城市空調系統能源的可持續發展分析

梁慧敏 楊曉青

（河北工業職業技術大學建筑工程系 河北石家莊 050000）

0 引言

能源一直是全世界重點關注的問題，尤其近幾年能源供不應求，存在著前所未有的挑戰。美國的建筑能耗已經占到了總能耗的36%［1］。而我國每年的能耗逐年增加，但是能源的利用率與世界先進水平相比卻存在著較大差距，能源的生產量遠遠低于能源的消耗量。我國又是人口眾多、資源相對不足的發展中國家。近年來，我國建筑能耗也在不斷升高，目前我國建筑全過程能耗總量為22.7 億tce，占全國能源消費總量的45.5%。為了到2060 年前城鄉建設方式全面實現綠色低碳轉型，提高城市空調系統能源的利用效率是未來的發展方向。

1 城市空調系統節能的重要性

為了讓人們得到更舒適的居住環境，建筑空調系統應運而生。在20 世紀初，美國開利公司首次實現了空調系統的全年運行，標志著人們不再飽受室外惡劣氣候的影響，可以滿足人類生活和工作需要。同時空調系統的誕生也造成了能源的大量消耗。在我國，城市的建設促使建筑業飛速發展，越來越多的人認為空調不再是奢侈品，因此，中央空調系統也成為了建筑能耗大戶。中央空調系統是建筑設備能耗中最大的部分，占比達到了建筑能耗總量的40%～60%［2］。據有關專家統計全國485 棟建筑，總計2 088.853 萬m2的建筑能耗的調查問卷及現場測試與分析，得到各類公共建筑的能耗。表1 為北京某商場、高級賓館和寫字樓3 類公共建筑的4 種典型能耗現 狀［3］。

表1 公共建筑能耗分析 （%）

調查顯示，北京某商場、高級賓館和寫字樓其中的設備能耗主要包括空調、照明、電梯等，其中，3 種建筑中設備的能耗占比最大的是空調能耗，商場能耗最高達到了50%，其次便是賓館與寫字樓。因此，城市空調系統的能源消耗將是建筑節能最重要的研究對象。

2 城市空調系統能耗存在的問題

2.1 空調系統設計方法不科學

目前，有相當一部分公共建筑空調系統都存在能耗高的問題，而造成這些問題的主要因素便是設計方案不合理和施工圖紙不精確，例如：水泵容量選擇過大，冷熱源方式選擇不合理；中央空調中的水泵、風機等設備，不會根據實際的負荷狀態進行調整，出現資源損耗過大的問題［4］；在設計方案中存在許多耗能隱患，最終導致空調系統在實際運行中能效很低；空調施工圖紙不夠精確，導致施工人員無法將管道位置精確控制，在安裝的過程當中，施工人員按照自己的意愿隨意改動，在技術上造成管道定位偏差較大，甚至出現管道交叉嚴重，空調系統水耗能較大而空調系統又無法實現改造和調節，最終造成無法解決的局面。解決這些問題就需要設計者在最初階段，將圖紙設計地足夠精細，并且分析清楚。例如，重點分析制冷機房的能耗，減小設備耗電量和耗水量，冷熱源方式選擇合理得當；提升圖紙的精確度，多方面考慮在施工中施工技術人員的安全便捷問題，從大局出發，合理布置管道，這樣既可以減少能耗又能減少人力物力消耗，保證整個空調系統從設計到施工驗收及后續維護的整體質量。

2.2 安裝施工質量粗糙

施工質量粗糙也是空調系統安裝施工中存在的普遍現象，比如風機盤管溫控器漏接線、冷凍水泵和冷卻水泵裝反、水管保溫措施安裝材料減少以及空調管道存在大量結露滴水問題，這些問題常常得不到重視。而這些問題的存在與施工人員的施工素質有很大關系，例如：在施工過程中對一些施工問題視而不見，安裝完成后也不再進行調試運行，管理者也不聞不問，為日后的空調系統良好運行埋下了很多隱患；在保溫措施這塊簡化嚴重，大量制冷管道與空氣接觸凝結造成結露現象，空調管道年久失修，能耗只增不減。所以，要想解決這些問題就需要實行工程質量監管與驗收機制，及施工人員的培訓、持證上崗的管理制度。在設計者完成設計規劃、不存在圖紙改動問題的前提下，施工人員必須要嚴格按照圖紙進行施工，并且按照進度計劃逐步完成施工進度，杜絕偷工減料、嚴禁出現技術問題、提高施工質量，保證空調系統的平穩運行。因此建立強有力的工程驗收機制，確保工程實施質量，是提高公共建筑節能的一個重要因素。

2.3 運行管理維護不到位

（1）絕大多數空調系統的運行維護管理，往往依靠的是運行維護人員的經驗和設備運轉的程度，而非直觀的運行數據與參考工具，運行可靠性低，存在安全隱患。

（2）智能化建筑并未體現出來，比如建筑設備自動化水平低，關于空調系統能源管理的方法并沒有具體實施，空調系統設計與自動控制、調試與施工沒有很好的結合，導致了空調系統運行效果不佳?？照{系統還存在著憑經驗的手動調節，最終造成設備無法及時檢修和調節；空調供冷、供熱時冷時熱；管道跑冒滴漏和嚴重結垢；這些都造成了大量的能源浪費［5］。

（3）當城市中央空調系統保持長期運行的狀態下，許多設備管理者并不掌握專業的節能環保知識，若設備的清潔及處理得不到保障，最終也是導致空調系統中出現了大量的污垢雜質，設備的使用壽命嚴重降低，空調系統的能源消耗大大增加。

（4）在使用空調時，并沒有按照室外參數的變化來調節溫度，這不僅增加了中央空調系統的耗能，而且也限制了中央空調系統的節能管理［8］。

所以，首先要重視空調系統后期維護的工作落實問題，建立健全的空調系統維護管理體系，做到安裝完成后檢測抽查，維護管理人員培訓上崗，增強專業素質與責任心，做好設備維修管理工作。另外，空調系統的最初設計是保持系統高效運行的根本，設計之初就需要對空調系統進行合理的診斷與優化。對設計方案進行嚴格審查，分析建筑空調系統內部全年能耗，設計時就要考慮到這些不必要的耗能，從而減少和避免空調系統的高能耗。

3 針對制冷機房系統的能耗對比分析

制冷機房一直都是空調系統能耗最大的支出，占到空調總損耗的60%以上。若制冷系統沒有提前設定固定的溫度，制冷機房始終處于工作中，這樣電力系統就一直工作，大大增加了能源的損耗［4］。因此，以北京某六層辦公建筑空調系統為例，分析其制冷機房主要設備功率隨室外環境溫度變化而改變的逐時值。該系統采用制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵各1 臺，通過優化控制得到不同時刻設備的功率與傳統不加控制的設備功率比較數據，如表2 所示。

表2 日空調制冷機房優化設備與實際設備功率比較 單位：kW

分析結果表明，不同時刻，根據室外環境溫度不同，系統負荷發生變化，進而改變設定溫度其運行能耗也發生了變化。與設定固定的溫度、制冷系統一直處于同一工作狀態下對比，制冷機組、冷凍水泵、冷卻水泵每一項的優化功率都比實際功率減少了一半左右的能耗。其中，制冷機組優化后的功率在18∶00 時刻可以節約98.7 kW，節約了58%的能源。因此，通過對制冷機房設備的優化分析，采用變頻泵控制系統流量，從而調節變溫而引起的負荷變化，達到對系統最初的設計要求，以降低能源消耗。

4 可持續發展的綠色空調系統

隨著現代科學技術的進步，大量不合理開發利用能源也帶來了前所未有的能源問題，開發新能源和新技術是當今社會發展的首要任務。

4.1 開發可再生能源

（1）適當利用地熱和水源的能量。如能將地表層以下的地熱資源和深層水源恰當利用好，將會節約大量的能源，因為此溫度始終恒定不變，無需再加工，可以作到冬夏季轉換使用。

（2）利用風能和太陽能。風能逐步被開發利用轉換電能，用于空調系統的制冷部分。太陽能也可以用于空調制冷和采暖系統中。這2 種能源皆是綠色環保、無污染的能源，也為我國能源的可持續發展提供了好的方向。

（3）其他能源的利用。沿海地區的能源開發和應用也將是未來沿海城市的重點，可以利用豐富流動的海水動能來降低沿海地區空調系統的能耗，海潮能也是對生態環境較友好的能源，將有很大的上升空間。

4.2 應用空調節能新技術

（1）空調變水量與變風量的應用。變水量（變風量）空調技術是改變冷水量（和風量）以及根據室外環境的變化從而對室內不同溫濕度進行控制，達到所供即所需的自動調節技術。據研究表明，如果將1 個定風量系統改成1 個變風量系統，將實現全年節能35%以上［6］。

（2）熱回收技術。使用全熱交換器對室內排除的污濁空氣進行熱回收是新興的節能技術，有大約75%的熱量得以回收；另外，采用冷凝熱回收系統回收冷水機組中壓縮機排出來的的過熱氣體，充分利用了制冷劑在冷凝過程中放出來的低溫潛熱，大大減少了冷卻塔排放出來的熱量，節省了系統冷卻塔風機的耗電量，從而減少了環境的熱污染，節約了大量加熱熱水的能量，特別適合用量較大的旅館和酒店。這些熱回收技術充分發揮了廢熱和余熱的回收，為節約能源提供了很好的技術開發，也是今后可持續發展的長久有效的方式。

（3）地源熱泵技術。這項技術適用于冬夏季轉換的過程，在夏季使用的冷量是冬季儲存在地下的冷量；在冬季使用的熱量是夏季儲存在地下的熱量。低位熱能應用于地源熱泵系統中，熱回收效率高，如地下水、土壤、工業余熱及電廠冷卻循環水等［7］。其中住宅使用的地源熱泵系統，僅在冬季采暖就能減少60%左右的能耗［8］。

（4）空調節能優化系統技術。在設計中加入應用優化系統，結合建筑負荷的動態變化特性，對建筑空調系統進行優化運行，為實際空調運行節約了能源，也為空調系統今后的可持續發展奠定了基礎。

5 結論

城市空調能耗在建筑能耗中占比最大，產生能耗的原因有許多種。比如空調系統設計方法不科學、安裝施工質量粗糙、運行管理維護不到位。通過分析城市空調系統能耗存在的問題，并提出相應的解決辦法，特別分析了在城市建筑中央空調系統設計中制冷機房系統的能耗對比，提出優化完善空調系統設計，采用變頻泵控制系統流量，從而調節變溫而引起的負荷變化，達到對系統最初的設計要求，以解決一大部分能耗的損失。同時，發展綠色空調系統的新能源，例如地源能、水源能、風能、太陽能、海潮能等。再者就是，應用空調節能新技術，例如變水量（變風量）空調、熱回收技術、地源熱泵技術和空調節能優化系統技術。如果空調系統長期處于大量的能源被浪費的情況下，會造成全球環境惡化的結果。所以，發展可持續的綠色空調系統是當前城市節能減排刻不容緩的大趨勢。