建筑空调节能减排的多元性

 

上海交通大学鲍士雄教授

 

一．引言

 

我国近年来，动力工业发展迅猛：发电容量年递增速度为1.2千万KW左右，总装机容量达30亿KW以上，已居世界第二。但经济发展、生活提高，空调日趋普及，能源、电力日趋紧张。就社会而言，建筑空调能耗占建筑能耗60~65%，使该能耗已达社会总能耗的20%左右；就家庭而言，家用空调耗电量，在空调使用高峰期，已达家庭用电总量70%。因而， 建筑空调节能减排，是实现国家“十一五”节能减排目标重要方面，是我国可持续发展的一个课题，其意义重大。

 

空调节能减排所涉及因素众多，是一个系统工程问题。需要从环境、建筑、设备、控制、操作，环保与健康，以及政策与调控等政治、经济与技术诸多角度去考虑与平衡。

 

而且，该问题应就已拥有与新增添空调设备二类分别采取节能减排措施。即：一类是旧系统、旧设备改造问题；另一类是新系统、新设备创新问题。二者均不可忽视，否则节能减排目标就难以实现。

 

建筑空调其建筑物位处全国各地，涉及全国五大气候区，涉及沿海与江川湖泊周边、岛屿、人口集中的城镇、人口稀少的平原、草原与山地、甚至沙漠等地区，涉及别墅、会所、公寓、酒店、办公楼、医院、工厂等建筑，……，其自然环境、地理条件、建筑功能，……，各不相同。

 

因此，建筑空调节能减排是一个多元性的课题。

 

二．空调与建筑

 

空调技术是应用制冷机（或热泵）将热量从室内向外转移（夏季降温）或将热量从室外向内转移（冬季采暖），其搬迁热量多少，主要与建筑有关：围护结构能耗占整个建筑能耗30%，即占空调负荷45~50%左右，其中窗体热损失占该项负荷27~49%。

 

有人对没装空调的98户144间房测试，多数室内热环境不能满足人热舒适要求，但仍有部分房间在室外气温超40℃时，室内温度仅30.5℃。说明建筑上合理的朝向、形体、分隔、隔热与窗体结构，以及适当的通风有助空调节能。甚至，建筑物顶、墙绿化也是降低能耗的措施。

 

三．空调与环境  

 

空调技术是应用制冷机（或热泵）搬迁热量至环境。而这一环境，可以是大气，也可以大地。

 

（一）与大气耦合

 

向大气搬迁，为大家非常熟悉的产品，如窗式空调器、分体式空调器、变制冷剂质流量空调机（VRV—Varied Refrigerant Volume、DVM—Digital Variable Multi）、风管机、空气源冷/热水机组，以及应用冷却塔的各类水冷冷水机组，等等。

 

从这些不同类型空调机（器）中，可以看到所用节能减排措施有：

 

1． 应用变制冷剂质流量技术

 

变制冷剂质流量空调机（VRV—Varied Refrigerant Volume—变频空调、DVM—Digital Variable Multi—数码涡旋）能效比较高。因为，前者应用变频技术；后者虽为定速，但质流量也随负荷变化，其能耗也随之变化。由于气温一日内存在日较差，日与日又有差别，因而可取得良好的节能效果。

 

变频技术又可以应用于风机、水泵变速上，据有关风机盘管机组对比试验——永磁无刷直流电机与单相异步电机比较，前者比后者，在额定转速时节能20%；在中等转速时节能70%。

 

变频技术应用中，对电网与医疗器材之影响有待检测与研究。

 

2． 应用蒸发冷却与蒸发冷凝技术

 

1）应用冷却塔设施

 

应用冷却塔的各类水冷冷水机组能效比较高。因为，空气固有的特征是：湿球温度总比干球温度低。因而，可以得到比气温低的冷却水去搬迁那些热量，而届时机组的高压低，能效比也高。

 

2）应用蒸发冷凝技术

 

当然，作为家用空调是不可能背一台冷却塔于系统中。但应用蒸发冷凝原理，可以获得较高的能效比。即使用少量水（如：室内机凝结水）喷淋风冷冷凝器也可取得良好的节能效果。据有关试验，能效比可达到4.8~5.7W/W。

 

3）应用蒸发冷却技术

 

在空气干湿球温差较大地区，水直接蒸发吸取空气中热量，即可获得建筑空调所需的冷风，其能耗仅水泵、风机能耗。此题，同济大学陈沛霖教授于20世纪80年代即积极提倡。

 

3． 应用热回收技术

 

用空气或冷却塔所提供的冷却水冷却制冷系统冷凝器过程，也是对大气热污染过程，是城市热岛效应成因之一。回收排气显热或整个冷凝过程热量，制取生活热水。从而，二头获得所需的热能，即所谓“三联供”是节能途径之一，其能效比可达7左右。

 

反之，如今正广泛替代锅炉的空气源热泵热水器，将其从大气中吸取热量改变为从室内空气中吸取热量，其即可增添降温与除湿功能，其能效比也可达7左右。

 

（二）与大地耦合

 

向大地搬迁，即过去曾非常熟悉、如今又以新面貌出现一些产品。如水源热泵、水环路热泵、地源热泵，等等。它们分别占了如下便宜：

 

1． 水源热泵、水环路热泵（水环路热泵是一种集中冷却（或加热）、分散降温（或采暖）机组）不管它们如上述那样应用冷却塔向大气搬迁热量，还是取地表水或经地下埋管向大地搬迁热量，总获得了较低的冷凝温度（压力）。因而，机组能效比比风冷机组高，单机能效比可达5W/W以上，系统能效比可达4.5W/W。充分利用海洋、江河、湖泊、水库、污（中）水、废水（液），乃至喷泉，是目前积极推广的一种节能措施。

 

但水资源是人类保护之对象，尤其是地下水更不可乱用。

 

因而，异化为冷却塔/空气源热泵热水器+水源热泵或水环路热泵、冷却塔/太阳能热水器+水源热泵或水环路热泵等，既解决了空气源热泵机组，夏季对大气的热污染，冬季效率更低，又越冷越出力不足；又有较高的能效比。

 

2． 地下常年恒温，个别尚有地热。别墅群或附有大面积绿地之公寓楼等有条件设置地下埋管，上述水源热泵或水环路热泵又可异化为地源热泵。夏季可得较低的冷却水温，冬季可得廉价又温度较高之热源。

 

3． 减少输送动力

 

1） 采用大温差水系统，据有关资料分析：水系统一次投资又可减少50%，能耗与运行费用可减少30%。

 

2） 采用变频等调速技术，调节水泵、风机流量。其节能效果如表所示：

 

 

 

四．空调与能源

 

空调技术应用制冷机（或热泵）搬迁热量，是以耗能作功为代价的。通常，多以电力驱动压缩机作功，来实现热量转移。而作为空调设备所转移的热量品位是十分低下的：

 

表2

  

而所消耗电力或燃料的能量品位是很高的（品位为1）。因而，提高系统能源利用效率应包含二重含义：

 

1． 数量含义——能效比（工作性能系数）

 

2． 品位含义——效率

 

如今所强调节能，是指数量含义上的能源利用效率。从品位含义上，提高能源利用效率尚未获得普遍关注，但它应是本质上解决能源问题的途径。其方法有：

 

1． 充分利用自然条件

 

1） 自然通风

 

2） 新风全热交换器

 

2． 扩大冷却塔的应用

 

1）冷却塔供冷技术

 

开式冷却塔，在室外空气湿球温度较低时，关闭制冷机组，利用流经冷却塔循环水直接或间接向空调系统供冷，从而节约冷水机组能耗。

 

闭式冷却塔，21世纪初曾对常年保证+7℃供水的长春地区某工厂，采取过渡季节（晚秋、初春）与冬季均用控制封闭式冷却塔风机、冷却水泵台数及其相应的电动水阀，改变冷却水泵频率，自动调节封闭式冷却塔对大气的排热量，以保证送水温度在设定的范围内，节约冷水机组能耗。

 

2） 冷却塔供热技术

 

在一定气候条件下，冷却塔甚至可替代辅助热源，向水源或水环路热泵供热，节约辅助热源能耗。此技术中宇已经经广东与成都二地实践，证明是可行的。

 

3． 总能系统概念应用

 

用总能观点看，任何工厂、车间、农牧渔场、酒店、旅馆、医院、城镇、居住小区、岛屿、舰艇或其他交通工具，乃至“工业共生体”等等，凡可形成独立体系的区域，其进入的能源形式各不相同，其生产、消费的物质形态各不相同。但它们都涉及能量供应与需求，能量品位（质）与数量（量），而且这些能量的品位是各不相同的。总能系统就是选择合理的能量转换设备与器械、包括防止贬损的隔热材料等，使能量从供入该区域起，就按高品位先使用于高品位需求，品位贬值与数量损耗后的能量，再按其品位使用于相应品位的需求，即所谓：“按质用能”的总能系统原则。下述二类系统均属于总能系统概念组织的系统：

 

1）用内燃机或燃气轮机等动力机械直接驱动压缩式制冷机（热泵），同时回收原动机在输出机械功过程中，所释放出来的废热，驱动吸收式制冷机（热泵），或热交换器，构成总能系统，实现冷热（含生活热水）联供；

 

2）用内燃机或燃气轮机等动力机械驱动发电机，电动机驱动压缩式制冷机（热泵），同时回收原动机在输出机械功过程中，所释放出来的废热，驱动吸收式制冷机（热泵），或热交换器，构成总能系统，实现电冷热（含生活热水）联供。

 

上述二种方式都具有如下优点：

 

（1）一次能源利用率高；

 

（2）分散用电负荷；

 

（3）允许实现能源类型多样化，例如：城乡生活垃圾、粪便、作物秸杆沼气化，用双燃料发动机驱动，组成的三联供系统；

 

（4）利用环境，乃至各类废热低品位能量；

 

（5）调速方便、适应能力强。

 

下面列出90年代中期实验结果：

 

 

 

4． 综合考虑建筑环境、功能与供求，合理组织总能系统

 

举例——海岛民居

 

1）环境分析

 

岛陆分离、交通不便，是海岛社区共同特征，也是最大困难，并引伸出其他诸多困难：如物资供给受限，尤其是生活基本需求——淡水与能源。风浪一起，无法补给，人的基本生存条件受到严重挑战。因而，建立海岛社区应进行独特的精心设计，多途径地发掘海岛所拥有的自然资源——海水、海潮、海浪、海风、太阳能、岩层、地下水、雨水‥‥‥；以及人群入住后必然产生的生活垃圾、粪便、污水等可再生能源，运用可靠又经济的手段，减少对岛外淡水与能源供应，又尽可能地提高海岛社区制冷、供热与饮用水、卫生热水供给的自给率，实现无公害排放。

 

现初步掌握，该岛有如下资源：

 

 

 

注：海潮、海浪、海风、岩层、地下水‥‥‥，另列。

 

2）功能目标

 

（1）废弃物处理与利用——能源化、无害化

 

（2）海水淡化——饮用水补充（陆地供给、雨水收集与蓄储或地下水开掘之补充）

 

（3）夏季降温

 

（4）冬季采暖

 

（5）生活热水

 

3）实现手段

 

(1）废弃物沼气化

 

废弃物（生活垃圾、粪便与经处理的污水残留物）经粪便泵注入厌氧发酵装置生产沼气。

 

(2）双燃料发动机驱动发电机发电

 

采用沼气－柴油的双燃料发动机，以沼气作燃料产生动力驱动发电机产生电能的设备系统。一般沼气发电工程的发电装置都能满足当地上网要求，还可使用监控设备，检测发酵气体含量、温度、产量以及pH 值，甚至采用远程自动监控设施。发电产生的余热一小部分用来加温发酵装置，剩余部分用作区域供热，实现热电联产。

 

(3）热泵高/低温热源二端能量尽可能同时利用

 

热泵型机组具备供冷或供热二大功能。因而，其热汇是按制冷机运行方式排热所需的高温热源，和按热泵运行方式吸热所需的低温热源。即所谓热泵型机组的高/低温热源。

 

前述目标——海水淡化、生活热水制取恰巧与夏季降温功能，构成制冷与制热同时需求，那么，以其冷凝器制热、蒸发器制冷，其效率是二者之和。其间，排热量过剩部分用海水经热交换器带走。这样，不仅能耗最少，而且热岛效应最小，对生态环境之影响可降低至最小。

 

(4）冬季采暖充分使用可再生热源作低温热源

 

冬季采暖期间，采暖、海水淡化、生活热水制取均利用热泵型机组高温端，必须低温端吸取热量。空气源温度（－4.9℃）低于海水源温度（-2.1℃），且又有融霜问题；海水源温度又低于岩层或地下水源温度，但地下水有回灌与水质污染问题。因而，从岩层吸取热量，并采用地板辐射采暖（水温35℃），人体感觉较好。但系统型式不能采用高于水—水热泵效率的水—空气热泵效率；而且，地板辐射祗适用于冬季采暖，夏季降温需切换成水—水+水—空气，空调室内设施需有二套——地板辐射盘管与风机盘管机组，分别使用冬季或夏季。因而，主张从岩层吸取热量，采用水—空气热泵类型的水源（环）水—空气热泵供暖。

 

5. 多能源应用

 

能源多样化，尤其是可再生能源——太阳能、风能、生物（秸杆）能的应用，太阳能扩散吸收式空调器或太阳能热水器为扩散吸收式空调器或吸附式空调器提供能源。有废热的地方应用吸收式制冷机是极其的节能的措施。

 

6． 地板辐射采暖应用

 

地板辐射采暖是降低能量品位又符合人体特征的采暖方式。它在人体敏感部位（距地面0.05~0.15m）温度较对流供热高8~10℃，且节能达10~20%。这启迪人们研究适合于人体特征，使人舒适又节能的传递方式，如大环境要求低一点，人体敏感部位要求高一点，等等都可以降低能耗。

 

 

 

 

.五．空调与控制及管理

 

1．合理选择设计负荷，力免“大马拉小车”。

 

2．应用分时控制技术

 

家庭生活中，人的活动场所是随时段变化的。若应用分时控制，那就可以降低机组配置能量，既配置功率。20世纪90年代，曾与学生张良合作试用1.5HP定速机驱动二房一厅空调系统。

 

21世纪初，整合上述2与4技术，曾与中宇试用1.5HP变频机驱动三台2500W内机，其一拖一能耗为400W、一拖二能耗为800W、一拖三能耗为1400W，能效比最高达6.25W/W。因而，也不乏为一种节能措施。

 

3． 合理规划控制程序

 

某公司生产的空气源热泵柜式空调机，为保证冬季采暖效果，设置电热器以防热泵低温环境下能力下降。然其控制程序却不是按热泵能力来控制电热辅助功能，而是凡回风温度未达要求即开启电热，造成机组电耗极大。如按室外热交换器表面温度取讯、合适的延时时间与融霜程序等控制手段，其产品就不会如此耗能。

 

由控制所能实现的节能效果，据统计在10%左右。

 

4． 合理配置新风

 

卫生要求一定的新鲜空气量。据有关资料介绍：低通风率（12L/S•P）比通风率为24L/S•P的空间，室内人员患上呼吸道传染病人数高50%。因而，讲究室内空气品质，关系健康，关系生命。这里有：源控制、通风、净化问题。由此而花费的金钱与能源，比因健康或生命受威胁，而花费的金钱与能源要少数百倍，而且，因效率提高而获得效益也高得多。

 

但仍应应用热回收技术等去减少能耗。如进、排气热交换装置既可保证一定的新鲜空气量，又可节能。

 

 

 

 

六．现有空调设备节能减排一点不可忽视问题

 

1．严防损漏等所引起的能耗问题

 

空调设备工质泄漏、机械磨损增加、系统内外部污染，也是导致能耗增加的原因之一，又是为人们所忽视的问题。采用注入补漏剂、润滑油添加剂与清洁剂，以及定时人工清洁翅片、滤网，可以堵漏、减少磨损，提高传热，节约能耗。

 

2． 更换制冷剂

 

空调设备使用中都存在共性：环保（CFC）问题，这里不去更多涉及该问题，仅涉及应用制冷剂更换时，既可解决CFC问题，又可节能的问题。例如R417A是一可替代R22等制冷剂的新工质，其能效比可提高10~20%。

 

据有关资料：用R417A工质在国内R22产品，经试验，初步验证其优良性能。下面为广州电科所对1HP分体挂壁式冷热空调器进行测试的比较：

 

 

 

这一R22制冷剂工质的替代方式，其优点：

 

1）因R417A不含氯原子，故解决了氟利昂泄漏破坏臭氧层问题。

 

2）可以基本不改变系统（节流部件需调整），又不更换润滑油，就可直接替用。

 

3）节能效果显著，能效比可提高10~20%。

 

4）具备泄漏至80%仍组分不变，以便补充充注，等。

 

因而，直接更换合适的环保型制冷剂，对现已使用，又不到使用寿命的空调设备节能减排十分有利。

 

 

 

 

七．结束语

 

总之，建筑空调节能减排途径众多。对象各不相同，其手段也必然多样化。本文仅涉及其一二而已，诸如热管、双级压缩等许多技术，以及有些技术其直接能耗与间接能耗评价，均未涉及，仅为一点陋见。  

 

前车之鉴，后车之师。一生中经历太多的一轰而起、太多的一窝蜂，……，实在太可怕啦！尤其是人类与大自然的相处之中，短期之内是难以察觉的，而其危害却又是十分巨大。

 

杞人忧天，故在此《开发浅层地热能资源》会议上发表如此多余之言，仅供参考。

 

用“目标认清，思想解放、技术创新、实施严谨、政策引导、法规制约，优势整合，多种途径、……”去开展空调节能减排工作，该目标是一定能够实现的。而且，既节了能量，也改善了气候环境。其功惠及子孙。不妥之处，请批评指正。