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

 

　　氣候變暖是跨越國界的全球性挑戰，會引發長期深層次的危機，如極端天氣增加、海平面上升、傳染病增加、瀕危物種滅絕、沖突和戰爭爆發等。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化前水平高2 ℃以內，并努力控制在1.5 ℃以內，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合國大會上發表重要講話，提到“2019年爆發的新冠肺炎疫情啟示我們，人類需要一場自我革命，加快形成綠色發展方式和生活方式，建設生態文明和美麗地球。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年前實現碳中和”。

 

　　“雙碳”戰略背景之下，作為與人類生產生活息息相關的建筑業，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重要，成為關乎國計民生的大事，大力推廣節能系統意義重大。

 

　　隨著暖通行業技術的日益成熟與推陳出新，暖通空調的節能系統已在較多領域應用，如酒店、寫字樓、商場、醫院醫療、生物制藥、工業制造、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和適用場所進行闡述。

 

　　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、寫字樓、醫療、數據中心等場所。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。在沒有采用變頻調節的系統中，無論季節和用戶側負荷如何變化，各設備都長期在定頻狀態下全速運行，定頻機組通過調節導流葉片開度來調節機組負荷，高效率點在70%～80%負荷，當負荷繼續降低時，電機轉速恒定，單位電耗增加。而變頻機組通過調節導流葉片開度和電機轉速來調節機組負荷，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，需關小導葉開度，減小循環量，以調整壓縮機工作點，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節電機的轉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，電機轉速越小，節能越顯著。

 

　　02 水泵變頻

　　常見的空調水系統流量調節方式為變閥開度調節和水泵變頻調節。變閥開度調節是通過改變管道閥門的開度來調節泵的流量，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能量有限。變頻調節是通過變頻器改變電源的工作頻率，從而實現對電機的無級調速[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，水泵功率與轉速的3次方成正相關關系，當系統實際所需的供水流量降低時，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，系統處于部分負荷狀態下，水流量都會低于額定流量，均可通過水泵變頻實現能耗降低。

 

　　熱回收系統

　　熱回收系統的基礎是同時有冷熱負荷需求，一般用于生產工藝、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，通過機組自身實現的熱回收；二是機組為常規主機，通過在水系統增加板換實現的熱回收。

 

　　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熱回收換熱器，結構形式同冷凝器，在制冷運行的同時可實現熱回收。流程如圖1所示，熱回收機組以制冷工況運行時，來自蒸發器的冷水通過冷水循環泵送至用戶末端，冷凝器側的熱量通過冷卻水經冷卻水循環泵送至冷卻塔排放，熱回收器的熱水通過熱水循環泵送至熱水系統。

 

　　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生的廢熱主要通過冷卻水經冷卻塔散失掉，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，冷卻水系統串聯一個板換，冷水機組運行時，冷凝器側的冷卻水出水經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。

 

　　其他幾種節能系統

　　01 自然冷卻系統

　　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，可通過換熱器提取室外低溫環境的冷負荷實現制冷，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、電子廠房等場所，根據我國的地勢氣溫分布，在長江以北地區，冬季室外溫度越低，節能效果越明顯。常見的自然冷卻系統有水冷式和風冷式。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；風冷式系統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

　　水冷式系統中冷水機組和板換多為并聯的形式，在過渡季及冬季，隨著室外溫度的下降，經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。當室外溫度低到設定值時，冷水機組關閉，冷卻塔的冷卻水管路和用戶末端管路切到板換兩側，由板換代替冷水機組，通過冷卻塔和板換將來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，可在冷卻塔集水盤及戶外冷卻水管道上增加電伴熱預防結冰。

 

　　·風冷式自然冷卻系統

　　風冷式系統是指采用帶有自然冷卻的風冷主機，在常規風冷主機的基礎上增加了風冷自然冷卻換熱器。機組夏季運行的時候，與常規機組一樣，開啟壓縮機制冷，自然冷卻器不使用。過渡季，當環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

　　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，實現低品位熱能向高品位熱能轉移，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、醫院、學校、別墅住宅等場所。

 

　　·空氣源熱泵系統

　　目前，隨著暖通行業的技術發展，低環溫的空氣源設備也日趨成熟，已廣泛應用于北方地區。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，不受水源、地源條件限制，系統簡單，也是常見的清潔能源形式。

 

　　·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，以熱能如蒸汽、熱水作為驅動方式的熱泵類型。在熱電、石化、氮肥、鋼鐵、化工、食品、石化等行業通常會有一些高溫煙氣余熱、冷卻介質余熱、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實現回收再利用，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，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。蓄冷技術是轉移高峰電力、開發低谷用電、優化資源配置、保護生態環境的一項重要技術措施。采用冰蓄冷系統一個最基本的前提條件是，建筑物所在區域要有合適的分時電價結構和相關優惠政策，冰蓄冷系統夜間制冰，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、展館和醫院等。

 

　　結語

　　隨著全國碳排放權交易市場的成立，碳市場試點的增多，越來越多的行業將被納入碳市場的管控。持續推進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景和特點，業主可根據自身業態的類型、節能量、舒適度和室內品質等不同需求，結合可利用的資源，去選擇最適合的系統解決方案