空调系统节能技术

5.1空调系统节能的途径类别空调系统型式空调输送方式集中空调方式全空气系统定风量方式变风量方式(即VAV系统)分区、分层空调方式空气诱导方式冰蓄冷低温送风方式空气-水系统新风系统加风机盘管机组诱导机组系统全水系统水源热泵系统冷热水机组加末端装置分散空调方式直接蒸发式单元式空调机加末端设备(如风口)分体式空调器即VRV系统窗式空调器辐射板式辐射板供冷加新风系统辐射板供冷或供热表主要空调方式

5.1空调系统节能的途径空调节能当前研究方向：空调设备低能耗和高效率研究，包括能量回收设备，空气处理设备的节能以及综合利用。蓄冷系统研究。空调方式综合措施研究。空调系统运行的节能。集中式空调节能途径集中式空调是由集中冷热源、空气处理机组(又称组合式空调机组)、末端设备和输送管道所组成。空调设备节能措施：1.机组风量风压匹配，选择运行最正确经济点运行，要求生产厂生产风机噪声低、效率高。2.机组整机漏风要少，3.空气热回收设备的利用。4.尽量利用可再生热源如太阳能、地热、空气自身供冷能力等。5.1空调系统节能的途径低温送风空调方式

项目低温送风方式常规空调方式送风温差(℃)10～208～10送风温度(℃)3～1110～15空调机组尺寸减少比例(％)20～300风管尺寸减少比例(％)30O风机功率减小(％)30～50O表低温送风与常规空调方式比较

方案12345项目系统型式全空气全空气全空气空气—水空气—水无蓄冰部分蓄冰全蓄冰部分蓄冰全蓄冰送风温度（℃）12.84.44.44.44.4一次风风量(m3／h)14746084100841003168031680蓄冰量（%）—4610046100用电时间昼夜昼夜昼夜昼夜昼夜高峰制冷量(kW)930490390890450390840高峰空调用电量(kW)

制冷／水系统284/115/10717/292102/10725/292空气分布系统1371011015959白天总耗电量(kW)42121611816184年空调电费相对值10.70.690.490.53系统初投资相对值10.971.180.891.06表几种低温送风方式方案比较一、空调设备系统的节能空调系统的能耗区别与其他能耗的特点是：〔1〕空调系统所需能源品位低，且用能有季节性；〔2〕系统同时存在需要冷〔热、湿〕量和放出冷〔热、湿〕量的过程；〔3〕设计和运行方案的不合理会给系统带来多种无效能耗。主要从以下几个方面进行：〔一〕空调系统节能方法〔二〕空调设计中采用局部负荷分析〔三〕建筑设备的自动化系统能源室内温湿度标准

室外空气量

空调方式

图全年负荷的时间频率图

5.2.1空调系统节能方法空调系统能源的有效利用，使用太阳能、地热能和热回收等方式进行供热制冷。合理降低室内温湿度标准。室外空气量的控制：冬夏采用最小新风比，过渡季节采用全新风。根据室内人员的变化，增减室内新风量，采用全热换热器，减少新风冷热负荷，在预冷预热时停止取用新风。空调方式：空调系统合理分区，采用适宜的高效空调系统；加大送风温差，变流量，变风量空调系统，降低风道风速，减少系统阻力，采用额定负荷和局部负荷效率高的冷、热源设备，热泵回收系统，蓄冷装置，计算机自动控制，降低运行费用。室内照明适当降低照度，充分利用日光照明，考虑顶棚照明的排热利用。维护管理。概述高大空间建筑中，空气的密度随垂直方向的温度变化而呈自然分层现象，利用合理的气流组织，可做到仅对下部工作区进行空调，上部不空调或通风排热，称为分层空调。可节省冷负荷30%左右。冷负荷计算：空调区得热形成冷负荷，非空调区向空调区的热转移负荷。气流组织计算：设计要点包括气流流型，送风口安装高度，送风参数，对喷射流上边界搭界位置，射流温度衰减。系统的选择根底知识应用前景目的：平衡冷量的供给，提高制冷设备效率，降低供冷本钱。应用场合：用冷量波动、间歇供冷、制冷机与用冷量不匹配。商场、剧院、写字楼。电网负荷白天与深夜有很大的峰谷差调节发电能力调节用户负荷一次性投资高蓄能成本高效率低蓄冷空调技术至1998年，日本已有蓄冷空调系统5566个，其中水蓄冷系统2249个，冰蓄冷系统3317个。至2000年，我国转移1～1.2×104MW峰负荷到低谷使用，其中3～5×103MW要依靠蓄冷空调解决。常规空调系统根本原理负荷变化大，制冷主机需满足最大负荷，且留备用量。大多数时间不是满负荷工作，效率低。用电顶峰期，电价贵。蓄冷空调系统根本原理常规空调供冷循环蓄冷循环联合供冷循环〔局部负荷蓄冷〕单蓄冷供冷循环〔全负荷蓄冷〕设计根本步骤确定典型设计日的空调负荷选择蓄冷方式确定制冷主机和蓄冷装置的容量确定运行策略和设计系统循环流程选择配套设备：循环泵、换热器、阀门及膨胀水箱计算蓄冷期和供冷期的制冷负荷(蓄冷负荷)与供冷负荷逐时运行图经济分析蓄冷剂选择原那么温度条件：蓄冷空调相变材料最正确的融点和凝固点在5～6℃〔共晶盐〕热物性条件经济性条件：来源广泛，廉价。环保条件：无毒、无腐蚀、无污染。蓄冷设备分类类型蓄冷介质蓄冷流体取冷流体显热式水蓄冷水水水潜热式冰盘管（外融冰）冰或其他共晶盐制冷剂水或载冷剂载冷剂冰盘管（内融冰）冰或其他共晶盐载冷剂载冷剂制冷剂制冷剂封装式冰或其他共晶盐水水载冷剂载冷剂片冰滑落式冰制冷剂水冰晶式冰制冷剂载冷剂载冷剂1冷吨＝3023大卡＝3.517KW水的蓄冷温度为4－6℃冰的蓄冷温度为0℃，制冷机应提供－3～－7℃的温度融解或凝固温度5～8℃融解潜热大，热导率大密度大无毒，无腐蚀盘管式蓄冰装置蓄冷过程取冷过程：外融冰；内融冰。外融冰：空调回水与冰直接接触，换热效果好，取冷快，供水温度可低达1℃；IPF不大于50％，故蓄冰槽容积较大。；内融冰换热热阻大，影响取冷速率。多采用细管、薄冰层蓄冷。蛇形圆形U形封装式蓄冰装置片冰滑落式蓄冰装置冰晶式蓄冷装置原理：通过冰晶制冷机将低浓度的乙二醇水溶液冷却至低于0℃，然后，将此状态的过冷水溶液送入蓄冰水槽，溶液中即可分解出0℃的冰晶。水蓄冷系统分层式隔膜式多池式冰蓄冷系统－根本系统根本串联系统外融冰系统冰晶或冰浆系统思考题画图说明蓄冷空调系统的四种根本运行工况。请写出常用的蓄冷设备？解决蓄水槽中热回水与冷水相混合的措施有哪些？一、概述二、热泵的根本工作原理与评价1.工作原理热泵的工作原理与制冷机相同，都是按热机的逆循环工作的，所不同的是工作温度范围不同，使用的目的也不同。制冷机利用吸收热量而使对象变冷，到达制冷的目的；而热泵那么是利用排放热量，向对象供热，到达制热的目的。制冷机与热泵的根本能量转换关系热泵装置：从环境中吸取热量，传递给高温物体，实现供热目的；制冷机：从低温物体吸取热量传递给环境中去，实现制冷目的；联合循环机：从低温物体吸热，实现制冷，同时又把热量传递给被加热的对象，实现供热目的。压缩式制冷机工作原理图在正常的大气压力下，水要到达100℃才能沸腾蒸发。而在低于大气压力〔即真空〕条件下，水可以在很低的温度沸腾。比方说在6mmHg的真空条件下，水的沸点只有4℃。溴化锂溶液就可以创造这种真空条件，因为溴化锂(LiBr)是一种吸水性极强的盐类物质，可以连续不断地将周围的水蒸汽吸收过来，维持容器中的真空度。热泵供热系统原理图1-压缩机；2-冷凝器；3-节流机构；4-蒸发器；5-地板辐射供热；6-热网的循环水泵；7-热网；8-低温热源水的循环泵；9-河水2.热泵经济性的评价问题复杂，影响因素很多。包括：负荷特性、系统特性、地区气候特性、低位热源特性、设备价格、设备使用寿命、燃料价格和电力价格等。“节能效果〞与“经济效益〞节能效果－制热性能系数COP一般3～4左右一般回收年限应在3～5年内动态费用年值分析将参与比较方案的系统造价按资金的时间价值折算为每年的费用，并与年运行费用相加得出费用年值，从假设干方案中选取费用年值最小的作为最正确方案。三、热泵分类空气源热泵水源热泵水环热泵地源热泵地表水热泵地下水热泵土壤源热泵污水源热泵1.空气源热泵〔Air-source〕以室外空气为热源；低温热源的温度随室外温度的变化而改变。其制热量随室外空气温度降低而减少，这与建筑热负荷需求趋势正好相反；在夏季高温天气，由于其制冷量随室外空气温度升高而降低，同样可能导致系统不能正常工作；当室外空气温度低于热泵工作的平衡点温度时，热泵就难以正常工作，减少了机组的换热能力，需要用电或其他辅助热源对空气进行加热；空气源热泵供热量等于建筑耗热量时的室外计算温度水环热泵系统是用水环路将小型水/空气热泵机组和能量采集装置并联在一起，为建筑物供热、制冷。系统由室内热泵机组、水循环环路、其它设备〔如浅层地能采集装置〕等构成。一般用于全年都有制冷需要的建筑物中。主要设备：小型水/空气热泵、循环水泵、水循环环路、能量采集装置等。

2水

环

热

泵水环热泵系统夏季利用冷却塔或地能将系统内热负荷排放掉，冬季那么将内区的热量转移到需要供热的外区，缺乏局部由辅助热源〔电、燃气、燃煤、热水、蒸汽、太阳能〕供给。该系统适用于大型建筑物，特别是内区冷负荷较大，而且冬季时内区仍然需要供冷，而外区需要供热的场合。工况和性能：水循环管路温度：15~30ºC供冷时COP可达3.5~4.3供热时COP可达3.1~4.7地源热泵的应用只有近二十年的历史。速度稳步增长：如美国，截止1985年全国共有14,000台地源热泵，而1997年就安装了45,000台，到目前为止已安装了400,000台，而且以每年10%的速度增长。1998年美国商业建筑中地源热泵系统己占空调总量的19%，其中在新建筑中占30%。中、北欧如瑞典、瑞士、奥地利、德国等国家主要利用浅层地热资源，地下埋管〔埋深<400米深〕的地源热泵，用于室内地板辐射供暖及提供生活热水。据1999年的统计，在家用的供热装置中，地源热泵所占比例，瑞士为96%，奥地利为38%，丹麦为27%。地源热泵3.地下水源热泵〔Groundwater-source〕地下水地源热泵系统可分为开式系统和闭式系统。开式系统：将地下水直接供给到每台热泵机组，经换热后将井水回灌到地下或直接定点排放。由于可能导致管路阻塞，更重要的是可能导致腐蚀的发生，通常不建议在地源热泵系统中直接应用地下水。闭式系统就是通过一个板式换热器将地下水与建筑物内的水系统分隔开，防止了建筑内热泵系统设备的腐蚀。地下水源热泵系统又可分为两种，一种为单井式系统，另一种为双井式系统。单井式系统在取水井内设置潜水泵，抽取地下水与地上系统换热后直接排走，由于其不断地大量抽取地下水而不能进行及时的补充，长期运行会导致地下水位下降，地面根底降等一系列地质问题，所以已经很少采用。双井式系统分别设置取水井和回灌井，能在取水的同时向地下含水层补水，运行稳定性和系统寿命大大提高。但由于含水层较深，颗粒细，渗透性能差，回灌水较困难。生活热水系统由井口换热器将地下水和热泵系统循环水隔开。一定深度的地下水经潜水泵注入井口换热器放〔吸〕热后，再返回同一口井中，形成循环。地下水在返回地下时直接与土壤〔砂石〕进行换热，使地下水恢复至初始的温度；由循环泵驱动二次循环水通过热泵蒸发器〔冬季〕或冷凝器〔夏季〕与其内部工质进行热交换，外部输入电能对低位能量进行提升；由循环泵驱动末端循环水通过热泵冷凝器〔冬季〕或蒸发器〔夏季〕与其内部工质进行热交换，通过末端装置与室内环境进行热〔冷〕交换，满足建筑物冬季供暖或夏季制冷。井深：100m一口井：3000m2左右国家大剧院金四季购物中心金泰阁海淀外国语实验学校工程特点：该校总占地240亩，共有9栋建筑。各建筑物相对分散，冷热源机房设计表达了机房按冷热负荷要求灵活布局的特点，采用分散冷热源形式，机房面积小，无需其他辅助建筑。机房附近设置冷热源井，外管线短,热损失小；各机房独立运行，调节灵活，运行费用低。运行实况：该系统于2001年9月投入运行，系统运行效果良好。北京市统计局对其进行了能耗测定分析，冬季供暖期为126天，建筑总耗电2072248度，其中供暖耗电量为2063283度，新风耗电量为4600度，生活热水耗电量为11693度。每平米建筑面积耗电量为31.73度。单位面积供暖费为14.29元/平米，生活热水加热费为5.23元/吨。电费：峰0.54，平0.54，谷0.2元/度海淀区政府大楼工程特点：该工程地上12层、地下3层，建筑容积率高，室内采用风机盘管加新风系统。运行实况：该工程应用集中式机房，设备利用率高，管理方便，运行费用低。该系统于2002年投入运行，系统运行效果良好。北京市统计局对其进行了能耗测定分析，冬季供暖期为126天，其中供暖耗电量为1819049度，新风耗电量为457320度，生活热水耗电量为10231度。单位面积供暖费为24.64元/平米〔含新风〕，不含新风的供暖费用为17.29元/平米。生活热水加热费为6.5元/吨。电费价格：峰0.67；平0.67；谷0.23元/度

当然，应用这种地下水热泵系统也受到许多限制。首先，这种系统需要有丰富和稳定的地下水资源作为先决条件。因此在决定采用地下水热泵系统之前，一定要做详细的水文地质调查，并先打勘测井，以获取地下温度、地下水深度、水质和出水量等数据。地下水热泵系统的经济性与地下水层的深度有很大的关系。如果地下水位较低，不仅钻井的费用增加，运行中水泵的耗电将大大降低系统的效率。存在问题水源水的水量必须能满足用户制热负荷或制冷负荷的需要。水源的水温应适合机组运行工况要求。水源的水质，应适宜于系统机组、管道和阀门的材质，不至于产生严重的腐蚀损坏。另外水源系统供水具有长期可靠性，能保证水源热泵长期和稳定运行。该系统冬季取抽水井的热水取热后回灌到回灌井中；而夏季那么抽取回灌井的低温水，回灌到抽水井中。4.地表水热泵地表水地源热泵是利用江、河、湖、海的水作为热源或热汇的热泵系统。这种热泵系统要求具有足够体积的地表水源可供使用而且地理位置便利。当然，这种地表水热泵系统也受到自然条件的限制。与空气源热泵相似，地表水源热泵的热源温度受气候的影响较大，当环境温度越低时热泵的供热量越小，而且热泵的性能系数也会降低。一定的地表水体能够承担的冷热负荷与其面积、深度和温度等多种因素有关，需要根据具体情况进行计算。这种热泵的换热对水体中生态环境的影响有时也需要预先加以考虑。根据热泵机组与地表水的连接式不同，地表水热泵系统可分为开路和闭路两种系统。在寒冷地区，开路系统并不适用，只能采用闭路系统。总的来说，地表水热泵系统具有相对造价低廉、泵耗能低、维修率低以及运行费用少等优点。5.土壤源热泵〔Ground-source〕土壤热源的特点土壤热源和空气热源相比，具有如下特点：1〕土壤的蓄热性能好。土壤的温度变化较空气温度的变化有滞后和衰减的特点。这使得土壤作为热泵的低位热源与空气源相比更能适应负荷的变化，能与负荷较好的匹配，这对热泵的运行是有利的。2〕土壤的热容量大。土壤的温度较空气的温度变化要稳定，当热泵制热工况运行时，土壤热源的温度要比空气源的温度高。从而使得在同样的工况下，土壤源热泵的性能系数更高。3〕土壤的热流密度小。为20～40W/m2，一般为25W/m2。这就决定了当土壤作为热泵的单一低位热源时，其承担的负荷不宜太大，一般只用于负荷不大于1MW的场合。另外，土壤源热泵有一定的面积要求。土壤的热物性土壤是一个非均质的，多相的，颗粒状的多孔系统。自然界中的三相也在土壤中存在：固相，由土壤颗粒组成；液相，即为土壤空隙中的水与土壤的溶解物形成的土壤溶液；气相，为土壤中的空气。每种成分所占的比例影响影响土壤的热物性。土壤的热物性参数主要有：土壤的比热、含水率、密度、孔隙率、导热系数和导温系数〔热扩散系数〕等。其中土壤的含水量和密度对其导热系数起着决定性的作用。土壤温度土壤热量来源于三个方面：太阳的辐射能、地球内部向外输送的热量和土壤微生物分解有机质所产生的热量。对一般土壤来说，太阳辐射能是其热量的主要来源，生物热与地热只是在某些特定条件下才能发挥作用。土壤温度是土壤热量的表现形式。土壤热量的根本来源既然是太阳辐射能，那么土壤温度必然随着太阳辐射能的变化而有相应的变化。土壤表层日间增热和夜间散热，引起土壤温度有明显的日变化。由于土壤热量是从地面逐步向下输送，在不同的下层深处，由于受热散热的先后和程度不一，它们温度变化的情况也不相同。一般规律是：1)表土的日最高温出现在下午2时前后，最低温出现在清晨6时，即日出之前；2)下层土壤最高温与最低温出现的时间落后于表土。下层土壤温度变化不如表土大，在2米深处，土壤温度的日变化消失；3)白天表层土温高于下层，晚间下层土温高于表层。埋管材料要求：较好的导热性能、较高的强度和抗腐蚀性能、经济。50年代：金属管，抗腐蚀性差。70年代后：塑料管，寿命50年。聚乙烯：高密λ=0.46-0.52W/(m.K)聚丁烯〔PB〕：λ=0.23W/(m.K)聚氯乙烯：硬质λ=0.13-0.29W/(m.K)PVC：软质λ=0.13-0.17W/(m.K)各类地源热泵优缺点比较污水源热泵①污水水质的优劣是污水源热泵供暖系统成功与否的关键,因此要了解和掌握污水水质以判断其是否可作为低温热源。同时,也要针对污水水质的特点,设计和优化污水源热泵的污水/制冷剂换热器的构造,换热器应具有防堵塞、防腐蚀、防繁殖微生物等功能,通常采用水平管淋水式或浸没式换热器。②城市污水干渠(污水干管)通常是通过整个市区,如果直接利用城市污水干渠中的原水作为污水源热泵的低温热源,那么可节省输送热量的能耗,从而提高其系统的经济性。但同时应注意:在取水设施中设置适当的水处理装置(见图),考虑利用原水余热对后续水处理工艺的影响,如原水水温降低过多将会影响市政曝气站的正常运行。国外应用情况国内应用前景①

城市污水是一种巨大的低温余热源。北京地区以高碑店污水处理厂为例,其二级出水温度在冬季为13.5～16.5℃,夏季为22～25℃;黄河以及长江流域污水处理厂的二级出水温度为17～28℃；哈尔滨某药厂污水温度也在20℃左右,且在整个采暖期内水温波动不大,因此城市污水是水/水热泵或水/空气热泵优良的低温热源。北京市排水集团在高碑店污水处理厂开发了污水源热泵试验工程,利用热泵装置向300m2的车间和600m2的机房冬季供暖、夏季制冷,经三年的运转效果良好。继高碑店污水源热泵试验工程后,北京市排水集团又在北京北小河污水处理厂安装了一套规模更大的污水源热泵,为该厂6000m2的办公楼和厂房供热与制冷。污水源热泵的优越性①城市污水排放量巨大,污水源十分丰富,如北京高碑店污水处理厂排放量为100万m3/d,可解决500万m2建筑物的供热供冷问题。②与地下水源热泵相比,既可省掉打井费用,又不需要抽水与回灌所需的动力,也可防止出现由于回灌不当而引发的地下水资源的破坏问题。③显示出较好的经济效益。北小河污水处理厂原采用燃煤锅炉供暖,运行费用约为20万元/a,按北京市环保的要求应进行改造,如改用燃油锅炉供暖的运行费用为45万元/a,用天然气锅炉供暖费用为37万元/