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通过暖通空调进行建筑节能的途径
RSS 打印 复制链接 发布时间:2016-09-26 09:05:42

通过暖通空调进行建筑节能的途径

  关键词 节能 热泵 空调余热利用

  1.当前空调、采暖与热水供应事业面临的机遇

  随着人民生活水平日益提高,对于住宅、办公楼中的室内环境和公共民用建筑的室内环境的要求越来越高。室内环境的舒适度有下列四种因素构成:一是冷与热的环境(室温)、二是室内空气品质、三是声环境(要求安静,燥声低)、四是光环境(充足的阳光和合适的照度)当前一般家庭中都有精美的装潢,夏季有空调降温,而且希望有冬季的采暖,以及全年的生活热水供应。有的人群对于室内舒适的环境要求更高,要求做到个性化,即可以根据使用人的喜好,来调节房间的温、湿度和新风量。

  改革开放以来,我国建筑事业迅猛发展。2002年底,我国城乡房屋建筑面积共计为388亿平方米,其中城市131.8亿平方米。预计到2010年底,全国房屋建筑面积为519亿平方米,其中城市171亿平方米;估计到2020年底,全国房屋建筑面积为686亿平方米,其中城市261亿平方米。就拿住宅建筑来说,过去几年,我国每年新建建筑16-19亿平方米,其中城市住宅4-6亿平方米,公共建筑3-4亿平方米,市场12亿平方米。住宅产业每年达到4000亿元左右的规模,直接拉动GDP上升2%,2003年超过1万亿元。今后5-10年仍将保持这一势头。

  随着GDP的不断上升,空调、采暖和热水供应设施便成为人民生活的必需品。一般统计,当某地区的人均GDP 达到4000美元时,空调、采暖和热水供应设施便成为人民生活的必需品,就像水、电、煤气一样成为建筑物的基本设施之一。而我国沿海经济发达地区的城市和经济特区,在1999年的统计数字表明,人均GDP已达到2000美元,按照这些城市GDP每年10%以上的增长率,只需6年时间便可达到4000美元,即达到上海和深圳2000年的水平(上海2000年的人均GDP已达到4180美元,2007年时,可达8000美元)2003年我国经济发展已实现人均1000美元,是经济发展的一个重要里程碑,标志我国又进入了一个新的发展阶段,为2020年全面实现小康社会建设发展目标开了一个好头,同样也为中央空调、集中采暖、家用/商用中央空调和热水供应事业的发展带来了良好的机遇。

  2.当前空调、采暖与热水供应事业面临的挑战

  经济的快速发展,建筑业的快速发展给空调与热水事业带来了良好的机遇,但对能源的需求越来越大,能源安全问题越来越突出。我国能源的短缺,已成为经济发展一个重要的制约因素,也使得空调、采暖和热水供应事业的发展面临着严峻形势和挑战。我国是一个人口多,自然资源少,能源缺乏的国家。我国石油储量仅是世界总储量的1.8-2.34%,天然气的储量是世界总储量0.7-1.2%,煤的储量是世界总储量的10.97%.以平均水平计,我国的水资源是世界平均水平的1/4,人均2200立方米;我国石油可开采的储量仅为世界平均水平的1/9;天然气是1/23;煤炭稍高一些,约为1/2.当前空调能源紧张具体体现在电力用户侧,造成买得起,用不起(运行费用高),不能用(电力供应缺乏)如不搞节能的建筑(即少耗能的建筑,或者不用空调与采暖的建筑),节能的空调系统与热水供应系统,到时候,会出现没有那么多的能源(电力)供给,而且运行费用很高。我国能源发展面临严峻形势和挑战表现为:

  2.1我国经济的增长还没有走出高增长、高消费、高污染的模式,能源(资源)浪费巨大。同样1美元产值(GDP)的能耗,我国是世界水平的5.9倍;是美国的4.3倍;是日本的11.5倍,生态环境破坏严重;我国电力供应矛盾日益突出,而夏季空调和冬季采暖是造成电力负荷峰谷差最主要的原因。2002年全国各电网空调制冷负荷共达4500万千瓦,相当2.5个三峡电站的满负荷出力;2003年因空调用电负荷太高,至少有10个省市不得不拉闸限电,2004年全国有27个省市严重缺电。2004年夏季高温 全国电力供应的缺口达到3000万千瓦。

  2.2城市化的加快增加了对能源的需求。我国城市化率从改革开放初期的18%上升到40.5%,城市由193个发展到662个,到2020年全国有约57%的人口为城镇人口,总数达8.28亿,比2002年增加了3.26亿。未来一个时期,农村人口向城市大量转移是必然趋势。城镇人口平均年消耗能源为农村的3.5倍。如果城市化水平提高一个百分点,意味着将增加1300万城市人口,建筑物的增加和居民消费结构的升级增加了对能源供应的压力。

  2.3建筑耗能日益突出。建筑耗能从1978年占社会总能耗的10%,到 1996年,我国建筑年耗能3.35亿吨标煤,占总能耗消费的24%,上升到2001年约占整个社会总能耗的27.8%.21世纪头20年,是我国建筑业的鼎盛期,2020年全国建筑面积将接近2000年的2倍。目前我国每年建成的房屋达16~19亿㎡,超过各发达国家年建成建筑面积的总和,可是不仅已有的388亿㎡建筑中95%左右仍属于高能耗建筑,新建建筑中,仍有95%为高耗能的建筑,真正节能建筑仅有2%.我国单位建筑面积采暖能耗为发达国家新建建筑的3倍以上,以北京为例,占5%的大型公共建筑消耗的能源占全市建筑总能耗的50%.按照目前建筑能耗水平发展,到2020年,我国建筑能耗将达到10.89亿吨标准煤,超过2000年的3倍;问题相当严重,情况十分紧迫。

  2.4空调、采暖和热水供应本身的能耗巨大,但节能的潜力也很大。当前全国夏季空调负荷已达到4500万千瓦。据估计,采暖供热的能耗占建筑能耗的60%.由于设计不合理,大部分无法实施分户的热计量和分户控制所需的室温;管理不科学,运行前调试不到位,存在供热系统严重水平失调(即使装了平衡阀,但仍有80%未经过调试),室内采暖系统严重垂直失调,外管热损失巨大,楼房上层房间过热(用户不得不开窗降温),上下温差达8℃以上,造成热量大量浪费。据北京的调查统计,2004年冬季采暖的能耗(25.3公斤标煤/平方米),与上世纪80年代持平,提倡节能20多年来,没有明显的效果。我国居住建筑中生活热水供应的能耗也是一个很大的数字。据统计,生活热水的耗能量,约占整个民用建筑能耗的20-30%.其中商业建筑生活热水的能耗量占其总能耗量的10-40%,具体来说,写字楼热水能耗占总能耗的2.7%;商场占10.7%;饭店占31%;医院占41.8%.估计目前我国城镇人口达5亿,以每人每日用25升到35升热水,那么全年生活热水的总能耗是1750亿度到2450亿度电。如果再不搞节能的话,全国人民凡能用空调的,都用空调,能采暖的,都采暖,城镇人口都有热水供应,都要达到高标准的要求的话,我国仅有的资源和能源是供不上的。

  为了缓解电力紧张状况,国务院已开展为期三年的“资源节约活动”,上海市已率先倡议出台了一些节能措施,首都北京也在响应。我国为了解决电力供应不足的问题,也拟多发展一些核电站,拟再建20多个大型核电站,但其总发电量,也仅占全部发电能力的4%.到2020年我国的GDP要翻两翻,而我国的能源工业仅能达到翻一翻的水平,那么,另一半,除非大量进口(2004年我国原油的进口量达1. 2亿吨,对外依靠程度达57%),只有靠节能的办法来解决。空调用电目前已占我国全部发电量的18%,由此可见,制约我国空调采暖和热水供应事业发展的重要因素是能源短缺,因此,建设部2005年工作要点中将“依靠科技进步,推进资源能源节约”列为重点,而引进国际科技资源,推广建筑节能新技术十分重要,要大力发展节能节地型住宅和建筑。

  3.建筑节能的途径

  鉴于当前能源紧缺的状况,我国政府制定了“能源开发与节约并重,近期将节能放在优先”的战略。建设部下令,今后建筑节能,要在目前的建筑耗能的基础上节约50%以上,又规定,其中的一半(25%)由建筑本身来解决,而另一半(25%)要靠建筑设备工作者来解决。建筑本身节能与建筑设备系统的节能密不可分。如果没有建筑结构的可靠的节能措施配合,光靠空调、采暖系统和热水供应系统来节能是不可能彻底解决到2020年能源短缺对我们的制约。建筑节能的工作分两大方面:

  3.1建筑物本身的节能

  对于建筑节能的要求,从上世纪80年代起,我国建设部就着手开始抓“建筑节能”的问题。1980年国家颁布了《民用建筑节能设计标准》(采暖居住建筑部分)(JGJ26-86),该标准要求在1980-1981年的设计水平上,节能30%,其中房屋节能20%,采暖节能10%.1996年出台了“北方(严寒、寒冷)地区居住建筑节能设计标准”(JGJ26-95),2001年建设部颁布了我国《夏热冬冷地区居住建筑节能设计标准》,2003年又推出了我国《夏热冬暖地区居住建筑节能设计标准》。这样,要求全国各气候区的居住建筑节能50% 的标准全部下达。而北京市更进一步提出节能65%的强制性规定。目前已有许多房地产开发公司着手营造“节能建筑”,例如锋尚、朗诗、Moma等公司,他们推出了号称“不用空调和采暖”的建筑,大大改善建筑物外围护结构的保温绝热性能;尽量减少建筑物外墙和窗户的面积;利用大自然的能源和热泵热回收技术。不仅如此,从广义的节能观点出发,还尽量利用可再生的建筑材料,大大减少了建筑物的能耗。具体来说,采用下列措施:

  3.1.1智能化的外遮阳技术。采用外遮阳,可以大大减少夏季空调的制冷能耗(与内遮阳相比,约下降83%.具体来说,采用可调式隔热金属卷帘)

  3.1.2尽量缩小外墙和外窗的面积。有的房产开发项目中,由于设计合理,外墙面积比同体量的建筑减少30%,外窗减少40%,仍能保持良好的采光要求。

  3.1.3高效外墙保温体系。外墙保温比内墙保温更有利于建筑结构的稳定性,避免室外环境温度对建筑结构的形变影响,保护建筑结构主体。外墙采用铝箔复合聚苯板,传热系数不大于0.4W/k.㎡,严寒和寒冷地区以硬泡聚氨酯板保温。还可以采用ECI陶瓷隔热保温涂料。

  3.1.4高效隔热保温防水屋面技术与构造设计。用硬泡聚氨酯、挤塑聚苯板、膨胀聚苯板为主要保温材料,在严寒和寒冷地区做成不同厚度的保温复合屋面,其热阻可达1.58-3㎡.k/W;在炎热地区可采用中空板做成中空屋面。

  3.1.5高效门窗技术与构造设计。窗框采用保温性能好的塑钢或ALUK三腔断热铝合金,窗玻璃采用高透光率Low-E中空玻璃,玻璃K值在1.35W/k.㎡.

  3.1.6混凝土楼板辐射制冷/采暖系统。在楼板中或天棚中埋设塑料盘管,冬季通入28℃热水对房间进行辐射采暖;夏季通入19℃冷水对房间进行辐射供冷。冷热辐射温度接近或等于室内舒适温度的上下限。部分热水还可以利用太阳能集热板来解决。

  3.1.7外围结构采用物态相变蓄热材料,能量活性建筑基础以及尽量避免冷桥结露的构造技术。节能建筑中除采用上述的措施外,仍须保证室内空间必要的新风供应,因此,有的节能建筑中加设了健康新风系统。在目前的节能建筑中,要求暖通专业所做的是设计高效健康新风系统和提供楼板辐射制冷/采暖系统和新风系统必要的冷热源。

  3.2建筑物空调采暖热水供应系统的节能

  建筑物除建筑、结构外,其他附属建筑设备专业很多,包括空调、采暖、给排水、消防、热水供应、通信网络、电力供应、灯光照明、燃气供应、电梯等,在节能方面都可以有所作为。这里,仅就空调、采暖、热水供应的范围提出节能的途径:

  3.2.1首先,空调采暖热水供应的节能,离不开建筑物本身的节能措施,如果建筑物外围护结构的冷热损失能降低一半,那么,空调采暖系统就可以大大缩小,消耗的能量大大减少。

  3.2.2其次,设计建筑物之初,应该对空调采暖热水供应的能量利用上作统筹考虑,即夏季可以利用空调主机的冷凝热,来解决热水供应;冬季要寻找低价、来源方便的辅助热源(例如利用太阳能、雨水、建筑中水、土壤等),来解决采暖和热水供应。

  3.2.3开发带有蓄热功能的热水采暖与生活热水供应系统,这样可以充分利用夜间低价的谷电,减少白天高峰的用电;

  3.2.4开发、研制和选用高能效比的冷热水机组(关于提高空调主机能效比的问题,2004年9月国家正式出台有关“空调机组能效”的国家标准,限定了房间空调器、单元式空气调节机、冷水机组的能源效率及能效等级,提高了对机组COP的要求值)能效限定值是强制性要求,是空调产品市场准入的要求。这也意味着今后低COP值的热泵机组不能用于空调系统中,这对于热泵中央热水系统的主机也同样有效。

  3.2.5建筑内部热能的回收(例如利用排风中的冷热量、利用处理过的建筑中水);

  3.2.6大力开发夏季空调、冬季采暖、全年生活热水供应的家用三用空调热水机组,而其中特别重要的是如何解决以太阳能或其他非燃料性(例如雨水、地下水、建筑中水、热废气)热源为辅助热源,来解决提高冬季热泵的制热效果和热水供应。从热泵具有热回收的能力出发,在商用中央空调系统中,可以开发研制“减湿-热水”联合机组或“空调-热水”联合机组。用于游泳池馆、桑拿浴室等场所,做到热水供应、减湿、空调兼有的联合系统,

  3.2.7与建筑配合,在楼板内埋设可通低温水的塑料管,制成冷顶、热板等具有供冷、采暖效果的辐射板,冬季采暖、夏季供冷,减轻建筑物的空调、采暖系统负荷,甚至可以不再需要空调采暖系统。

  3.2.8在空调产品与热泵热水机组的开发和制造中,应充分重视新型的除霜技术(保证供热质量),变频技术(为了适应部分负荷下的节能),防腐技术,智能化控制技术(方便用户操作)的应用。不仅单机的COP值要高,主机的气候适应范围大,而且整个系统(包括水路、水泵)的能效比要高。

  3.2.9实行供暖供热的改革,实施分户热计量。

  3.2.10充分利用热泵技术,进行空调余热的回收和能量综合利用。

  3.3“行为”节能

  提到节能,还有一个重要的课题,就是“行为节能”,也就是所谓“人的因素第一”的问题。要提倡全社会全民节能节水的意识,提出“要想进一步提高生活质量,必须从节能、节水做起”,在夏季,空调房间的温度提高一度;冬季采暖房间温度降低一度,就会收到很大的效果。对于有户用中央空调的住宅,用那个房间,开那个房间的空调;冬季少开窗等等,都会收到很好的节能效果。

  建筑节能是一项综合的大型的系统工程,涉及国家的能源政策,也涉及到建筑、结构、建筑热工、建筑设备、建筑电气、技术经济、计算机软件等专业的技术、资料、经验。北京一些房地产开发公司已在建筑本身的节能上做了一些工作,取得了初步成果(号称可以“不用空调和采暖”的建筑物,惟一要用冷热源设备、要耗能的是对进入建筑物的新风进行处理的需要)但是就目前已建成的节能建筑物来看,窗户过于小,又不能开启,恐怕还不符合一般人的生活习惯,而且在建筑本身的节能上考虑较多,而其中的空调系统,采用高效节能的主机和合理的系统设计,建筑内部的热回收的考虑,尚嫌不足。下面仅就空调、采暖、热水供应两个节能的重大课题,作一介绍。

  4.应用热泵技术进行空调余热回收和冷热量综合利用

  热泵技术是一种热能回收技术。使用热泵技术,利用空气、水或土壤中所蕴藏的趋于无限的能量,一年四季都可以取出其中的热量来制造热水;或者将热量排放到空气、水、土壤中。利用热泵原理制造的空调冷热水机组或者热泵热水机组都是一种制冷供热效率都大于1的设备。无论是水源热泵或者空气源热泵,都是可以吸取低温水源或空气源的热量,再将这一些热量连同本身所消耗的一部分电能所转化的热量,转送到常温环境条件下去应用。就拿空气源热泵热水机组而言,利用了制冷工质循环过程的“泵”热原理,完全可以做到“1+2=3”甚至“1+3=4”。公式中“1”是热泵所消耗的一份能量(电能),而“2”、“3”是从空气中所吸取的热量,“3”或“4”就是用来制取热水的热量。即使在冬季日平均气温下,空气源热泵机组的能效比COP,也可以达到2.5左右。

  应该说,热泵机组(水源或空气源)是当前最为节能的、最为环保的空调采暖设备,也是最为安全、可靠的、最为简便的热水设备。当前,燃油、燃气、燃煤的价格受国际市场的影响,不断攀升,人们又转向于用电来供暖和制取热水,当前采用电锅炉加上蓄热技术的方案,也已得到国家电力部门的认可。而采用热泵机组加上蓄热技术来制取热水,虽然都是用电,但用热泵机组,不仅可以比电锅炉大大节约用电,而且也完全可以利用低价谷电,来大大降低运行的成本。

利用热泵技术,可以充分利用空调的余热,制造出空调和生活热水同时产生的“两用机组”,或者称之为“热回收机组”-在夏季利用空调用的冷水机组的冷凝热回收,可以很方便地得到生活热水;而在冬季,对于仍需要部分空调降温的场合,也比较容易利用空调余热来制取生活热水。例如,南方某酒店的大型中央空调系统,利用部分空调冷回水为热源,加装一台水源热泵热水机组,达到了为酒店全年供应生活热水的目的。冬季水源热泵的蒸发侧产生的冷水(7℃),仍可以供应部分需要空调降温的房间(例如,KTV包间、餐厅、歌舞迪斯科舞厅等等),而大型空调冷水机组可以关闭不用利用空调冷回水为热源的水源热泵空调供热水两用系统的简单流程可见图1.

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图1 利用空调冷回水为热源的空调兼生活热水系统

  目前,许多住宅或商业建筑中,要求一方面解决冬季采暖和夏季空调降温的问题,另一方面又要求全年有生活热水供应。前者,一般用一套家用或商用中央空调系统;后者,单独用一套生活热水供应系统,也就是说用了两套独立的系统。目前家用/商用中央空调都是利用空气源热泵为主机的,可以达到夏季供冷、冬季供暖的作用。当气温极低时,还必须用辅助加热的办法来增加主机的制热功率,保证冬季的供暖效果。但目前三种形式的家用/商用中央空调系统,均没有同时解决全年的生活热水供应问题。

  夏季利用空调用热泵机组的冷凝热,肯定可以做到制取空调冷水的同时,又得到生活热水;冬季利用高温高压的氟利昂气体的过热焓,也可以同时得到采暖热水和生活热水。但是,这会要求主机的制热功率加大,而且,当气温越低,所需的采暖负荷和生活热水用热负荷越大,而主机的制热能力却越低,造成了矛盾。当气温低于风冷热泵的平衡温度以下时,一般也只能加辅助热源的办法,来增加其制热功率。也有干脆到了冬季,停用风冷热泵,全部用燃气或燃油锅炉来解决家庭中的采暖和生活热水供应问题。

  能否做到一套家用/商用的热泵空调、采暖、全年生活热水供应的三用机组,而且不用矿物燃料来补充加热呢?下面就真正意义上的夏季空调、冬季采暖、全年生活热水供应一体化的“三用机组”的研发作一些介绍和探讨。

  要实施一机三用,关键问题是要解决冬季低气温下的制热效果,或者是寻找廉价的方便的辅助热源,另外一个关键问题是可靠的低能耗的除霜技术。研制三用机组的思路是:

  1))增大机组单机的制热能力-可以通过设置变频压缩机、双级压缩机、改换制冷工质、采用新型大压缩比的压缩机等办法;

  2) 找廉价的、方便取得的、非矿物燃料的辅助热源(太阳能、废水、余热等)

  3) 分利用出压缩机的高温高压工质的过热焓(冷凝热)和液相工质的过冷热。

  下面列举有关三用机组的几种做法。

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