降低大型公建能耗关键技术研究

摘要：我国有近5亿平方米的大型公共建筑采用中央空调。建筑总面积不足我国城镇民用建筑面积5%的大型公共建筑，其用电量约占我国建筑用电量的25%。而且，随着我国经济的发展和城市化进程的加快，大型公共建筑以每年3000～4000万平方米的速度飞速增长，高能耗指标的大型公共建筑占城镇建筑总面积的比例也越来越大，造成建筑用电量的增长速度高于建筑总量的增长速度。因此研究降低大型公共建筑空调系统能耗的关键技术，不仅可引领我国的公共建筑暖通空调节能设计，促进我国新型节能空调产品研发和形成相应的产品产业化，降低建筑能耗水平中起到积极的推动和促进作用；同时，将研究成果以示范工程的形式进行推广，对于建筑节能乃至整个国家的能源战略，有着非常重要的意义。

技术研发背景

当前，能源紧缺已经成为严重制约我国经济社会发展的关键问题，建筑节能作为国家能源战略的一个重要组成部分，受到了越来越多的关注。目前我国城镇民用建筑运行耗电为我国总发电量的23%，建筑能耗对国民经济发展和人民的正常工作生活的影响日益突出。

我国有近5亿平方米的大型公共建筑采用中央空调。根据对北京、上海、广州和深圳近百座大型公共建筑用能情况的调查，发现它们的单位面积用电量是城市一般住宅建筑用电量的10～20倍，其中一半以上电耗用于中央空调。建筑总面积不足我国城镇民用建筑面积5%的大型公共建筑，其用电量约占我国建筑用电量的25%。而且，随着我国经济的发展和城市化进程的加快，大型公共建筑以每年3000～4000万平方米的速度飞速增长，高能耗指标的大型公共建筑占城镇建筑总面积的比例也越来越大，造成建筑用电量的增长速度高于建筑总量的增长速度。因此研究降低大型公共建筑空调系统能耗的关键技术，不仅可引领我国的公共建筑暖通空调节能设计，促进我国新型节能空调产品研发和形成相应的产品产业化，降低建筑能耗水平中起到积极的推动和促进作用；同时，将研究成果以示范工程的形式进行推广，对于建筑节能乃至整个国家的能源战略，有着非常重要的意义。

大型公建能耗特点及分析

大型公共建筑的能耗特点为：主要的能源消耗为电能；单位建筑面积能耗指标高，其中空调系统是电耗的重要组成部分；空调系统中输配系统（风机、水泵）耗电量偏高，在比重上甚至超过制冷机组。

空调的目的是为了把室内的余热、余湿排出室外，并提供满足卫生要求的新风。从这一目的出发，可以发现不同空调方式、实现同样功能的能源消耗差别很大。例如，采用不同媒介（水、风）的输送能耗差别很大。有关研究结果表明：在输送同样冷量的情况下，采用空气作为媒介的输送能耗约是水作为媒介的10倍，所需的输送管道截面积是水作为媒介的几百倍。在目前我国大型公共建筑的中央空调系统中，不少采用全空气系统的形式，所有的冷量全部用空气来传送，导致建筑的空调总体输配效率很低，有的建筑中风机能耗超过空调系统总能耗的60%。因此，不论从输送能耗，还是从建筑占用空间的角度，都应该尽可能以水作为输送冷量的媒介，尽量不使用空气作为输送媒介。

再如，湿度的处理，尤其是夏季对空气的除湿处理。在目前的大型公共建筑中，普遍采用冷却除湿方式，为了保证具有较好的除湿效果，不得不要求夏季较低的空调冷媒水进水温度（5～7℃），限制了冷水机组COP的进一步提高。在空调系统中，占总负荷一半以上的显热负荷部分，本来可以采用高温冷源（16～18℃）带走的热量却因为与除湿一起共用5～7℃的低温冷源进行处理，造成能量利用品位上的浪费。在这种由一种能源“既供冷又除湿”的模式下，温、湿度控制参数必然出现“耦合”现象—满足温度时湿度不能满足，反之亦然。造成这一现象的原因是：在全年空调中，室内余热和余湿的比例并不是按照设计工况点的比例来变化的。对这种情况，一般是牺牲对湿度的控制，通过仅满足室内温度的要求来妥协，这就有可能造成室内相对湿度过高或过低的现象。相对湿度过高的结果是不舒适，进而通过降低室温设定值来改善热舒适，造成能耗不必要的增加（由于室内外温差加大而增加了通过围护结构的传热和处理新风的能量）；相对湿度过低也将导致由于室内外空气焓差的增加使处理室外新风的能耗增加。而且在一些情况下，经过冷却除湿后的空气虽然湿度满足要求，但由于温度过低，为了使之达到既满足温度又满足湿度的要求还需要对空气进行再热处理，这样的方法严重导致冷、热量互相抵消，造成了能源的进一步浪费与损失。例如，在美国宾夕法尼亚大学，夏季空调采用7℃冷冻水对空气进行冷却除湿、继而采用蒸汽进行再热，仅蒸汽消耗量就足够北京同样面积建筑的冬季供暖使用。另一方面，冷却除湿产生的凝水，为细菌、霉菌等污染物的繁殖提供了条件，成为影响室内空气品质的重要原因之一。

因此，要想大幅度降低大型公共建筑空调系统的能耗，就需要彻底研究空调的目标、各种空调系统的评价参数与指标体系，建立从空调冷热源到空气处理方式，再到输配环节，直至室内末端装置的整个环节的系统评价方法，寻求新的空气处理方式和输配系统节能环节，从根本上避免目前空调系统中存在的问题。

对于空调系统排余热、排余湿、提供卫生要求的新鲜空气的任务目标，研究表明：排除室内余湿所需的新风量与卫生要求的新风量是一致的。综合考虑空调系统的能量转换环节与输配环节，将空调系统的排余热任务（控制温度）与排除余湿（控制湿度）任务分开处理，可以避免目前空调系统中采用同一低温冷源同时处理热湿负荷造成的能量浪费，能够显著提高能源利用效率。新风机组处理出的干燥的新风承担建筑的潜热负荷与满足新鲜空气的要求，高温冷源制备出的冷水用于承担建筑的显热负荷，即全新的温湿度独立控制空调方式。此空调方式，一方面避免了采用冷却除湿时为了调节相对湿度进行再热导致的冷热抵消，还可用高温冷源吸收显热，使冷源效率大幅度提高。此外，输送风量仅为满足建筑新鲜空气与室内空气品质要求的新风量，远小于全空气系统的风量要求，使得输配系统的能耗也大幅度降低。

温湿度独立控制空调系统形式，不是对目前空调系统空气处理方式的简单改进和修改，而是整个空调系统从系统理念、系统形式到处理装置的全面革新，因此需要针对上述解决方案开发相应的设备。一是溶液调湿式新风处理设备，通过它可以使得利用新风对室内进行湿度控制；二是干式显热末端空调设备，可用的设备大致分为辐射式末端设备和干式风机盘管空调设备两大类，这两种主要设备都是满足温、湿度独立控制系统的基础设备；三是产生高温空调冷水的冷水机组（16～18℃），不但满足干式末端设备的要求，而且其COP值能得到较大幅度的提高。上述三种设备目前国内外尚无系列化和形成产业化的产品，需要尽快开发。

此外，大型公共建筑中央空调的冷冻水系统存在的问题有：一是目前空调系统中的水泵按照最大要求提供扬程，各末端再由阀门消耗多余部分，这使得一半以上的水泵电耗消耗在阀门上。如果采用分布式水泵系统，不安装调节阀，而在末端安装水泵补充不足的扬程，即将“末端消耗多余量”方式改变“为末端补充不足量”方式，实现“按需供应”，则可大幅度降低水循环系统的能耗。二是存在各种旁通与失调，导致供回水温差过小。大多数实际运行工况下系统的供回水温差都小于设计的5℃，有的甚至仅为1～2℃，如果采用变水量方式使得供回水始终维持（甚至大于）5℃温差，可使得全年的平均循环水量大为减少，水泵电耗也大幅度降低。三是水泵工作点随运行工况不同而在大范围内变化，导致水泵经常运行在低效区。实际测试发现水泵运行效率多在30%～50%，而这些水泵的最高效率区效率大都在70%以上。

分析研究表明：仅靠变频器并不能解决效率过低的问题，而是需要改变水泵的特性曲线。由于水系统的输送能耗占整个空调系统能耗的15%～25%以上，因此在空气处理方式、处理装置配置合理的基础上，进一步加强对空调水系统（尤其是其水力工况和调控手段的设计与实施）的研究，提高水系统的输送能效，具有非常重要的节能意义。

降低大型公共建筑能耗关键技术

1、大型公共建筑空调系统的节能优化技术

国内外大型公共建筑普遍采用集中空调系统，已经有大量的实际建筑的空调系统正在运行中，各国展开了建筑能耗调查、测试改造的工作，并建立建筑节能标准和评估体系，像我国的《公共建筑节能设计标准》等。但以上研究缺少专门针对大型公共建筑的节能标准；对空调系统的设计方案不能给出量化的评价结果与针对具体工程的节能建议等。

目前我国与国外发达国家的大型公共建筑的能耗水平相当，暖通空调系统的能耗占总能耗的一半以上。要想大幅度降低大型公共建筑空调系统的能耗，就需要研究创新的高效空调系统形式与节能的新方法。需要解决的问题主要在于：通过对各类空调系统和不同功能建筑的分析，综合考虑冷热源、能量输配系统、冷却塔系统的能耗以及部分负荷下系统效率的变化与系统的可调节性，对各类空调系统形式及结构参数进行优化分析，从而提出各种不同功能建筑应采用的空调系统形式和相应的设计参数，并形成新的设计方法与标准。

2、空调水系统的结构优化与节能运行

在水力工况方面，国内外都已经进行过大量的研究，尤其国外一些著名的公司对其进行了深入的研究。例如：以TA公司为代表，提出了“全面水力平衡解决方案”，其核心思想是在不同的空调水环路设置手动静态平衡阀，通过初调试解决水系统的静态平衡问题；以“毅智”、“丹弗斯”等公司为代表，提出了设置动态平衡阀的方案，意图通过阀门的自身调控能力解决动态平衡问题。但实际上由于一些设计人员没有考虑系统的构成和特点，导致目前动态平衡阀“滥用”，不但没有起到应有的作用，而且对变流量系统在功能上起到了相反的作用，在能耗上起到了增加的作用。传统的末端设置温控电动阀方式，工作简单可靠，是目前绝大多数建筑空调系统中广泛采用的方式。但通过分析发现，电动阀是一个耗能元件，有可能对水泵能耗产生一定的影响。因此以“格兰富”公司为代表的方案，提出了三级泵系统，即采用用户系统（或末端）配置小水泵替代电动阀的方式，并进行了一些研究和少量应用。但该系统在设计参数、控制方案、采取措施等方面，还存在一些没有解决的问题，且采用的进口水泵造价昂贵，因此在国内没有得到大量的推广，在国外的一些发达国家按照这种方式运行的空调系统总的来说也不多见。

对于空调水系统的结构优化与节能运行需要解决的主要问题包括：采用分布式水泵输送系统，以“泵代替阀门”的系统结构解决输配系统能耗过高的问题、水输送系统的变流量调节问题；以及通过加装水泵进口导叶等提高水泵效率的方法和措施。从而创新性提出降低输配系统能耗的新方法，使得水泵能耗降低到目前系统的60%以下。

3、温湿度独立控制空调系统

目前国外学术界也普遍认为温湿度独立控制是最理想的中央空调方式，但由于采用设备的技术路线不同，目前尚没有确定的模式，更缺少相关的技术参数。如：新风的调节范围，等温送风还是新风也承担部分的显热负荷？新风量是否调节的问题，是采用变新风量控制，还是定新风量控制？等等。

温湿度独立控制空调系统目前也在北京锋尚国际公寓等建筑中采用。清华大学在北京市热力集团双榆树供热厂办公楼、上海建筑科学研究院绿色示范建筑等多个不同的建筑中进行了该空调形式的成功示范。工程实践应用表明：采用此种空调方式可以比传统的中央空调方式节能30%以上。在之前的研究和应用的过程中，还发现了很多需要解决的问题，对于“合理的选择室内设计参数”、“解决室内散湿量的消除和新风的除湿问题”、“解决温湿度的实时调控”等问题，还没有相应的完整数据和实践经验来支持。在今后的研究中，将着重解决这些问题。

4、溶液调湿式新风机组

温湿度独立空调系统中的主要难点就是新风的高效除湿问题。目前世界各国都积极开展大量的相关研究与工程尝试。比如：转轮除湿方式、溶液除湿方式等。与转轮固体除湿方式相比，由于溶液除湿方式可以通过在内部冷却加热等方式降低不可逆损失，可以实现很高的蓄能密度，净化空气等方面的优势，2007年以来得到了较快的发展。用来调节湿度的溶液式新风机组，国外关于这方面的研究集中于理论的分析、模拟和实验，也有一些产品，但是机组的COP不高。国内也有一些单位和机构对溶液式调湿式新风机组进行了研究，而且在一些实际的工程应用了这种机组。对于热源驱动的新风机组：美国能源部支持的Ail Research公司正在研发的氯化锂溶液除湿机，期望在85℃热水为驱动源的情况下，达到的COP为0.6。以色列的一家正式溶液除湿产品的公司，其COP低于0.6。美国近期一期刊文章分析结果表明，当使用天然气作为热源时，溶液系统的COP可达1.5，但尚未见相关产品问世。国内浙江大之胶囊厂、青岛益青的使用的溶液调湿式空调机组，采用蒸汽作为驱动源，能源利用率COP在0.3～0.5，但它们都不能用低温热源（70℃）驱动。清华大学研制的溶液式空调机组，当采用70～75℃热水驱动时，实际测试结果表明：系统的COP为1.2，远高于目前国内外使用低温热源驱动的溶液式空调机组；专家鉴定意见为具有国际先进水平，其中再生器的效率和综合能效比达到国际领先水平。

对于采用电驱动的热泵型溶液新风机组，日本最新的一项研究将CO2热泵和固体转轮配合实现除湿，模拟COP为2.1。清华大学研制的电驱动的溶液式空调机组，实测结果表明：系统的冬夏COP为5，高于目前国外的研究水平；专家鉴定意见为：具有国际领先水平。

如果能实现上述研发机组的产品产业化和广泛应用，将产生重大的社会效益和经济效益。但目前这些产品在工艺设计流程、成本控制、性能参数、市场需求响应及标准化方面，均存在一定的问题。将针对机组的调节和控制性能、提高生产制造工艺、实现标准化方面展开研究，进一步解决实际应用和推广中的问题。

5、采用高温冷源的干式末端装置

目前空调系统的末端装置多为“湿式”末端装置，送入末端装置的冷水温度多为5～7℃，还要用于建筑的除湿功能要求。因而，市场上的产品也多用于此工况。在温湿度独立控制空调系统中，采用高温冷源的干式末端装置与常规的末端装置区别在于其冷水温度与室温的温差比较小，因此单位面积供冷量也较常规小一些，这就需要采用高温冷源的末端装置有较大的供冷面积和紧凑的结构。

高温冷源的干式末端装置主要有两种形式：辐射末端和干式风机盘管。辐射末端是一种舒适性很高、稳定性好、节能效果显著的末端装置，在欧洲已经有很广泛的应用，在我国低温地板采暖也有十几年的应用经验。辐射末端可以是辐射板、毛细管等多种形式。目前，毛细管多为进口产品，如何解决既具有优良性能又具有低成本、具有市场竞争力、可靠性能高的产品成为一项重要研究内容。

干式风机盘管具有风量大、噪声小、结构简单、安装位置灵活等优点。采用高温冷源的干式风机盘管在国外已有产品，如丹佛斯等，基础技术及理论也基本上得到了解决，然而国外的产品还存在部分缺陷，特别是在产品的工艺改进方面有待改善。由于无凝水产生，可以重新设计出性能优异、而且价格低廉的干式风机盘管结构，并将其推广使用。

6、高温冷水机组

国内外冷水机组的研究与生产，大多将注意力放在供水温度为5～7℃的冷水机组上。对于用于温湿度独立控制空调系统的供水水温16～18℃的高温冷水机组，在国内外目前还没有定型的产品，这方面的研究工作也很少看到。目前已有的一些温湿度独立控制系统的工程，是将5～7℃冷水经换热后得到高温冷水去除室内余热，但此方法丧失了温湿度独立控制方式降低能耗的优越性。

高温冷水机组的压缩比减小，如何使得机组在小压缩比工况下有较高的性能系数COP是其中的难点。由于离心式和活塞式的冷水机组无“内压缩”问题，而且离心式冷水机组的效率普遍高于活塞机组，因而研究离心式的高温冷水机组显得尤为重要。

小结

节约能源是我国的一项基本国策，建筑节能是我国节能工作的一个重要领域，它是执行国家节约能源，保护环境、实现可持续发展战略的重要组成部分。本文从空调系统的架构（新型温湿度独立控制空调方法、水系统的节能研究等），到核心产品开发（溶液调湿式新风机组、干式末端装置、高温冷水机组等），对降低大型公共建筑能耗进行了详细论述，相关工作对提高我国大型公共建筑节能水平具有重要作用。