暖通空调系统的节能

南京工业大学暖通空调系统节能暖通空调研究所张广丽 内容1.建筑节能概述

1.1建筑的概念建筑：用特定围护结构从自然环境中分隔出来的功能空间整体建筑功能分类建筑民用建筑工业建筑公共建筑居住建筑目前所讲的“建筑节能〞主要针对民用建筑工业建筑的节能潜力也非常大

1.2建筑与建筑设备的关系建筑设备包括暖通空调、建筑电气〔强弱电〕、建筑给排水等专业建筑是建筑设备依附的主体，建筑设计是建筑设备节能的重要根底建筑设备是实现建筑功能的主要手段建筑与设备专业密切结合才能真正实现建筑的功能和节能61.3建筑的能耗

建筑能耗的组成:建筑材料的生产和运输能耗建造过程能耗运行过程能耗〔建筑能耗的主要局部〕废弃拆卸处理能耗——用“全生命周期〞评价建筑能耗目前所讲的建筑节能主要针对“运行〞能耗：维持室内环境能耗，包括建筑设备能耗、照明能耗等——因此才有所谓“零能耗〞、“负能耗〞建筑2024/5/4节能作为虚拟资源化石燃料能源化石燃料能源可再生能源利用能源效率提高被动式技术和行为节能虚拟能源无碳替代能源低品位热源利用2〕建筑设计•体型系数：建筑物接触室外大气的外外表积与其所包围的体积之比值——体形系数越小，维持室内环境的能耗越低•窗墙比：建筑物外外表积中窗所占的面积比——窗是外围护结构中的薄弱点•自然通风：不消耗动力的通风——需要建筑设计密切配合•自然光照明：不消耗能源的室内照明——采光和遮阳存在矛盾•绿化：改善外墙与屋顶热工性能——维护3〕建筑设备

民用：给排水、电气、暖通空调等工业：还要增加工艺、动力、原材料及成品建筑设备的运行能耗构成建筑“运行〞能耗的主要内容，在民用建筑中需要建筑专业密切配合，在工业建筑中还需要工艺专业密切配合。•3〕建筑材料及构件•材料：绿色、可持续建材•热工性能：传热系数、热惰性•墙体保温：外墙〔外保温、内保温〕、内墙〔邻室传热〕•窗：玻璃的热工性能、层数、气密性•双层幕墙：•遮阳：内、外遮阳 2.暖通空调系统节能根底2.1暖通空调系统概述

暖通空调包括供热、通风与空气调节

空气调节系统

1〕空气调节的概念•定义：用人工方法对受控区域内空气的温度、湿度、速度及清洁度〔俗称“四度〞〕进行调节，以满足人员和工艺的要求

•必须具备对空气冷却和减湿的能力 ——此特征将空气调节与制冷紧密联系起来降低空调负荷是空调节能的关键之一从负荷的构成分析节能的途径〔3〕空调负荷的构成外部热源：通过建筑围护结构的传热负荷〔墙、顶、地、门、窗等〕内部热源：人员、照明、设备等新风：设计新风及自然通风换气围护结构传热隔热：把热量挡在室外。传热的途径夏季热源：1太阳辐射；2室外高温空气；3室内散热〔设备、人体〕夏季问题：

1如何减少进入室内的热量？

2已进入的热量如何排除？围护结构各局部的传热比例围护结构各局部所产生的采暖空调负荷的比例-----以50%节能标准的居住建筑为例，夏热冬冷地区夏季、冬季典型日的负荷分布案例建筑Room1-2夏季负荷比例Room1冬季负荷比例夏季策略外窗：太阳能辐射：遮阳温差传热：提高热阻。外墙：提高热阻；一定的蓄热能力。开窗通风：带走室内热量；改善室内空气品质〔时段选择〕

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墙体节能2021.10绿色建筑评价标准20

改善屋顶热工性能21

屋面绿化效果对环境的影响外窗遮阳与保温23西窗百叶遮阳百叶水平遮阳

遮阳冬季传热的途径冷风下雪

失热：室外低温空气；得热：太阳辐射；室内设备，人体。冬季问题:1如何减少室内热量的外泄？----保温

2如何增加室内热量？冬季策略外墙：提高热阻：抵抗热量流失外窗：提高热阻：面积大小：接受太阳辐射；增加热损失提高气密性。

南向边庭室内卷帘遮阳严寒、寒冷、夏热冬冷、夏热冬暖和温和5个不同的建筑气候区，除温和地区外，建设部已经公布实施了分别针对各个建筑气候区居住建筑的节能设计标准。建设部所公布的居住建筑节能设计标准的节能率为50%。 负荷与能耗——两个不同的概念负荷的单位是W或者kW，它反映了建筑物的用能需求。负荷的大小，取决于当地气候条件和围护结构的热工性能。能耗的单位是kWh。一定负荷的建筑，用能设备的使用时间越长，能耗量就越大。负荷是根底，围护结构的隔热保温只是创造了节能的必要条件，而只有通过设备和系统才有实质性节能，才是节能的充分条件。即使是能效最高的设备，使用时间越长，能耗越大。夏季总能耗比例外窗：68%通风：22%外墙：10%冬季总能耗比例外窗:28%冷风：46%外墙：26%室内自由温度测试案例50%节能房西堤左卧室窗户不遮阳左卧室窗户有遮阳特点夏季：太阳辐射是室内温度过热的主要因素；房间无太阳辐射时，室内根底温度接近于室外空气平均温度；墙体内外表温度对室内热舒适影响大。冬季：太阳辐射是室内补热的重要热源；室内外最大温差在20-25℃以内。

2〕空气调节系统的构成与分类〔1〕空气调节系统的构成•冷热源〔主机〕空气热湿处理设备〔末端〕流体动力设备〔风机、水泵等〕•管路〔风管、水管、蒸汽管、冷媒管等〕•调节控制部件〔传感器、阀门等〕2024/5/4b〕按负担室内负荷的 工作介质•全空气系统•全水系统•空气-水系统•冷剂系统〔空气-冷剂系统〕空调箱空调房间新风空调箱空调房间风机盘管空调房间室外机冷热源冷热水制冷剂

室内机新风空调箱

c〕按送风空气来源 •直流式〔全新风〕 无交叉污染，能耗高 •循环式〔封闭式〕 能耗低，空气质量差 •混合式 兼顾空气质量与能耗 d〕按效劳对象 •工艺性 以工艺过程与产品的质量为目的，兼顾人员 •舒适性 以室内人员的健康、舒适为目的制冷系统1〕制冷及制冷系统概念制冷：运用人工方法将受控区域内的热量转移到区域外部，实现热量由低温向高温处的传递需要外界作功利用制冷剂的相变来吸收〔蒸发过程〕和释放〔冷凝过程〕热量，实现冷量的定向迁移在向受控区域内“供冷〞时，必须向区域外放热，而且放热量大于“制冷量〞••制冷系统的构成及制冷剂的循环从制冷循环分析节能的途径制冷系统性能系数•各种表示方式 性能系数COP〔CoefficientofPerformance〕 能效比EER〔EnergyEfficiencyRatio〕 季节能效比SEER

综合局部负荷性能系数IPLV〔Integrated PartLoadValue〕IPLV=A×COP100%+B×COP75%+C×COP50%+D×COP25% •工程应用关注系统总产出/系统总能耗，即系统能效比2〕热泵的概念•热泵是可以通过转换冷凝器与蒸发器的功能来实现供热的制冷装置通过消耗少量能量获得较多的热量，所以得到广泛的应用，有很好的开展前途根据热源形式可分为空气源热泵地源热泵：包括土壤源〔地埋管〕、地下水、地表水〔海、湖、江、河、污水等〕••

空气源热泵空调器工作原理2021.10绿色建筑评价标准42空气冷却或加热压缩机室内热量排出到室外〔夏季〕提取室外热量〔冬季〕室外机室内机冷媒带走室内热量〔夏季〕或对室内加热〔冬季〕

冷热源末端热泵系统举例：传统的大型空调系统供热系统 1〕供热的概念 •定义： 生产、输配和应用中、低品位热能以满足生产和生活的需要 •分类： 工质：蒸汽、水、制冷剂 系统：区域、集中、分散2〕热源的形式•一次能源化石能源：煤、油、气、〔核〕等可再生能源：生物质、太阳能、地热等二次能源：电加热、各类热泵•余热与废热利用能源利用的原那么：能源梯级利用，不使用高品位能源生产低品位热能2024/5/42.1.4流体输送系统1〕输送工质分类空气系统•水系统制冷剂系统

2〕输送系统能耗的构成冷热源能耗〔主机〕末端能耗〔空调箱、风机盘管、各类风口〕管路能耗〔包括各类调节控制部件如阀门〕开式系统提升能耗〔进出口压差或位差〕需要设计人员计算系统阻力3〕流体动力机械〔1〕类别泵——输送液体风机——输送气体——有不同的工作原理及容量(2〕主要性能指标•流量全压〔扬程、压头〕•转速•效率•功率•••输入功率计算式泵与风机的性能曲线例图〔某转速时〕2.2暖通空调系统与节能的关系•在大型公共建筑中，暖通空调能耗占建筑运行能耗的主要局部•住宅建筑的暖通空调能耗受居民的生活方式及经济条件影响很大，但总体处于较低水平•在工业建筑中，暖通空调能耗虽然不一定占总能耗的主要比例，但能耗量可超民用建筑

•经济兴旺地区夏季用电负荷的顶峰主要是由空调用电造成的•许多暖通空调系统有节能改造的潜力

2.3暖通空调系统节能的理念

节能的前提是保障必要的建筑环境质量;节能是提高能源利用效率，不是简单降低能耗总量

暖通空调节能是一项跨专业、系统性工程跨专业：与规划、建筑、设备、材料、控制、管理等专业密切相关系统性：涉及设计、施工、调试、运行管理、维护保养全过程节能与环保、可持续、绿色、低碳等理念本质上是一致的：提高能源利用效率、合理利用资源、减少对生态环境的不利影响••••• 3〕合理选用与组合暖通空调系统形式 •根据使用功能采用合理的系统形式 •根据使用功能和时间合理划分系统 •系统规模适度•根据负荷分布特性选相应设备 4〕关注系统可调节性及局部负荷性能 •系统全负荷运行的时间比例是很低的 •主机、末端及输送设备的“出力〞均应可调节••

空气源热泵空调器工作原理2021.10绿色建筑评价标准57空气冷却或加热压缩机室内热量排出到室外〔夏季〕提取室外热量〔冬季〕室外机室内机冷媒带走室内热量〔夏季〕或对室内加热〔冬季〕

冷热源末端热泵系统举例：传统的大型空调系统

大地是极好的冷热源10-15米深的土壤〔水〕温度相当于该地区全年的平均气温，南方地区一般低于25℃，地下1-10米的土壤温度在随着深度的增加受气温变化影响递减。大地热容量极大。非常适合热泵使用。地源热泵能效比较高。2021.10绿色建筑评价标准59

水源热泵2021.10绿色建筑评价标准60

地下水源热泵：利用抽水井群将地下水抽出，通过二次换热或直接送至热泵机组，经提取热量或释放热量后，由回灌井灌回地下。

地表水源热泵：通过直接抽取或者间接换热的方式，利用江水、河水、湖水、水库水以及海水等。热2021.10绿色建筑评价标准61冷热热热冷

土壤源热泵示意图—夏季热冷2021.10绿色建筑评价标准62

温暖冷温暖温暖冷

寒冷温暖温暖温暖土壤源热泵示意图—冬季•问题： 空气源热泵的效果受室外环境空气参数影响 大，应用区域有限制〔注意可以运行与有效 运行的区别〕 水地源热泵问题更为复杂，不仅同样存在“源〞 参数变化的问题，还与设计、施工及运行管 理密切相关••

•问题：实际节能效果的评价增加系统的复杂性和能耗热回收装置的实际回收效率、价格与寿命非回收期的旁通措施4〕免费供冷/热免费〔Free〕：不启动人工冷热源设备而利用自然冷热源〔非真正免费〕优点：降低暖通空调系统能耗•形式：过度季节增加新风量冬季利用新风供冷利用冷却塔供冷自然通风夜间通风冷却利用自然能源的蓄冷/热直接与间接蒸发冷却等•〕•过渡季开启门窗使用拔风烟囱引入室外新风良好的自然通风效果

拔风烟囱5〕大空间内的区域调节•分层空调仅对工作区〔一般为离地高度2米以内〕实行空调工位空调仅对人员活动区实行空调优点：降低负荷、提高效果•••3〕要精心设计、施工、调试和运行管理，社4〕要重视设备、部件节能与系统节能的关系，更加关注系统节能2024