為實現(xiàn)碳達峰、碳中和的愿景，簡述了作為建筑行業(yè)能耗較高的暖通空調(diào)可以大力推廣應用的幾種常見的節(jié)能系統(tǒng)解決方案。

 

　　氣候變暖是跨越國界的全球性挑戰(zhàn)，會引發(fā)長期深層次的危機，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(zhàn)爭爆發(fā)等。為應對氣候變化，全球197個國家于2015年在法國巴黎通過了《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 ℃以內(nèi)，并努力控制在1.5 ℃以內(nèi)，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)合國大會上發(fā)表重要講話，提到“2019年爆發(fā)的新冠肺炎疫情啟示我們，人類需要一場自我革命，加快形成綠色發(fā)展方式和生活方式，建設(shè)生態(tài)文明和美麗地球。人類不能再忽視大自然一次又一次的警告，沿著只講索取不講投入、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年前實現(xiàn)碳中和”。

 

　　“雙碳”戰(zhàn)略背景之下，作為與人類生產(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，暖通空調(diào)系統(tǒng)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(diào)的節(jié)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(jié)能系統(tǒng)意義重大。

 

　　隨著暖通行業(yè)技術(shù)的日益成熟與推陳出新，暖通空調(diào)的節(jié)能系統(tǒng)已在較多領(lǐng)域應用，如酒店、寫字樓、商場、醫(yī)院醫(yī)療、生物制藥、工業(yè)制造、數(shù)據(jù)中心、食品加工等。其中應用較為廣泛的系統(tǒng)有高效機房全變頻系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)、自然冷卻系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)，本文將對這幾種節(jié)能系統(tǒng)的特點和適用場所進行闡述。

 

　　高效機房全變頻系統(tǒng)

　　高效機房全變頻系統(tǒng)指采用變頻冷水機組及變頻附屬設(shè)備如水泵、冷卻塔等并搭配能源管理平臺的節(jié)能系統(tǒng)，適用于酒店、寫字樓、醫(yī)療、數(shù)據(jù)中心等場所。以酒店建筑為例，一般全變頻系統(tǒng)較定頻系統(tǒng)節(jié)能約30%。

 

　　01 冷水機組變頻

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

 

　　·部分負荷下的節(jié)能

　　常規(guī)空調(diào)設(shè)備的容量是按照建筑物最大負荷配置，且留有設(shè)計余量。在沒有采用變頻調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中，無論季節(jié)和用戶側(cè)負荷如何變化，各設(shè)備都長期在定頻狀態(tài)下全速運行，定頻機組通過調(diào)節(jié)導流葉片開度來調(diào)節(jié)機組負荷，高效率點在70%～80%負荷，當負荷繼續(xù)降低時，電機轉(zhuǎn)速恒定，單位電耗增加。而變頻機組通過調(diào)節(jié)導流葉片開度和電機轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)機組負荷，在部分負荷下，電機轉(zhuǎn)速下降，可有效降低電耗。

 

　　·低冷卻水溫下的節(jié)能

　　在過渡季節(jié)，冷卻水溫度一般遠低于設(shè)計工況。對于定頻機組，穩(wěn)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)小導葉開度，減小循環(huán)量，以調(diào)整壓縮機工作點，來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調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速來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(zhuǎn)速越小，節(jié)能越顯著。

 

　　02 水泵變頻

　　常見的空調(diào)水系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)方式為變閥開度調(diào)節(jié)和水泵變頻調(diào)節(jié)。變閥開度調(diào)節(jié)是通過改變管道閥門的開度來調(diào)節(jié)泵的流量，特點是水泵的性能曲線不變，泵的功率基本不變，但相較于水泵變頻節(jié)能量有限。變頻調(diào)節(jié)是通過變頻器改變電源的工作頻率，從而實現(xiàn)對電機的無級調(diào)速[1]。由《流體力學泵與風機》第十一章葉片式泵與風機的理論可知，水泵功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正相關(guān)關(guān)系，當系統(tǒng)實際所需的供水流量降低時，可以相應地降低水泵轉(zhuǎn)速，使水泵功耗降低。因此，當季節(jié)、晝夜溫差變化或末端需求變化時，系統(tǒng)處于部分負荷狀態(tài)下，水流量都會低于額定流量，均可通過水泵變頻實現(xiàn)能耗降低。

 

　　熱回收系統(tǒng)

　　熱回收系統(tǒng)的基礎(chǔ)是同時有冷熱負荷需求，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）。常見的形式有兩種，一是機組自帶熱回收器，通過機組自身實現(xiàn)的熱回收；二是機組為常規(guī)主機，通過在水系統(tǒng)增加板換實現(xiàn)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(tǒng)的冷水機組僅有蒸發(fā)器和冷凝器、壓縮機、節(jié)流這四大部件。熱回收機組指的是在四大部件基礎(chǔ)上增加一個熱回收換熱器，結(jié)構(gòu)形式同冷凝器，在制冷運行的同時可實現(xiàn)熱回收。流程如圖1所示，熱回收機組以制冷工況運行時，來自蒸發(fā)器的冷水通過冷水循環(huán)泵送至用戶末端，冷凝器側(cè)的熱量通過冷卻水經(jīng)冷卻水循環(huán)泵送至冷卻塔排放，熱回收器的熱水通過熱水循環(huán)泵送至熱水系統(tǒng)。

 

　　02 水系統(tǒng)冷卻水熱回收

　　在既有建筑已使用常規(guī)冷水機組，且建筑有熱水需求的情況下，可以在冷卻水系統(tǒng)側(cè)做熱回收。對于常規(guī)冷水機組壓縮機做功產(chǎn)生的廢熱主要通過冷卻水經(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(jié)能效果。流程如圖2所示，冷卻水系統(tǒng)串聯(lián)一個板換，冷水機組運行時，冷凝器側(cè)的冷卻水出水經(jīng)過板換與自來水換熱，將自來水加熱，達到為建筑提供生活熱水的目的。

 

　　其他幾種節(jié)能系統(tǒng)

　　01 自然冷卻系統(tǒng)

　　在過渡季及冬季，隨著室外溫度的下降，此時仍有供冷需求的系統(tǒng)，可通過換熱器提取室外低溫環(huán)境的冷負荷實現(xiàn)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(shù)據(jù)中心、電子廠房等場所，根據(jù)我國的地勢氣溫分布，在長江以北地區(qū)，冬季室外溫度越低，節(jié)能效果越明顯。常見的自然冷卻系統(tǒng)有水冷式和風冷式。水冷式系統(tǒng)指的是應用水冷主機、冷卻塔和板換的形式，需配置機房；風冷式系統(tǒng)指的是使用具有自然冷卻功能的風冷主機，無須機房。

 

　　·水冷式自然冷卻系統(tǒng)

　　水冷式系統(tǒng)中冷水機組和板換多為并聯(lián)的形式，在過渡季及冬季，隨著室外溫度的下降，經(jīng)過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(shè)定值時，冷水機組關(guān)閉，冷卻塔的冷卻水管路和用戶末端管路切到板換兩側(cè)，由板換代替冷水機組，通過冷卻塔和板換將來自末端設(shè)備的冷凍水降溫，再送至末端設(shè)備中。這種供冷形式機組的壓縮機不運行，可節(jié)省較多的運行費用。值得注意的是，因北方地區(qū)冬季溫度較低，所以該系統(tǒng)需要配置防凍保護措施，可在冷卻塔集水盤及戶外冷卻水管道上增加電伴熱預防結(jié)冰。

 

　　·風冷式自然冷卻系統(tǒng)

　　風冷式系統(tǒng)是指采用帶有自然冷卻的風冷主機，在常規(guī)風冷主機的基礎(chǔ)上增加了風冷自然冷卻換熱器。機組夏季運行的時候，與常規(guī)機組一樣，開啟壓縮機制冷，自然冷卻器不使用。過渡季，當環(huán)境溫度低于冷凍水溫度一定值時，開啟自然冷卻器預冷冷凍水，若自然冷卻不夠，再開啟常規(guī)壓縮機制冷進行接力。冬季，當室外溫度遠遠低于冷凍水溫度時，可進入完全自然冷卻模式，壓縮機無須開啟做功。

 

　　02 熱泵系統(tǒng)

　　目前華北地區(qū)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(tǒng)燃煤向清潔能源轉(zhuǎn)型勢在必行。常見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(tǒng)及空氣源熱泵系統(tǒng)。

 

　　·水地源熱泵系統(tǒng)

　　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，實現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移，另外熱泵機組還可同時制冷制熱，一機多用。一般情況下，水地源熱泵的制冷、制熱系數(shù)可達3～5，與傳統(tǒng)利用率只有80%～90%的電鍋爐、燃氣鍋爐相比，能節(jié)省大量用電能耗，可應用于商場、醫(yī)院、學校、別墅住宅等場所。

 

　　·空氣源熱泵系統(tǒng)

　　目前，隨著暖通行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，低環(huán)溫的空氣源設(shè)備也日趨成熟，已廣泛應用于北方地區(qū)。空氣源熱泵機組直接與空氣進行換熱，無須其他配置，相較于水地源熱泵系統(tǒng)，不受水源、地源條件限制，系統(tǒng)簡單，也是常見的清潔能源形式。

 

　　·溴化鋰熱泵系統(tǒng)

　　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(qū)動方式的熱泵類型。在熱電、石化、氮肥、鋼鐵、化工、食品、石化等行業(yè)通常會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、化學反應余熱、廢料余熱等可利用能源，采用溴化鋰熱泵系統(tǒng)實現(xiàn)回收再利用，可以提高能源使用效率。

 

　　03 冰蓄冷系統(tǒng)

　　蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，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，在電力負荷較高的白天，把貯存的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調(diào)負荷需要的空調(diào)系統(tǒng)。冰蓄冷系統(tǒng)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(zhuǎn)移高峰電力、開發(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(tǒng)一個最基本的前提條件是，建筑物所在區(qū)域要有合適的分時電價結(jié)構(gòu)和相關(guān)優(yōu)惠政策，冰蓄冷系統(tǒng)夜間制冰，最適用于在夜間沒有供冷要求或僅需部分供冷的場所，如商場、機場、辦公樓、展館和醫(yī)院等。

 

　　結(jié)語

　　隨著全國碳排放權(quán)交易市場的成立，碳市場試點的增多，越來越多的行業(yè)將被納入碳市場的管控。持續(xù)推進低碳建筑暖通節(jié)能系統(tǒng)意義重大，本文所介紹的幾種節(jié)能系統(tǒng)解決方案有各自應用的場景和特點，業(yè)主可根據(jù)自身業(yè)態(tài)的類型、節(jié)能量、舒適度和室內(nèi)品質(zhì)等不同需求，結(jié)合可利用的資源，去選擇最適合的系統(tǒng)解決方案