暖通空調(diào)節(jié)能系統(tǒng)如何助力實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和

氣候變暖是跨越國界的全球性挑戰(zhàn)，會引發(fā)長期深層次的危機(jī)，如極端天氣增加、海平面上升、傳染病增加、瀕危物種滅絕、沖突和戰(zhàn)爭爆發(fā)等。為應(yīng)對氣候變化，全球197個(gè)國家于2015年在法國巴黎通過了《巴黎協(xié)定》，旨在大幅減少全球溫室氣體排放，將氣溫升幅限制在比工業(yè)化前水平高2℃以內(nèi)，并努力控制在1.5℃以內(nèi)，每五年審查一次各國對減排的貢獻(xiàn)。2020年9月22日，習(xí)近平主席在第七十五屆聯(lián)合國大會上發(fā)表重要講話，提到“2019年爆發(fā)的新冠肺炎疫情啟示我們，人類需要一場自我革命，加快形成綠色發(fā)展方式和生活方式，建設(shè)生態(tài)文明和美麗地球。人類不能再忽視大自然一次又一次的警告，沿著只講索取不講投入、只講發(fā)展不講保護(hù)、只講利用不講修復(fù)的老路走下去。中國將提高國家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，力爭于2030年前達(dá)到二氧化碳排放峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”?！半p碳”戰(zhàn)略背景之下，作為與人類生產(chǎn)生活息息相關(guān)的建筑業(yè)，碳排放量更不容小覷。而作為建筑運(yùn)行使用階段的能耗大戶，暖通空調(diào)系統(tǒng)的能耗一直獨(dú)占鰲頭，因此對于能否達(dá)成“雙碳”目標(biāo)，暖通空調(diào)的節(jié)能變得至關(guān)重要，成為關(guān)乎國計(jì)民生的大事，大力推廣節(jié)能系統(tǒng)意義重大。隨著暖通行業(yè)技術(shù)的日益成熟與推陳出新，暖通空調(diào)的節(jié)能系統(tǒng)已在較多領(lǐng)域應(yīng)用，如酒店、寫字樓、商場、醫(yī)院醫(yī)療、生物制藥、工業(yè)制造、數(shù)據(jù)中心、食品加工等。其中應(yīng)用較為廣泛的系統(tǒng)有高效機(jī)房全變頻系統(tǒng)、熱回收系統(tǒng)、自然冷卻系統(tǒng)、熱泵系統(tǒng)、冰蓄冷系統(tǒng)，本文將對這幾種節(jié)能系統(tǒng)的特點(diǎn)和適用場所進(jìn)行闡述。1、高效機(jī)房全變頻系統(tǒng)

高效機(jī)房全變頻系統(tǒng)指采用變頻冷水機(jī)組及變頻附屬設(shè)備如水泵、冷卻塔等并搭配能源管理平臺的節(jié)能系統(tǒng)，適用于酒店、寫字樓、醫(yī)療、數(shù)據(jù)中心等場所。以酒店建筑為例，一般全變頻系統(tǒng)較定頻系統(tǒng)節(jié)能約30%。一、冷水機(jī)組變頻冷水機(jī)組變頻節(jié)能分為部分負(fù)荷下的節(jié)能和低冷卻水溫下的節(jié)能兩方面。下面以離心機(jī)組為例，詳細(xì)闡述其節(jié)能原理。部分負(fù)荷下的節(jié)能常規(guī)空調(diào)設(shè)備的容量是按照建筑物最大負(fù)荷配置，且留有設(shè)計(jì)余量。在沒有采用變頻調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中，無論季節(jié)和用戶側(cè)負(fù)荷如何變化，各設(shè)備都長期在定頻狀態(tài)下全速運(yùn)行，定頻機(jī)組通過調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片開度來調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，高效率點(diǎn)在70%～80%負(fù)荷，當(dāng)負(fù)荷繼續(xù)降低時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定，單位電耗增加。而變頻機(jī)組通過調(diào)節(jié)導(dǎo)流葉片開度和電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)機(jī)組負(fù)荷，在部分負(fù)荷下，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，可有效降低電耗。低冷卻水溫下的節(jié)能在過渡季節(jié)，冷卻水溫度一般遠(yuǎn)低于設(shè)計(jì)工況。對于定頻機(jī)組，穩(wěn)定運(yùn)行需有恒定的蒸發(fā)壓力和冷凝壓力。但冷卻水溫度降低后，冷凝壓力隨之降低。為維持機(jī)組運(yùn)行，需關(guān)小導(dǎo)葉開度，減小循環(huán)量，以調(diào)整壓縮機(jī)工作點(diǎn)，來適應(yīng)更低的冷凝壓力。這樣不但降低了機(jī)組效率，還消耗了更多電功率。而變頻機(jī)組可以通過調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來適應(yīng)冷凝溫度與壓力的變化，在冷卻水溫度越低、負(fù)荷越低的情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)速越小，節(jié)能越顯著。二、水泵變頻常見的空調(diào)水系統(tǒng)流量調(diào)節(jié)方式為變閥開度調(diào)節(jié)和水泵變頻調(diào)節(jié)。變閥開度調(diào)節(jié)是通過改變管道閥門的開度來調(diào)節(jié)泵的流量，特點(diǎn)是水泵的性能曲線不變，泵的功率基本不變，但相較于水泵變頻節(jié)能量有限。變頻調(diào)節(jié)是通過變頻器改變電源的工作頻率，從而實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的無級調(diào)速[1]。由《流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī)》第十一章葉片式泵與風(fēng)機(jī)的理論可知，水泵功率與轉(zhuǎn)速的3次方成正相關(guān)關(guān)系，當(dāng)系統(tǒng)實(shí)際所需的供水流量降低時(shí)，可以相應(yīng)地降低水泵轉(zhuǎn)速，使水泵功耗降低。因此，當(dāng)季節(jié)、晝夜溫差變化或末端需求變化時(shí)，系統(tǒng)處于部分負(fù)荷狀態(tài)下，水流量都會低于額定流量，均可通過水泵變頻實(shí)現(xiàn)能耗降低。Part2、熱回收系統(tǒng)熱回收系統(tǒng)的基礎(chǔ)是同時(shí)有冷熱負(fù)荷需求，一般用于生產(chǎn)工藝、酒店等（有生活熱水、泳池、廚房/洗衣房熱水）。常見的形式有兩種，一是機(jī)組自帶熱回收器，通過機(jī)組自身實(shí)現(xiàn)的熱回收；二是機(jī)組為常規(guī)主機(jī)，通過在水系統(tǒng)增加板換實(shí)現(xiàn)的熱回收。一、機(jī)組自帶熱回收器的熱回收以離心機(jī)組為例，傳統(tǒng)的冷水機(jī)組僅有蒸發(fā)器和冷凝器、壓縮機(jī)、節(jié)流這四大部件。熱回收機(jī)組指的是在四大部件基礎(chǔ)上增加一個(gè)熱回收換熱器，結(jié)構(gòu)形式同冷凝器，在制冷運(yùn)行的同時(shí)可實(shí)現(xiàn)熱回收。流程如圖1所示，熱回收機(jī)組以制冷工況運(yùn)行時(shí)，來自蒸發(fā)器的冷水通過冷水循環(huán)泵送至用戶末端，冷凝器側(cè)的熱量通過冷卻水經(jīng)冷卻水循環(huán)泵送至冷卻塔排放，熱回收器的熱水通過熱水循環(huán)泵送至熱水系統(tǒng)。二、水系統(tǒng)冷卻水熱回收在既有建筑已使用常規(guī)冷水機(jī)組，且建筑有熱水需求的情況下，可以在冷卻水系統(tǒng)側(cè)做熱回收。對于常規(guī)冷水機(jī)組壓縮機(jī)做功產(chǎn)生的廢熱主要通過冷卻水經(jīng)冷卻塔散失掉，所以將冷卻水中所含的熱量加以利用制取熱水可以達(dá)到很好的節(jié)能效果。流程如圖2所示，冷卻水系統(tǒng)串聯(lián)一個(gè)板換，冷水機(jī)組運(yùn)行時(shí)，冷凝器側(cè)的冷卻水出水經(jīng)過板換與自來水換熱，將自來水加熱，達(dá)到為建筑提供生活熱水的目的。Part3、其他幾種節(jié)能系統(tǒng)

一、自然冷卻系統(tǒng)在過渡季及冬季，隨著室外溫度的下降，此時(shí)仍有供冷需求的系統(tǒng)，可通過換熱器提取室外低溫環(huán)境的冷負(fù)荷實(shí)現(xiàn)制冷，壓縮機(jī)可不運(yùn)行或部分負(fù)荷運(yùn)行。這種方式叫做自然冷卻，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心、電子廠房等場所，根據(jù)我國的地勢氣溫分布，在長江以北地區(qū)，冬季室外溫度越低，節(jié)能效果越明顯。常見的自然冷卻系統(tǒng)有水冷式和風(fēng)冷式。水冷式系統(tǒng)指的是應(yīng)用水冷主機(jī)、冷卻塔和板換的形式，需配置機(jī)房；風(fēng)冷式系統(tǒng)指的是使用具有自然冷卻功能的風(fēng)冷主機(jī)，無須機(jī)房。水冷式自然冷卻系統(tǒng)水冷式系統(tǒng)中冷水機(jī)組和板換多為并聯(lián)的形式，在過渡季及冬季，隨著室外溫度的下降，經(jīng)過冷卻塔處理的冷卻水溫度也在降低，對于末端仍有供冷需求的建筑，可充分利用低冷卻水溫向末端供冷。當(dāng)室外溫度低到設(shè)定值時(shí)，冷水機(jī)組關(guān)閉，冷卻塔的冷卻水管路和用戶末端管路切到板換兩側(cè)，由板換代替冷水機(jī)組，通過冷卻塔和板換將來自末端設(shè)備的冷凍水降溫，再送至末端設(shè)備中。這種供冷形式機(jī)組的壓縮機(jī)不運(yùn)行，可節(jié)省較多的運(yùn)行費(fèi)用。值得注意的是，因北方地區(qū)冬季溫度較低，所以該系統(tǒng)需要配置防凍保護(hù)措施，可在冷卻塔集水盤及戶外冷卻水管道上增加電伴熱預(yù)防結(jié)冰。風(fēng)冷式自然冷卻系統(tǒng)風(fēng)冷式系統(tǒng)是指采用帶有自然冷卻的風(fēng)冷主機(jī)，在常規(guī)風(fēng)冷主機(jī)的基礎(chǔ)上增加了風(fēng)冷自然冷卻換熱器。機(jī)組夏季運(yùn)行的時(shí)候，與常規(guī)機(jī)組一樣，開啟壓縮機(jī)制冷，自然冷卻器不使用。過渡季，當(dāng)環(huán)境溫度低于冷凍水溫度一定值時(shí)，開啟自然冷卻器預(yù)冷冷凍水，若自然冷卻不夠，再開啟常規(guī)壓縮機(jī)制冷進(jìn)行接力。冬季，當(dāng)室外溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冷凍水溫度時(shí)，可進(jìn)入完全自然冷卻模式，壓縮機(jī)無須開啟做功。二、熱泵系統(tǒng)目前華北地區(qū)冬季采暖大多使用燃煤集中供熱形式，為了降低碳排放，傳統(tǒng)燃煤向清潔能源轉(zhuǎn)型勢在必行。常見的供熱形式有電熱泵和溴化鋰吸收式熱泵，其中電熱泵有水地源熱泵系統(tǒng)及空氣源熱泵系統(tǒng)。水地源熱泵系統(tǒng)水地源熱泵可利用水、土壤或工藝污廢水的低品位熱能資源，采用熱泵原理，實(shí)現(xiàn)低品位熱能向高品位熱能轉(zhuǎn)移，另外熱泵機(jī)組還可同時(shí)制冷制熱，一機(jī)多用。一般情況下，水地源熱泵的制冷、制熱系數(shù)可達(dá)3～5，與傳統(tǒng)利用率只有80%～90%的電鍋爐、燃?xì)忮仩t相比，能節(jié)省大量用電能耗，可應(yīng)用于商場、醫(yī)院、學(xué)校、別墅住宅等場所。水源熱泵可利用的低品位水源有海水、江河湖泊水、市政污水、生產(chǎn)工藝廢水、油田采油伴水等，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候要注意水源側(cè)水質(zhì)的情況，尤其是海水及各類污廢水，需要考慮水質(zhì)腐蝕管路和機(jī)組設(shè)備的問題。通常有兩種做法，第一種是水源直接進(jìn)機(jī)組，第二種是水源與機(jī)組之間增加板換，水源不直接進(jìn)機(jī)組。若采用第一種形式，機(jī)組與水源直接接觸的重要部件如蒸發(fā)器水室及換熱管需要選擇抗腐蝕的材質(zhì)，水室可采用不銹鋼材質(zhì)或者內(nèi)部做襯塑處理，換熱管可采用鋁黃銅、鎳銅、鈦合金材質(zhì)，這種形式的機(jī)組造價(jià)相對較高，但是相比較于第二種形式而言無板換傳熱損失，可較大限度地回收水源余熱。若采用第二種形式，選擇普通機(jī)組即可，相同水源溫度下回收的余熱量會有部分下降，但是整體經(jīng)濟(jì)性較好。另外，對于采用地埋管或深層熱井熱泵的系統(tǒng)形式需要敷設(shè)地埋管或者打深水井，在設(shè)計(jì)初期要結(jié)合當(dāng)?shù)赝恋睾退凑叩囊蠛侠砼渲?。空氣源熱泵系統(tǒng)目前，隨著暖通行業(yè)的技術(shù)發(fā)展，低環(huán)溫的空氣源設(shè)備也日趨成熟，已廣泛應(yīng)用于北方地區(qū)?？諝庠礋岜脵C(jī)組直接與空氣進(jìn)行換熱，無須其他配置，相較于水地源熱泵系統(tǒng)，不受水源、地源條件限制，系統(tǒng)簡單，也是常見的清潔能源形式。溴化鋰熱泵系統(tǒng)溴化鋰吸收式熱泵是一種以溴化鋰溶液和水作為工作介質(zhì)，以熱能如蒸汽、熱水作為驅(qū)動方式的熱泵類型。在熱電、石化、氮肥、鋼鐵、化工、食品、石化等行業(yè)通常會有一些高溫?zé)煔庥酂?、冷卻介質(zhì)余熱、廢汽廢水余熱、爐渣余熱、化學(xué)反應(yīng)余熱、廢料余熱等可利用能源，采用溴化鋰熱泵系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)回收再利用，可以提高能源使用效率。三、冰蓄冷系統(tǒng)蓄冷空調(diào)系統(tǒng)，即在電力負(fù)荷很低的夜間用電低谷期，采用電制冷機(jī)制冷，將冷量以冰的形式貯存起來，在電力負(fù)荷較高的白天，把貯存的冷量釋放出來，以滿足建筑物空調(diào)負(fù)荷需要的空調(diào)系統(tǒng)。冰蓄冷系統(tǒng)一般配置載冷劑為乙二醇溶液的制冷機(jī)組及蓄冰裝置。蓄冷技術(shù)是轉(zhuǎn)移高峰電力、開發(fā)低谷用電、優(yōu)化資源配置、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一項(xiàng)重要技術(shù)措施。采用冰蓄冷系統(tǒng)一個(gè)最基本的前提條件是，建筑物所在區(qū)域要有合適的分時(shí)電價(jià)結(jié)構(gòu)和相關(guān)優(yōu)惠政策，冰蓄冷系