場(chǎng)、辦公樓、展館和醫院等。

 

　　結語(yǔ)

　　隨著(zhù)全國碳排放權交易市場(chǎng)的成立，碳市場(chǎng)試點(diǎn)的增多，越來(lái)越多的行業(yè)將被納入碳市場(chǎng)的管控。持續推進(jìn)低碳建筑暖通節能系統意義重大，本文所介紹的幾種節能系統解決方案有各自應用的場(chǎng)景和特點(diǎn)，業(yè)主可根據自身業(yè)態(tài)的類(lèi)型、節能量、舒適度和室內品質(zhì)等不同需求，結合可利用的資源，去選擇最適合的系統解決方案