高层楼宇中央空调节能环保综合措施研究

摘要：文章在分析了我国高层楼宇中央空调系统运行现状后，对太阳能空调系统、水源热泵空调系统、变频调速中央空调系统三种高层楼宇建筑节能环保新技术进行了详细分析研究。

关键词：高层楼宇建筑；中央空调系统；节能环保技术

随着国民经济的进一步发展，世界能源供应紧张与环境污染已成为全球关注的两个重要问题，已成为人类人生存和发展的重要制约因素头。尤其是城市建设速度的加快，我国建筑能耗总量呈逐年上升趋势，环保节能已成为建筑设计、施工、运行管理研究的一个重要课题。中央空调系统是提高高层楼宇环境舒适性的重要系统，其能耗占高层楼宇能耗一半以上。在一些西方发达国家，中央空调系统能耗大约占据整个高层楼宇建筑物总能耗的60%～70%，随着人们对楼宇智能服务水平要求的进一步提高，我国在近十年内修筑的高层楼宇，其中央空提系统所占能耗也大约到达55%。为了是高层楼宇具有强大的可持续发展前景，各国政府都积极颁布相关“建筑节能”法律法规，已把“节能环保”等因素纳入考察鉴定和衡量一个建筑工程设计、施工、运行管理质量优劣的首要技术。2006年，美意中国有限公司在天津举办了“节能空调整体解决方案”，由中美两国官员、建筑节能行业专家、以及具备先进技术的厂方代表一起，对建筑中央空调系统的节能和环保技术进行广泛探讨推广。由建设部编制的《建筑节能管理条例》已在实际工程中进行执行。高层楼宇中央空调系统的能耗主要来自于制冷机及水泵。传统中央空调系统是按照满负荷进行统计设计的，而在楼宇正常运行过程中，系统中很多空调机组长时间处于部分负荷下运行工况（通常在50%及以下负荷工况区的运行时间是整个机组运行时间的70%左右），也就是说系统在运行时，由于机组没有处于最优运行工况，大部分能耗损耗被直接转换成热量、振动等其它能量，不仅造成巨大的电能浪费，同时剧烈的热量和振动相互结合，会大大降低空调机组的综合性能水平，缩短其综合使用寿命。因此，在设计、施工、以及运行管理过程，利用先进的技术措施和装备构筑完善的高层楼宇中央空调系统节能环保措施，使得高层楼宇建筑能源得到合理利用具有较强的工程实际意义。

一、太阳能空调系统

建筑物规模不断扩大，其屋顶建筑面积也在进一步扩大，这就为采集太阳能提高一个重要的基础场所。太阳能是一种再生可持续利用的清洁能源，是节能环保方面的一个重要能源载体。利用太阳能对高层楼宇建筑进行供热与制冷已成为国内外新能源研究领域的一个重要研究方向。中国幅员辽阔，太阳能资源也相当丰富，具备太阳能较好利用较好的地方大约占我国国土面积的2/3以上，且平均日照量可以达到5.9GJ/（m2・a），也就是说，太阳能可以在一定程度上缓解我国能源紧张问题。高层楼宇建筑中，利用太阳能真空集热器与溴化锂两级吸收式制冷机相结合，可以组成集夏季制冷、冬季供热、以及全年供给生活热水等多功能为一体的机电一体化空调热水机组，实现一机多功能，从而可以有效降低高层楼宇中央空调系统的运行电能损耗，降低用户的综合使用成本。太阳能一体化空调系统逻辑工作原理框图如图1所示：

图1太阳能一体化空调系统逻辑工作原理

从图1可知，太阳能集热器将太阳能捕获后，就会将热量传输给制冷用热水和生活用热水两个单元，可以大大降低中央空调制冷能耗。同时，在先进的制冷智能控制器的实时控制下，中央空调系统的制冷能力，会随着太阳能集热器采集太阳能的多少（同面积集热器，太阳辐射能量越大，所获得的能量越多），而进行自动调节，这正好满足用户随季节变化对中央空调系统实时变化调节能力的需求。太阳能一体化空调系统在实际运行过程中以太阳能捕获、水直接加热等过程为主，采用不含氟氯烃化合物的溴化锂作为主要的工作媒介，具备无臭、无毒等特性，而且还可以减少建筑物室内气体的排放量，有利于建筑物的环境保护。通过不同功能管网并联运行，可以将太阳能实时传输给其它功能单元，从而有效提高太阳能空调系统太阳能综合利用效率和调节运行经济性能。但太阳能一体化空调系统内部控制较为复杂，且设备初始投资较高，已实现商品化的太阳能空调系统大多应用于单位工作学习的高层楼宇建筑中央空调系统中，对于像居民住宅等用户而言，大多只采用了太阳能空调系统的供热功能，制冷环节较为薄弱，还需要进一步研究出价格合理、功能优越的中小型太阳能制冷供热一体化系统。

二、水源热泵空调系统

水源热泵空调系统是高层楼宇建筑中央空调系统节能环保重要组成单元，是一种通过利用地球表面浅层水源（如建筑物下部地下水、河流、以及湖泊等水资源）、人工技术处理再生水源（如工业废水、中水、地热尾水等废水回收水资源），既可供热又可制冷还可节约水能资源的高效节能环保空调系统。地下水、回收废水等水资源中所含的丰富热能资源，是水源热泵空调系统重要能源组成。如某工程直接采用地下水丰富的地热资源作为中央空调系统重要的热能，利用建筑区当地丰富的地热资源供暖，构筑环保节能的中央空调单元系统，大大降低了中央空调系统能耗。在进行中央空调系统设计时，经勘测，建筑区的地下水源平均温度约为19.8℃，且水质完全满足水源采暖空调系统需求，因此构筑采用水源热泵空调系统既节能又环保。首先将地下水用水泵引水至机房，然后在热量控制器的实时控制下，经热交换器交换后获得二次热能资源（控制水温在18℃左右）。二次热源采用的是干净的热水，可以作为系统热泵机组的冷却水源，然后经热泵机组实时加热形成50℃的热水供给建筑物内各功能单元采暖所用，其系统基本工作流程示意图如图2所示：

图2水源热泵空调系统工作流程示意图

从图2可知，热源水泵空调系统在冬季可以利用地下水平均10℃的热量，其水源温度比周围环境空气温度要高，因此利用热泵循环的蒸发温度差，可以有效获得供暖效果，其综合能效较高；在夏季则可以利用地下水平均20℃热量，其水源温度比周围环境空气温度要低，因此利用空调系统制冷冷凝温差就较小，使系统得冷却效果比风冷式和冷却塔式制冷系统更优越，空调机组运行效率会更高。据美国环保署EPA相关文献资料表明，在建筑工程中，合理利用各类水能资源内部存在的能量资源，平均来说可以为用户节约25%～35%左右的供热制冷中央空调的运行费用，因此，水源热泵空调系统的节能环保效果是非常可观的。

三、变频调速中央空调系统

传统中央空调系统机组大多采用交流直接控制，缺乏根据负荷波动实时调节功能，使得空调机组的运行时长期处于空载或少载运行工况，造成大量的电能资源浪费。变频调速中央空调系统是指采用变频调速控制原理，利用传感器采集建筑物内部的实时温度，然后经相应控制器实时分析运算后，获得对应的控制信号，并转换为电源频率差值，直接作用在空调机组电源上，通过压缩机的转速实现空调机组输入和输出间的动态平衡，达到节能降耗的目的。从变频调速控制技术上来看，变频调速中央空调系统需要采用专用变频器、多输入输出控制器、变频压缩机、以及中央数据处理器（DSP）等单元共同组成。变频调速中央空调系统主要采用无级变速调差原理，无须人工干预，系统可以通过传感信号自动控制。当系统开机运行后，经控制器和DSP数据处理单元内部分析运算，以最优调速模式在较短时间内达到空调系统预设的温度后，就会自动进入低频运转工况，从而降低空调机组运转转速，减少不必要的运转能耗。在高层楼宇中央空调系统中，由于受当时建设技术水平和投资资金的影响，大部分空调输送系统均按传统的设计理念进行，即按照建筑物空调系统的最大负荷需求，设计静态的水系统和风系统，从而造成中央空调系统长期处于低负荷运行工况区，其工作效率十分低。一般的空调水系统均采用阀门节流技术，其节能效果十分有限。风系统在运行时，需要采用再加热等措施才能满足建筑物冷热负荷运行需要，这种运行方式不仅造成电能资源大量浪费，同时其还存在调节实时性差、准确性低等问题。据相关资料统计表明，中央空调系统采用节流阀和再加热等运行调节模式中，其定速泵和风机所耗电能大约有50%～60%是消耗在系统调节阀、节流控制压降等环境中，因此，其节能潜力是相当大的。变频调速实时控制技术可以更加负荷波动实时调节系统运行工况，通过变频装置实时调节控制水泵（风机）等转速，有效建设节省中央空调电机的耗电量，达到节能降耗的目的。

四、结语

我国在建筑节能方面研究起步较晚，加上我国公共建筑建设量相当大，公共建筑的系统能耗较国外一些发达国家大约高35%左右，也就是说构筑优越节能环保系统是高层楼宇建设过程中一项非常重要、刻不容缓的一项工作。中央空调系统能耗是高层楼宇建筑能耗中重要组成部分，而目前我国建筑物内部中央空调系统的节能潜力还非常大，将上述多种中央空调环保技能措施在设计、施工、运行管理中进行落实实施，可以有效高层楼宇建筑中央空调能耗，达到环保节能的目的。

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