李先庭：碳中和背景下我国空调系统技术发展路线

　　本文节选于《碳中和背景下我国空调系统发展趋势》第三章 碳中和背景下我国空调系统技术发展路线　　

　　作者：李先庭；赵 阳；魏庆芃；逄秀锋；陈焕新；张小松；谢晓云；路 宾；罗 彬；徐宏庆；刘 宇。

　　

　　1、空调系统运行过程降低碳排放的主要原则　　

　　1）降低负荷侧冷热需求，并显著提高空调系统能效。当前我国空调系统运行过程中的碳排放已达9.9亿t二氧化碳，如果不能显著降低空调系统冷热需求并提高空调系统能效，则未来碳排放量还可能进一步增加，这将严重影响我国碳中和目标的实现。　

　　2）提高空调系统电力“柔性”，降低用电碳排放因子。一方面，充分发挥空调系统中的蓄冷蓄热体，主动错峰并消纳可再生能源电力；另一方面，利用空调系统与被控环境及建筑物的热惯性，调整送风温度、进水温度、蒸发温度等参数，在满足室内环境基本要求的前提下，在电力高峰期有效降低用电量。　　

　　3）减少氢氟碳化物的充灌量，降低空调系统制冷主机或热泵主机运行、维修、维保和拆除过程中制冷机泄漏和避免排放。大力发展与推广制冷剂替代技术，并逐步淘汰现有氢氟碳化物设备。　　

　　4）推动全面电气化，将空调系统的直接碳排放降低至零。在有条件的地区或实际工程中，以各种适宜的电驱动热泵技术替代燃煤、燃气、燃油锅炉等。将燃烧化石燃料和具有较大碳排放的直燃型吸收式制冷系统替换为高效电驱动冷水机组等。　　

　　5）研发和推广智能化技术，提高运行维护精细化程度。充分发挥空调系统运行数据价值，挖掘出实时运行中存在的异常、故障和能源浪费等问题，为进一步自动化提供改进建议和实时运行参数优化建议，乃至直接接管系统调度运行。　　

　　6）建立完善的标准与政策体系，并降低其实施难度。建立限制空调系统全寿命周期碳排放设计要求与问责机制的相关标准。

　　

　　2、面向碳中和的空调系统重点技术

　　1、降低空调系统负荷相关技术　　

　　1）降低围护结构负荷。　　

　　新型保温材料。高性能保温材料，如气凝胶保温材料及真空隔热板，其导热系数可低至0.004 W/(m·K)，用于建筑保温将大大减少通过围护结构的传热。例如，SiO2气凝胶可以制作出新型气凝胶墙板、气凝胶毡、气凝胶涂料和气凝胶砂浆混凝土等保温性能优异的新型建筑墙体保温材料，在建筑墙体保温隔热领域有着广阔的应用前景。真空隔热板的导热系数只有0.002～0.004 W/(m·K)，仅用很薄的真空隔热板保温墙体就能达到低能耗的标准。

　　

　　可变性能围护结构。室外气象参数全年不断变化，理想的围护结构应能够顺应室外变化改变物性实现节能。在寒冷季节能够增强保温性能，允许更多太阳辐射进入室内；在热湿季节能够减少外界高温高湿向室内传递，并减少太阳辐射进入室内；在过渡季节能够有利于室内热量散出。例如，相变材料墙体能够改变建筑的热惰性，减少室外温度波动对室内温度的影响。电致变色玻璃可以动态改变窗户的特性，从而优化照明与得热。

　　

　　利用自然能源的新型围护结构。利用自然能源去除围护结构负荷，甚至去除部分室内负荷，例如嵌管式墙体、嵌管式窗户、水流窗、蒸发冷却墙、天空辐射膜等。嵌管式墙体采用类似辐射地板的方式，将管道嵌入外墙中，在夏季和冬季分别将自然环境中采集到的冷却水和低温热水送入嵌管式墙体中。蒸发冷却墙通过外墙上冷却水的蒸发，降低墙表面的温度。嵌管式窗户在双层窗户中间将遮阳百叶串在水管上，通过调节百叶的角度拦截太阳光或让其通过，在需要减少太阳辐射热的季节，则将自然环境中采集到的冷却水送入嵌管中，将百叶吸收的太阳热直接排除，从而显著减少太阳辐射对室内环境的影响。在供暖季，通过调节百叶角度使太阳光进入室内，还可进一步将自然环境中采集到的低温热水送入嵌管中提高窗户温度，减少室内通过窗户的散热。水流窗是在两层窗户间送入自然环境中采集到的冷却水，以减少通过窗户进入室内的热量。天空辐射膜是利用一种特殊结构材料制成的膜，在将太阳辐射热全部反射的同时，还通过特定波长的热辐射将热量穿过大气层，通过与外太空的热辐射，使材料表面温度低于室内空气温度，从而显著减少围护结构在夏季向室内的传热。

　　

　　2）降低新风负荷。　　

　　按需通风。根据空间人流密度的变化，对新风量进行实时调节，这样既保证了室内空气品质，又预防了过量通风，相对于传统的定新风量送风有着巨大的节能潜力。

　　

　　能量回收。通过能量回收系统实现排风与新风的热量交换，可实现新风负荷的显著减少。有些建筑存在冬季需要供冷的内区，在冬季时将这些内区的热量回收用于预热新风，不仅可以减少新风热负荷，还可以为内区提供免费冷量。

　　

　　引入自然能源。用自然能源对新风进行处理，将新风引入地埋管中，通过与土壤的换热减少新风夏季和冬季负荷，或者将通过土壤等方式采集的自然能源送入新风处理装置中，对新风进行预处理，从而减少所需机械冷热源的数量。

　　

　　3）降低空调负荷需求。　　

　　传统空调系统基于均匀混合的方式营造室内环境，导致室内负荷较大。采用置换通风、地板下送风等高效的气流组织，可以形成非均匀的室内环境，将冷热量和新风重点用于人员工作区，从而减少空调负荷。在工位处安装空调针对个人实现个性化送风，可以进一步降低空调负荷需求。个性化空调系统主要分为地板个性化空调系统、桌面个性化空调系统、隔板式个性化空调系统及顶棚个性化空调系统，其能量基本全部用在实际需要的空间，比传统空调的效率可高出40%。为了更好地适应人员位置的变化，还可以通过辨识技术获得人员位置和运动方向，并在室内安装可实现多种送风模式的送风末端，基于人员位置实现面向人员的高效送风。

　　

　　2、提高设备和系统能效　　

　　1）高温供冷/低温供热。　

　　现有研究表明，不管是新风负荷还是回风负荷，一半以上的负荷均可以用更高温度的冷水或更低温度的热水进行处理。温湿度独立控制系统通过将显热负荷与潜热负荷分开处理，可以将冷水温度提高到16 ℃/20 ℃，从而大幅提高冷水机组能效。由于大量的冷热是用于处理新风负荷的，而新风负荷中有相当一部分可以用高/低于室温的水进行处理（冷却/加热），以此为基础就可以构建出显著高于16 ℃/20 ℃的冷水机组和温度低于30 ℃的热水机组，从而更大幅度提高冷热源效率。

　　

　　2）高效热泵。　　

　　在制取合理的冷热水温度条件下，可以通过提高冷热源设备在额定工况和部分负荷工况下的效率，实现热泵效率的显著提升。典型技术包括磁悬浮离心机、无霜空气源热泵、复合源热泵等。

　　

　　磁悬浮离心机采用磁悬浮轴承，无需润滑油，轴与轴承之间几乎零磨损，IPLV（综合部分负荷性能系数）可达11.5。目前，磁悬浮离心机市场容量每年的增速保持在50%以上，是未来高效冷源的重要发展方向。此外，磁悬浮离心机可以与水源、地源等热泵系统结合，利用双级压缩等技术克服制热工况下压比大的问题，从而大幅提升系统供热效率，实现冬夏两用，这是磁悬浮离心机的又一发展方向。

　　

　　无霜空气源热泵（热源塔热泵）以溶液、水分别作为冬夏季室外空气与热泵间热量交换的中间介质，采用直接接触式的全热交换过程代替常规空气源热泵间壁式的显热交换过程，实现系统冬季无霜与夏季水冷，是一种冬夏双高效热泵系统。无霜空气源热泵在未来一段时间内迫切需要解决的问题是：开发低腐蚀、低成本的新型循环溶液；开发更为高效的溶液再生方法，并充分回收再生过程的余热、余压；提高系统低温下的供热性能，拓展系统的应用范围。

　　

　　鉴于单一源/汇难以做到全年高效，采用多种源联合工作的复合源热泵可以充分发挥各种源/汇的优势，从而实现全年高效运行。典型的复合源热泵包括：空气源与冷却塔联合工作的全年供冷型、夏季供冷冬季供热型，空气源（无霜空气源）与地源联合工作可以减少地埋管数量并实现土壤全年热平衡，空气源（无霜空气源）与太阳能集热装置联合工作可以实现充分利用不同辐射强度的太阳能并实现空气源热泵除霜时供热能力不衰减。

　　

　　3）能量回收与自然能源利用。　　

　　当存在同时供应冷热的需求时，可以使热泵设备同时制冷和制热。当冷热不匹配时，可以通过回收制冷设备排放的冷凝热产生所需要的热水。这类热回收技术在合适的场合能显著提高系统能效。

　　

　　还有一些场合可以利用自然环境直接生产所需要的冷源，如蒸发冷却和免费供冷。直接蒸发冷却是使空气和水直接接触，通过水的蒸发实现空气的等焓加湿降温过程。间接蒸发冷却是将直接蒸发冷却得到的湿空气的冷量传递给建筑内的循环空气，实现空气等湿降温的过程。蒸发冷却技术利用环境空气未饱和这一特性，充分利用干空气能这一可再生能源，以水为冷却介质，无氟利昂等制冷剂，更加低碳环保，其运行费用仅为传统压缩式制冷的25%。直接/间接蒸发冷却器、蒸发冷却空调/冷水机组在厂房、机房中有大量应用。冷却塔也属于蒸发冷却技术的范畴，或与压缩式制冷机组联合使用，或单独运行满足过渡季的冷负荷需求。随着全球数据中心等全年较长时间供冷建筑数量的大幅增加，蒸发冷却技术迎来了发展的黄金时期，如何实现模块化/集成化的设计，减小设备尺寸，缩短建设周期，如何更好地将蒸发冷却技术与其他制冷技术、可再生能源技术结合以满足不同应用场景的需求，是未来发展的主要方向。

　　

　　4）高效冷热站。　　

　　近年来，高效制冷机房得到较快发展。高效制冷机房系统以实际运行性能作为评判依据和优化目标。但目前的制冷机房主要生产7 ℃/12 ℃冷水，而新风和循环风负荷中的大部分可以用高于7 ℃/12 ℃的冷水进行处理。现有研究表明，如果制冷站生产多种温度的冷热水，对新风和循环风进行分级处理，可以使制冷站的能效比超过10。当前采用2种温度冷水（中温水和低温水）的系统已在洁净空调系统中应用，未来应在更多建筑中推广使用，以全面提高制冷站能效水平。

　　

　　随着热水生产方式逐渐由燃料燃烧转变为热泵制取，低温热水的优势越来越突出。在新风和循环风的热负荷中，绝大部分负荷可以采用30 ℃以下的热水处理，这为低温热水的应用提供了契机。未来的冷热站应提供多种温度的冷热水，根据所处理负荷需要的温度，合理选用冷热水温度，从而实现冷热站能效的大幅提升。

　　

　　冷热站往往采用多台冷热源设备，对多台冷热源设备进行优化控制，在满足冷热需求的前提下最大限度地提高冷热站效率，是冷热源群控的重要任务。目前虽有各种类型的群控策略，但如何适应不同的冷热源系统、如何适应运行过程中的性能变化、如何更好地结合当地气象条件，是未来群控技术需要关注的问题。

　　

　　此外，冷热源的输配能耗在许多系统中占有相当大的比重，尤其是部分负荷下，最主要原因是空调水系统主要依赖阀门实现冷热量的分配和调节。随着直流电动机性能的提高，用水泵代替阀门进行冷热量的分配与调节，将显著降低水泵运行过程中的扬程，从而显著降低输配能耗。

　　

　　同时，采用低品位能源总线与直膨式系统相结合，在各空气处理末端根据所需要的温度品位借助直膨式方式处理空气，既能够提高冷热源效率，又可以降低输配能耗。该项技术在未来空调系统中也将具有广阔的应用前景。

　　

　　3、提高空气处理设备输配效率　　

　　传统空气处理过程主要使用空调箱与风机盘管进行冷凝除湿，需要的冷热源品位较高且经常出现冷热抵消。辐射制冷/热可以采用更高/低温度的冷/热水，且舒适性更好。嵌管式围护结构可以采用非常高/低温度的冷/热水处理围护结构负荷。未来的室内环境控制应充分结合空气末端、对流辐射末端和嵌管围护结构（广义末端）的各自特点、优势合理搭配，从而利用不同温度的冷热源处理合适温度品位的负荷，以大幅降低空调负荷处理能耗。

　　

　　为了更高效地处理湿负荷，以液体、固体吸湿剂为代表的吸湿剂除湿技术得到快速发展。它们不仅应用于潜热负荷的处理，还大量应用于新排风的全热热回收中，包括严寒地区新排风高效热回收，可有效避免排风侧的结霜和结冰风险。

　　

　　传统空调系统通常统一处理送风，为满足较高的温度和湿度精度，往往不得不在冷凝除湿后再进行加热。新风与循环风独立处理可较好地解决这一问题。配合合理的温度和湿度独立控制系统，不仅能够杜绝冷热抵消，还可大幅提高热湿处理效率。同时，就近处理循环风也减少了长距离回风带来的初投资增加，并显著减少风机能耗。

　　

　　此外，传统的空气处理装置通常采用一种温度的冷热源，而无论是处理新风还是循环风，均具备采用不同温度冷热源处理的潜力。应开发可使用多种不同温度品位的冷热源对空气进行分级处理的空气装置，以显著提高对应的冷热源效率。

　　

　　4、提高空调系统柔性与可再生能源应用比例　　

　　随着可再生能源大量使用，迫切需要大量能够参与电网运行控制的柔性负荷。空调负荷在电力负荷中占有很大比重，已成为季节性峰谷拉大的主要原因。若空调负荷不能增加柔性，则会对电网的稳定运行产生较大的影响。未来空调系统应充分利用水蓄冷/热、冰蓄冷、相变储能等蓄热/冷装置，增加空调系统柔性，通过电力系统的需求侧响应，主动错峰或主动消纳可再生能源电力。另一方面还可利用风机、水泵、压缩机等变频调速与送风温度、送水温度、蒸发温度等参数的调节结合，利用空调系统的热惯性和被控环境及建筑物的热惯性，实现冷热负荷短时间的大幅度调节，从而更好地消纳建筑自身产生的能源并适应未来可再生能源占比较高的电力系统要求。

　　

　　此外，空调系统还应与建筑中的可再生能源和直流供电相结合，将空调系统发展成为“光储直柔”建筑中的重要一环，利用直流直驱电动机提高空调系统效率的同时，更加迅速有效地吸纳电网中的可再生能源电力，特别是光伏发电形成的零碳电力。

　　

　　5、智慧运维技术　　

　　实际空调系统能效水平受到设备基础性能、系统控制水平、运维管理水平等方面的影响，其中空调系统的调适、故障运维与节能控制在空调系统节能减碳中起着重要作用。

　　

　　空调系统调适是在项目的规划、设计、施工、验收及运营的全过程中，通过管理手段避免各个环节中可能出现的问题，通过技术手段确保建筑设备和系统从设计阶段直至运营阶段的性能落地，最终实现工程建设目标，达到能源系统供给侧与需求侧的最佳匹配。调适的理念引入我国的时间较晚，但近些年发展迅速，2021年发布的全文强制性国标GB 55015—2021《建筑节能与可再生能源通用规范》明确提出：“当建筑面积大于10万平方米的公共建筑采用集中空调系统时，应对空调系统进行调适。”

　　

　　空调系统的节能控制可分为底层控制和上层控制。底层控制主要是基于PID的传统控制方法，通过内置调控实现自动调控的过程。上层控制则主要是根据多个设备的运行目标进行调整和设备群控，从而达到系统层次节能的效果。底层的PID方法经过长期研究已较为成熟，而上层控制的研究及工程实现目前发展潜力相对较大，也是空调智能化控制的主要研究方向。目前较成熟的上层智能控制，通常是基于专家知识制定的控制方案编写相应的控制算法，通过分配系统负荷、改变设备频率等方法实现系统的智能控制。但由于运行管理人员专业水平参差不齐，常存在管理人员难以落实运维策略的问题。

　　

　　在当前的大数据、智能化时代中，利用用户数据实现智能化的空调运维管理和控制优化方案已成为可能。利用空调系统中记录的温度、湿度、压力、功率等物理信息，以及控制信号、维护计划等运行方案信息，可以实现包括系统零部件优化、系统故障检测与诊断、能耗维护与预测、系统智能化优化控制等在内的功能，甚至也可能根据气候条件、用户行为预测的学习结果，为用户提供空调个性化定制、室内环境的个性化定制服务。

　　

　　基于大数据的空调故障诊断与节能优化，可以提升运维方案智能化程度及实施效率，在初期阶段实现故障诊断乃至于故障预警。在系统节能优化方面，以减少系统能耗、降低碳排放为目标，采用智能控制的上层控制优化，是一个有潜力的发展方向。目前，采用模型预测控制的原理实现智能化的设备调节和群控方案是可能的实现方法之一。

　　

　　目前，大数据分析方法在实践中面临的主要问题为采集点位少、数据质量不高、信息收集不完善等。解决这些问题，是进一步挖掘大数据在空调运维及运行优化中的应用前景的关键。