暖通空调节能系统如何助力实现碳达峰、碳中和？

　　为实现碳达峰、碳中和的愿景，简述了作为建筑行业能耗较高的暖通空调可以大力推广应用的几种常见的节能系统解决方案。

 

　　气候变暖是跨越国界的全球性挑战，会引发长期深层次的危机，如极端天气增加、海平面上升、传染病增加、濒危物种灭绝、冲突和战争爆发等。为应对气候变化，全球197个国家于2015年在法国巴黎通过了《巴黎协定》，旨在大幅减少全球温室气体排放，将气温升幅限制在比工业化前水平高2 ℃以内，并努力控制在1.5 ℃以内，每五年审查一次各国对减排的贡献。2020年9月22日，习近平主席在第七十五届联合国大会上发表重要讲话，提到“2019年爆发的新冠肺炎疫情启示我们，人类需要一场自我革命，加快形成绿色发展方式和生活方式，建设生态文明和美丽地球。人类不能再忽视大自然一次又一次的警告，沿着只讲索取不讲投入、只讲发展不讲保护、只讲利用不讲修复的老路走下去。中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，力争于2030年前达到二氧化碳排放峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。

 

　　“双碳”战略背景之下，作为与人类生产生活息息相关的建筑业，碳排放量更不容小觑。而作为建筑运行使用阶段的能耗大户，暖通空调系统的能耗一直独占鳌头，因此对于能否达成“双碳”目标，暖通空调的节能变得至关重要，成为关乎国计民生的大事，大力推广节能系统意义重大。

 

　　随着暖通行业技术的日益成熟与推陈出新，暖通空调的节能系统已在较多领域应用，如酒店、写字楼、商场、医院医疗、生物制药、工业制造、数据中心、食品加工等。其中应用较为广泛的系统有高效机房全变频系统、热回收系统、自然冷却系统、热泵系统、冰蓄冷系统，本文将对这几种节能系统的特点和适用场所进行阐述。

 

　　高效机房全变频系统

　　高效机房全变频系统指采用变频冷水机组及变频附属设备如水泵、冷却塔等并搭配能源管理平台的节能系统，适用于酒店、写字楼、医疗、数据中心等场所。以酒店建筑为例，一般全变频系统较定频系统节能约30%。

 

　　01 冷水机组变频

　　冷水机组变频节能分为部分负荷下的节能和低冷却水温下的节能两方面。下面以离心机组为例，详细阐述其节能原理。

 

　　·部分负荷下的节能

　　常规空调设备的容量是按照建筑物最大负荷配置，且留有设计余量。在没有采用变频调节的系统中，无论季节和用户侧负荷如何变化，各设备都长期在定频状态下全速运行，定频机组通过调节导流叶片开度来调节机组负荷，高效率点在70%～80%负荷，当负荷继续降低时，电机转速恒定，单位电耗增加。而变频机组通过调节导流叶片开度和电机转速来调节机组负荷，在部分负荷下，电机转速下降，可有效降低电耗。

 

　　·低冷却水温下的节能

　　在过渡季节，冷却水温度一般远低于设计工况。对于定频机组，稳定运行需有恒定的蒸发压力和冷凝压力。但冷却水温度降低后，冷凝压力随之降低。为维持机组运行，需关小导叶开度，减小循环量，以调整压缩机工作点，来适应更低的冷凝压力。这样不但降低了机组效率，还消耗了更多电功率。而变频机组可以通过调节电机的转速来适应冷凝温度与压力的变化，在冷却水温度越低、负荷越低的情况下，电机转速越小，节能越显著。

 

　　02 水泵变频

　　常见的空调水系统流量调节方式为变阀开度调节和水泵变频调节。变阀开度调节是通过改变管道阀门的开度来调节泵的流量，特点是水泵的性能曲线不变，泵的功率基本不变，但相较于水泵变频节能量有限。变频调节是通过变频器改变电源的工作频率，从而实现对电机的无级调速[1]。由《流体力学泵与风机》第十一章叶片式泵与风机的理论可知，水泵功率与转速的3次方成正相关关系，当系统实际所需的供水流量降低时，可以相应地降低水泵转速，使水泵功耗降低。因此，当季节、昼夜温差变化或末端需求变化时，系统处于部分负荷状态下，水流量都会低于额定流量，均可通过水泵变频实现能耗降低。

 

　　热回收系统

　　热回收系统的基础是同时有冷热负荷需求，一般用于生产工艺、酒店等（有生活热水、泳池、厨房/洗衣房热水）。常见的形式有两种，一是机组自带热回收器，通过机组自身实现的热回收；二是机组为常规主机，通过在水系统增加板换实现的热回收。

 

　　01 机组自带热回收器的热回收

　　以离心机组为例，传统的冷水机组仅有蒸发器和冷凝器、压缩机、节流这四大部件。热回收机组指的是在四大部件基础上增加一个热回收换热器，结构形式同冷凝器，在制冷运行的同时可实现热回收。流程如图1所示，热回收机组以制冷工况运行时，来自蒸发器的冷水通过冷水循环泵送至用户末端，冷凝器侧的热量通过冷却水经冷却水循环泵送至冷却塔排放，热回收器的热水通过热水循环泵送至热水系统。

 

　　02 水系统冷却水热回收

　　在既有建筑已使用常规冷水机组，且建筑有热水需求的情况下，可以在冷却水系统侧做热回收。对于常规冷水机组压缩机做功产生的废热主要通过冷却水经冷却塔散失掉，所以将冷却水中所含的热量加以利用制取热水可以达到很好的节能效果。流程如图2所示，冷却水系统串联一个板换，冷水机组运行时，冷凝器侧的冷却水出水经过板换与自来水换热，将自来水加热，达到为建筑提供生活热水的目的。

 

　　其他几种节能系统

　　01 自然冷却系统

　　在过渡季及冬季，随着室外温度的下降，此时仍有供冷需求的系统，可通过换热器提取室外低温环境的冷负荷实现制冷，压缩机可不运行或部分负荷运行。这种方式叫做自然冷却，广泛应用于数据中心、电子厂房等场所，根据我国的地势气温分布，在长江以北地区，冬季室外温度越低，节能效果越明显。常见的自然冷却系统有水冷式和风冷式。水冷式系统指的是应用水冷主机、冷却塔和板换的形式，需配置机房；风冷式系统指的是使用具有自然冷却功能的风冷主机，无须机房。

 

　　·水冷式自然冷却系统

　　水冷式系统中冷水机组和板换多为并联的形式，在过渡季及冬季，随着室外温度的下降，经过冷却塔处理的冷却水温度也在降低，对于末端仍有供冷需求的建筑，可充分利用低冷却水温向末端供冷。当室外温度低到设定值时，冷水机组关闭，冷却塔的冷却水管路和用户末端管路切到板换两侧，由板换代替冷水机组，通过冷却塔和板换将来自末端设备的冷冻水降温，再送至末端设备中。这种供冷形式机组的压缩机不运行，可节省较多的运行费用。值得注意的是，因北方地区冬季温度较低，所以该系统需要配置防冻保护措施，可在冷却塔集水盘及户外冷却水管道上增加电伴热预防结冰。

 

　　·风冷式自然冷却系统

　　风冷式系统是指采用带有自然冷却的风冷主机，在常规风冷主机的基础上增加了风冷自然冷却换热器。机组夏季运行的时候，与常规机组一样，开启压缩机制冷，自然冷却器不使用。过渡季，当环境温度低于冷冻水温度一定值时，开启自然冷却器预冷冷冻水，若自然冷却不够，再开启常规压缩机制冷进行接力。冬季，当室外温度远远低于冷冻水温度时，可进入完全自然冷却模式，压缩机无须开启做功。

 

　　02 热泵系统

　　目前华北地区冬季采暖大多使用燃煤集中供热形式，为了降低碳排放，传统燃煤向清洁能源转型势在必行。常见的供热形式有电热泵和溴化锂吸收式热泵，其中电热泵有水地源热泵系统及空气源热泵系统。

 

　　·水地源热泵系统

　　水地源热泵可利用水、土壤或工艺污废水的低品位热能资源，采用热泵原理，实现低品位热能向高品位热能转移，另外热泵机组还可同时制冷制热，一机多用。一般情况下，水地源热泵的制冷、制热系数可达3～5，与传统利用率只有80%～90%的电锅炉、燃气锅炉相比，能节省大量用电能耗，可应用于商场、医院、学校、别墅住宅等场所。

 

　　·空气源热泵系统

　　目前，随着暖通行业的技术发展，低环温的空气源设备也日趋成熟，已广泛应用于北方地区。空气源热泵机组直接与空气进行换热，无须其他配置，相较于水地源热泵系统，不受水源、地源条件限制，系统简单，也是常见的清洁能源形式。

 

　　·溴化锂热泵系统

　　溴化锂吸收式热泵是一种以溴化锂溶液和水作为工作介质，以热能如蒸汽、热水作为驱动方式的热泵类型。在热电、石化、氮肥、钢铁、化工、食品、石化等行业通常会有一些高温烟气余热、冷却介质余热、废汽废水余热、炉渣余热、化学反应余热、废料余热等可利用能源，采用溴化锂热泵系统实现回收再利用，可以提高能源使用效率。

 

　　03 冰蓄冷系统

　　蓄冷空调系统，即在电力负荷很低的夜间用电低谷期，采用电制冷机制冷，将冷量以冰的形式贮存起来，在电力负荷较高的白天，把贮存的冷量释放出来，以满足建筑物空调负荷需要的空调系统。冰蓄冷系统一般配置载冷剂为乙二醇溶液的制冷机组及蓄冰装置。蓄冷技术是转移高峰电力、开发低谷用电、优化资源配置、保护生态环境的一项重要技术措施。采用冰蓄冷系统一个最基本的前提条件是，建筑物所在区域要有合适的分时电价结构和相关优惠政策，冰蓄冷系统夜间制冰，最适用于在夜间没有供冷要求或仅需部分供冷的场所，如商场、机场、办公楼、展馆和医院等。

 

　　结语

　　随着全国碳排放权交易市场的成立，碳市场试点的增多，越来越多的行业将被纳入碳市场的管控。持续推进低碳建筑暖通节能系统意义重大，本文所介绍的几种节能系统解决方案有各自应用的场景和特点，业主可根据自身业态的类型、节能量、舒适度和室内品质等不同需求，结合可利用的资源，去选择最适合的系统解决方案