建筑空调系统碳排放已达9.9亿t，暖通空调系统节能降耗痛点在哪？
发表于： 来自：AI暖通
在国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》所重点提到的“碳达峰十大行动”中，“能源绿色低碳转型行动”“节能降碳增效行动”“工业领域碳达峰行动”“城乡建设碳达峰行动”等，均与空调系统和设备密不可分。
当前，我国在空调生产、销售和使用数量方面均已占据世界首位，如果未来空调使用量进一步增加，应用场景进一步扩展，控制空调系统的碳排放水平势必会成为我国实现建筑碳中和的最关键环节之一。据统计，我国空调系统所消耗能源占我国社会总能耗的21.7%，暖通空调系节能减碳是大势所趋。
现存暖通空调系统碳排放
目前，我国已经约有600亿㎡建筑，据分析计算，现有建筑运行过程能源消耗导致的二氧化碳排放量约为22亿t，其中直接碳排放约占29%，电力相关间接碳排放约占50%，热力相关间接碳排放约占21%。其中，我国建筑中暖通空调系统运行能耗导致的二氧化碳排放量约为9.9亿t。
根据《京都议定书》规定，暖通空调系统中所采用的氢氟烃、氢氟氯烃类制冷工质属于温室气体。目前，我国暖通空调所使用的HFCs温室气体排放量约为1.0亿~1.5亿t当量二氧化碳。我国建筑中暖通空调系统运行导致的温室气体排放量约为11.0亿~11.5亿t二氧化碳。其中，我国暖通空调系统用电导致的间接碳排放就约为4.4亿t二氧化碳。
影响系统运行碳排放的因素
01 冷热源及输配系统效率
提高冷水供水温度和降低热水供水温度能明显提高暖通空调系统冷热源机组的能效水平。目前我国暖通空调系统设计和运行大多仍然按照传统冷水供回水温度及供暖热水供回水温度，有较大节能潜力。在输配环节，目前主要依赖阀门实现冷热量的分配和调节，导致输配系统实际运行效率仅为30%~50%，有显著节能空间。除此之外，暖通空调运行过程中往往产生大量废热，如能采用热回收技术将这些排热收集起来并加以利用，则既可减少环境污染，又可显著提高冷热源效率，是减少暖通空调系统碳排放的有效途径。
02 运维管理水平
目前大量暖通空调系统还未实现自控，即使实现自控的暖通空调系统，其运行控制仍以传统控制方法为主，虽可满足暖通空调系统的调节需求，但并不能完全保证各设备的运行效率最优，也不能保证系统层面的负荷分配协调及系统控制最优化。
暖通空调系统的总能量损失中，很大一部分能耗由运维管理人员的操作问题造成。运维管理人员水平参差不齐，导致系统能耗无法有效控制。暖通能耗65%的浪费为人为运行管理不当造成，数百万套机房，95%以上靠人为巡检管理。机房运行管理对专业技能要求相当高，即便“暖通博士”管机房能实现节能和实时监控，但社会结构性缺失致使暖通专业人才非常缺乏，目前市场99%的机房还是非专业人员的运行管理，水平太低，致使暖通空调的精细化管理与运行无法实现。由此导致的浪费高、能耗大已成为亟待解决的问题。
由于暖通空调系统形式多样，通过对暖通空调系统实际运行数据的分析，制定高效且满足舒适性要求的控制策略，从而进一步提升暖通空调系统的自动控制优化能力，建立更高效的智慧运维系统。
03 系统设计相关因素
当今暖通空调系统设计方法以满足极端工况下的空调需求为目标导向，而极端工况在系统实际运行过程中往往很少出现，设备容量普遍偏大。暖通空调系统的设备选型过大，导致大部分工况下系统运行效率较低。
04 设备相关因素
目前各类暖通空调设备的系统性能主要是在特定的实验工况下确定的，但现行低碳标准对碳排放量做出的要求均是针对实际应用时的复杂工况提出的，这与传统的空调行业标准中大多数系统性能均在特定实验工况下定义的情况存在偏差。目前以实际运行条件下的系统能效为尺度，体现设备智能化控制水平存在差异，并且缺乏限制空调系统全寿命周期碳排放的设计要求的评价标准。
暖通空调系统如何节能降耗
当前我国暖通空调系统运行过程中的碳排放已达9.9亿t二氧化碳，如果不能显著降低暖通空调系统冷热需求并提高暖通空调系统能效，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。
01 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。
02 能量回收
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。
03 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，最主要原因是暖通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。该项技术在未来暖通空调系统中也将具有广阔的应用前景。
04 智慧运维技术
实际暖通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，其中暖通空调系统的调适、故障运维与节能控制在暖通空调系统节能减碳中起着重要作用。
暖通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。
暖通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，也是暖通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暖通空调运维管理和控制优化方案已成为可能。利用暖通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，为用户提供暖通空调个性化定制、室内环境的个性化定制服务。
基于大数据的暖通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暖通空调运维及运行优化中的应用前景的关键。
暖通空调系统运行过程中能源消耗导致的二氧化碳年排放已达9.9亿t，其中直接碳排放约5.5亿t，间接碳排放约4.4亿t，是碳达峰、碳中和目标实现过程中的重要议题。当前导致暖通空调系统碳排放高的主要因素包括冷热源系统效率不高、暖通空调系统运行调节未优化等。针对现有暖通空调系统存在的问题，充分挖掘暖通空调系统运行数据从而提高智能和智慧运维水平，降低暖通空调系统运行过程碳排放，提高暖通空调系统能效。
