浅析空调系统设计和运行过程中的节能措施

摘 要：本文主要分析了影响空调能耗的几个因素，并提出了空调节能的若干措施和建议，供参考。

关键词：空调能耗；影响因素；节能措施

1 引言

由于我国建筑物的保温节能性能差、空调运行效率低、大部分居民尚未形成良好的节能习惯等原因，我国的空调节能潜力非常大。据分析，到2020年全面实现小康社会时，我国空调高峰负荷节电空间约9000万千瓦，相当于5个三峡电站的满负荷容量，是规划中2020年的全国核电总装机容量的2～3倍，相应可减少电力建设投资4000亿元以上。因此，采用合理的措施和策略来节约空调能耗，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。

2 影响空调能耗的因素

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、建筑围护结构的保温性能、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（degree days）、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。

3 空调节能的若干措施

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。

3.1建筑物及其围护结构

建筑物及其围护结构对节能的影响主要有如下方面：

（1）建筑物的朝向 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.

（2）体形系数 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。

（3）外窗面积

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。

（4）围护结构保温性能

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。

3.2 合理利用和控制室外新风量

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。

这三种运行方式能耗比较如表1所示：

表1 控制新风量所消耗的能量（109J/季）

供冷（6、7、8、9月）

供暖（1、2、3、12）

阀门情况

固定

自动

固定

自动

室内负荷

7886

7886

423

423

新风负荷

8150

4156

11447

3423

合 计

16036

12042

11870

3846

节约率%

24.9

67.6

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。

4.3 减少输送系统的动力能耗

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：

（1）大温差

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℃。

（2）低流速

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。

（3）采用输送效率高的载能介质

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。

4.4 变频调速

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。

图1 变频调速示意图

将变频技术应用到空调水系统中（如图1），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：

G/G′=n/n′，N/N′=（n/n′）3

其中，G―设计工况流量，N―轴功率，n―转速

G′―实际工况流量，N′―轴功率，n―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。

4.5 从排风中回收热量

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%。

4.6 利用冷却塔供冷

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。

5 结论

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。