实验室建筑物空调系统节能分析

张 茜 王 宇 王 健 孙凯乐

（中国计量科学研究院 北京 100013）

引言

随着我国经济高速发展、城市化进程不断推进以及人们生活水平的不断提高，我国每年新增公共建筑面积约有5 亿m2，单位面积的建筑能耗也逐年增加，这些导致了我国当前公共建筑能耗的总量也在逐年增加[1]。党的十九大报告提出构建清洁低碳、安全高效的能源体系，推进绿色发展的总体要求。推广绿色建筑、建筑节能也是能源工作者的主要工作方向。我国建筑用能占全国能源消耗总量的27.5%，随着生活水平的提高这一数字将逐步增加到30%以上[2]。

据统计，城镇建筑中约30%为节能建筑，但仍有70%的非节能建筑，大部分公共建筑存在运行能耗高、维护费用大、建筑寿命短的特点[3][4]。其中，建筑采暖空调系统的能耗约占公共建筑总能耗的40%～60%。因此，公共建筑空调、采暖系统节能早已成为现阶段建筑节能工作重点[5]。

实验室建筑物是一种较为特殊的公共建筑物，主要集中分布各大高校、各大科研单位。与常规的建筑空调采暖系统不同的是，该类建筑物对于室内温湿度控制要求较为精准、有的实验室要求条件极为苛刻，需要保证全年室内恒温恒湿环境。这也对建筑空调系统、采暖系统提出了更高的技术要求，对建筑能耗产生了重大挑战。

本文针对实验室建筑物空调采暖系统，对系统全年运行能耗的建立数学模型，分析了实验室空调系统能耗的影响因素。最终针对能耗影响因素提出了节能改进措施。为实验室空调、采暖系统的节能降耗、系统优化提供理论依据和参考方向。

1 实验室空调系统组成

实验室空调系统如图1 所示，室内采用一次回风系统进行空气调节。夏季、冬季空气处理过程如图2、图3 所示。夏季采用冷水机组制冷+电加热末端精细调节，冬季采用市政供热采暖+电加热末端精细调节，通过冷水机组（夏季）和市政供热（冬季）实现基本冷热需求，通过末端的电加热系统自动调节室内温度，保证实验室精细化调节要求。

图1 实验室空调系统示意图

图2 实验室一次回风系统夏季处理过程

图3 实验室一次回风系统冬季处理过程

2 系统能耗分析

空调系统主要是风系统能耗和水系统能耗。全年根据不同温度要求分为空调模式和采暖模式。

在夏季空调模式下，该空调系统主要耗能部件包括冷水机组主机、冷冻水循环水泵、冷却水循环水泵、冷却塔、空调机组风机（送风机、回风机）、末端电加热等。制冷系统的制冷量主要解决实验室内冷负荷、新风冷负荷以及有的系统为了减少送风温差而需要的再热负荷，结合图2 各点空气状态参数，制冷机组冷负荷及电功率由以下公式计算：

式中，QL为制冷负荷，kW；G1为夏季送风量，m3/h；hC为新风回风混合后空气焓值，kJ/kg；hL为机器露点焓值，kJ/kg；C 为水的比热容，4.2×103J/（kg·℃）；m1为冷冻水流量，m3/h；t1为冷冻水回水温度，℃；t2为冷冻水出水温度，℃；PL为制冷电功率，kW；COP为冷水机组性能系数。

冷冻水泵、冷却水泵电功率：

式中，P1为冷冻水泵功率，kW；P2为冷冻水泵功率，kW；m2为冷却水流量，m3/h；h1为冷冻水泵扬程，m；h2为冷却水泵扬程，m；g 为重力加速度，m/s2；、η1η2为水泵扬程，m。

冷却塔能耗包括冷却塔风机能耗和由于冷却塔引起的冷却水泵能耗[6]：

风机功率：

式中，PT为冷却塔功率，kW；N0为冷却塔风机功率，kW；η3冷却塔风机效率；△H 为进塔水压，Pa；PfL为夏季运行风机功率，kW；G2为夏季回风量，m3/h；PA、PB为夏季风机风压，Pa；η4、η5风机的内效率和机械效率。

综上夏季逐时能耗为：

式中，WC为夏季逐时功率，kW；Pd为末端电加热功率，kW。

冬季时，制热负荷由市政供热解决，能耗只有风系统的风机能耗及末端电加热调节装置的功率，结合图3，各点空气状态参数，冬季逐时能耗计算具体如下：

式中，QH为冬季热负荷，kW；G3为冬季送风量，m3/h；G4为冬季回风量，m3/h；hw1为新风预热后空气焓值，kJ/kg；hW′为冬季新风初始焓值，kJ/kg；ho′，hW′为冬季室内送风焓值，kJ/kg；hL为冬季露点焓值，kJ/kg；t3为市政供水温度，℃；t4为市政回水出水温度，℃；m3为市政热水流量，m3/h；PfH为冬季风机电功率，kW；PC、PD为夏季风机风压，Pa；WH为冬季逐时功率，kW。

全年空调系统能耗按照下式进行计算：

式中，W 为全年能耗，kWh；fi、fj分别为夏季、冬季冷热负荷百分数；Ti、Tj分别为夏季冬季时间频数，h。

由以上数学模型可知，影响全年空调系统能耗的最根本是实验室内部的冷热负荷及冷热负荷的全年分配情况；送风温差、送风量、新风量这些参数直接影响着冷水机组冷负荷、市政所需制热量、风机的能耗。冷水机组的负荷大小、机组COP 影响着循环水泵、冷却塔的能耗。而整体系统的精准度等级又影响着末端电加热控制装置的能耗。从而综合影响整个空调系统的系统能耗。以上数学模型的建立也为实验室空调系统的节能改造，提供了理论依据和改进方向。

3 节能措施及方向

3.1 空调大温差送风

空调大温差送风主要是提升空调送风温差。一般空调送风温差约8℃，冷冻水和冷却水温差也在8℃左右。采用大温差送风技术，可以使送风温差达到10-20℃，冷却水、冷冻水的温差在10℃以上，在冷热负荷不变的情况下，通过前文数学模型分析易知，增大温差可以减少系统风量、水量，进而减少风机、循环水泵等设备的能耗，此外还降低空调管材的消耗，在减少运行成本的同时还可以降低系统初投资。

3.2 变风量、变水量技术

空调系统最简单是定风量定水量系统。这种系统只能通过简单的开关调节进行室内温度调整，调节方式较为粗犷。采用变风量、变水量技术，可以根据室内冷热负荷的变化情况改变空调的风量、水量来达到热量平衡的目的，能够逐时逐刻地有效节约风机、水泵的运行能耗，亦可以减少空调装机的容量。这些是需要在空调系统设计之初就应着重考虑的因素。

3.3 冷热能回收

夏季时，室内空气温度低于室外温度，冬季室内温度高于室外温度，在进行室内外排风新风的同时，可以将排风的冷热能量通过一定的热回收装置将能量传递给新风，利用全热回显热回收改善空调的能源消耗，提升整体空调采暖系统的能源利用效率。能量回收设备一般为板翘式、转轮式全热交换器、板式显热交换器。有的学者还研究了利用热管技术进行新风能量提升，显著降低建筑空调系统节能[7]。

3.4 变频技术的应用

当室内温度一定时，建筑物冷热负荷是随着室外温度变化而逐时变化的，空调机组也是变工况运行调整。一般的非变频系统，只能按照空调系统预设的特定几档频率进行工作，不能随意自动调整系统运行频率，因此系统会有大马拉小车的现象产生，就会导致机组过度运转和能源浪费。随着智能建筑、自控技术的持续进步，暖通变频技术在建筑节能中应用越来越普遍。变频技术可以根据实际负荷需求对空调机组、循环水泵、风机等主要耗能设备进行无极调节。当室内环境变化后，可以追踪进行运行调整，精准改变空调机组的运行频率，同时改善系统冷冻水、冷却水量。也可以通过智能化系统根据气象参数对冷热负荷进行预测，保证空调系统的及时调整，满足建筑物负荷需求。变频技术的使用可以将建筑工程的节能效率提高到50%以上。

3.5 清洁能源技术

清洁低碳、安全高效是当今能源方向。在倡导绿色建筑的今天，清洁能源的利用也越来越多。当前，主要的清洁能源有太阳能、空气能、地热能等。

（1）太阳能。太阳能是利用太阳的辐射原理，利用太阳能光热能源进行供暖，有很多工程中将太阳能作为部分能源得到了应用。还有一些利用太阳能进行发电，通过代替部分电能节约空调系统能耗。目前应用最广的太阳能利用技术是太阳能热水器，通过楼顶或者其他空旷采光良好的区域布置太阳能集热器，解决厂区等用热需求。

（2）空气能。空气能主要是热泵技术，夏季将热量排放至室外环境，冬季将室外空气中的能量传递至室内采暖使用，做到一机两用，空气源热泵的供热效率一般在300%以上，显著节约了高品位电能消耗，但空气源热泵也有其限制性，比如在低于-25℃的室外环境下运行能耗降低、产生室外机结霜、低温启动困难等问题。

（3）地热能。地热能有三个方面应用，一般情况下是利用浅层地热能，利用地源热泵技术将200 米以内的大地低品位热能吸收利用传递至室内。与空气源热泵相比，不受室外温度影响，显著提高空调机组的性能。但其由于需要在地埋管施工初投资较多。此外还有利用中深层地热能。主要是利用3000 米以内的水热型地热资源，通过抽取地热水将热量导出供暖，然后同层同质回灌，回灌技术是中深层地热能利用的最大难点。第三类地热能利用是大于3000 米的干热岩，主要利用方式是地热发电，目前由于埋深较深、温度高和初投资较大，仍处于实验室研究阶段。

3.6 储能技术

储能技术是节能环保技术中的一个重要组成部分。我国幅员辽阔，不同的省份城市，都出台了相应的峰谷电价政策。在供应电时，高峰期容易出现电力不足，用电低谷时容易出现电量过剩的现象。在低谷电价时利用冰蓄冷技术、多罐储能技术、单罐布水器技术、固体储热技术等将冷热能进行储存，在用电高峰时期放出，实现移峰填谷的作用，显著降低空调采暖系统的运行成本。

3.7 行为节能

行为节能指的是在无法改变系统形式以及无法对系统进行大的调整这一情况下，借助于人为设定的模式或者采取相应的节能技术手段，来让系统朝着人们所需要的方向进行发展，并在此过程中有效减少一些不必要的能源浪费[8]。

行为节能措施需要在冷热源侧、管网侧、用户侧三级进行管理。主要具体措施有：

（1）制定空调系统运行管理制度。冷热源处严格执行系统操作规程，按照室外气候调节冷热源系统，从源头进行节能；此外还需改善热源设备的换热条件。冷热源中的设备，应注意及时检修设备，清除换热器的污垢，减少传热阻力，提高设备的换热效率。保证机组正常运行的使用环境。此外要按照供冷供热运行质调曲线运行质调节；同时还可以进行量调节，在运行过程中通过调节循环水泵的数量，在满足冷热负荷需求的同时，降低系统能耗。

（2）管网侧节能主要是两方面，一方面是管道保温情况，没有保温或者保温层损坏都会发生热量损失，必须定期检查管道的保温情况。对于隐蔽管道可通过测量该管段起、终点温差的方法进行测定。另一方面是管道的泄漏情况，通过巡检、管道流量测试等方法及时发现管道问题，做到及时处理。

（3）用户侧行为节能。实验室的集中供暖供冷，有的会存在着冷热不均的现象。在冬季，有的热用户冬季室内温度过高，有的热用户冬季室内温度较低。温度过高的热用户一般采取开窗降温的做法，根据能量守恒定律，这种行为导致有限的热量大大浪费。在夏季，有的用户夏季室内温度过高，有的用户夏季室内温度较低。室内温度过低的也会通过开窗形式进行升温。以上行为均导致了冷热源处的能耗增加。因此，针对此现象应该制定相应管理制度和行为规范。简单的方法可以配备遮盖物来挡住散热器耗热，将多余热量返回热源处，降低冷热源处的能量输出。对于已经加装的温控阀等调节装置的热用户，要配备使用说明书，对实验室工作人员进行相关培训。与此同时，加强对用户行为进行走访调查，对于室温的情况进行详细记录，并采取相关措施进行节能改造，通过技术方案改造和约束用户侧行为，保证在末端处的系统节能。

结语

本文针对实验室建筑物空调采暖系统，对系统全年运行能耗的建立数学模型，分析了实验室空调系统能耗的影响因素。最终针对能耗影响因素提出了节能改进措施。具体结论如下：

（1）针对实验室建筑物空调采暖系统搭建全年能耗数学模型并分析能耗的主要影响因素。（2）根据能耗主要影响因素，提出了空调大温差送风、变风量变水量技术、变频技术、清洁能源利用、储能技术以及行为节能等主要措施，为实验室空调系统节能提出节能方向。

建筑空调采暖系统节能是设计节能、过程节能、产品节能、技术节能、行为节能都是相辅相成的综合节能措施。只有真正将以上节能进行综合应用才能更好的创造出更加实用更加节能的公共建筑系统，真正做到公共建筑物的节能减排。