采暖空调节能技术.ppt

采暖空调和通风节能技术 重庆大学肖益民2003 11 02 内容提要 一 房间空调器节能二 户式中央空调节能三 利用良好的通风实现住宅节能四 中央空调系统节能五 热泵节能技术六 热电冷联供的节能作用 一 房间空调器节能 引言房间空调器也就是人们常说的家用空调器 广泛用于住宅 小型旅馆饭店 办公室等场所 据估计 到1998年 全国城镇居民家庭空调器总拥有量2561万台 其中 中 南部地区 包括华中 华东 华南 西南地区 总拥有量为2258万台 占全国总拥有量的88 集中在夏热冬冷地区和夏热冬暖地区 重庆市259户居民的建筑空调采暖情况调查 2000年6月 居民住宅空调采暖用能量巨大调查结果表明 每百户居民拥有空调器达107台以上 按1匹 台计 据此估算 重庆主城区夏季耗电5 96亿kwh 冬季耗电4 17亿kwh 合计10 13亿kwh 年 重庆市全年总用电量为300 350亿kwh 则住宅空调采暖用电占3 4 左右 所占比例不大 但最热月可能占到全市总用电的10 20 比例相当大 而且最热时间的用电 一般属于高峰电 加大了峰谷差 所以 房间空调器节能是很重要的 房间空调器的节能技术 1 性能指标1 名义制冷量与供热量空调器制冷或供热时 在规定的试验工况下 单位时间从密闭空间 房间或区域内除去的热量称为名义制冷量 而向密闭空间 房间或区域内供给的热量称为名义制热量 空调器在该工况下的实测制冷量或制热量不应小于名义制冷量或供热量的8 以上 试验工况 制冷 27 19 5 室内 35 24 室外 热泵 21 室内 7 6 室外 此外 空调器使用的气候环境分为T1 T2 T3三类 通常为T1型 其最高环境温度为43 热泵最低 7 不带除霜时为5 2 能效比 在额定工况下 空调 采暖设备提供的冷量或热量与设备本身消耗的能量之比 能效比高说明空调器具有节能 省电的先决条件 国家有关部门指出 节能型空调器的能效比应大于3w w 如果按现行标准与之比较 国产空调器达到节能型空调器的指标以后 节约的电能将是十分可观的 以制冷量在2500 4500w的整体式空调器为例 如果能效比达到3 则大约可节省电耗20 而现在市场上销售的空调器的实测能效比 大都比国家规定的值稍低 所以 在空调器的设计制造方面 开发 采用先进的节能技术 是节约建筑物空调能耗的重要途径 在使用过程中 空气环境是不断变化的 空调器的运行启停状况 工作环境温度 房间的夏季需冷量和冬季需热量处在不停的变化之中 它的能效比也在不停地变化 为比较科学地评价空调器的综合能效特性 对空调供冷提出了季节能效比 SEER 供热提出了供暖季节性能系数 HSPF 的评价指标 SEER为整个供冷期间的总制冷量与供冷期间总电耗之比 w w HSPF为整个供暖期间总的供热量与供暖期间总电耗之比 w w 我国制定的节能空调器的技术导向指标 将能效比和季节能效比分为A B C三级 制定这一分级指标的目的 是为了促进生产厂在技术革新上不断地努力 其中A级比目前标准 GB T7725 98 能效比提高约39 3 季节能效比 2 压缩机节能技术 数种风冷管道机或单元式空调机的主要性能表10 2 1 1 目前家用空调器上多使用旋转式压缩机 第三代压缩机 涡旋式压缩机其主要优点是 没有余隙容积 压缩过程泄露少 所以压缩机的容积效率高 而且 即使液体进入压缩机也没关系 不会发生液击事故 振动小 噪声低 吸气 压缩 排气过程同时进行 排除的气体几乎是连续流动 压力脉动非常小 压缩机的转速可达每分钟13000转 没有吸气 排气阀及因此而产生的阻力损失和噪声 压缩机可靠性好 3 制冷剂替代 目前基本都使用R22 其热力学性质非常好 但是 它的ODP 0 055 有1个氯原子 对臭氧层有破坏作用 按国际协定 R22在国内可以使用到2030年 目前的研究认为 R407C是R22的最具发展前景的替代工质 R32 R125 R134a 混合比例 23 25 52 注 ODP OzoneDepletionPotential 臭氧消耗潜能 以CFC11 R11 的ODP 1 0为比较标准 4 蒸发器与冷凝器的节能技术 制冷装置的制冷系数随着蒸发温度的升高和冷凝温度的降低而增高 用于空调器的高效换热技术主要有 采用内螺纹槽管 其制冷剂侧换热系数可比光管提高50 100 高效传热肋片加亲水膜技术 即在空调器蒸发器的肋片表面浸上一层氧化铝等溶液的膜 使凝结水不形成水珠而是成膜状流下 据实验 采用此项技术蒸发器阻力可减少40 50 风机功率下降17 7 制冷量增加2 3 从而提高了空调器的能效比 采用蒸发式冷凝器 即在冷凝器上喷水 其形式有两种 一种是用甩水装置把蒸发器外的凝结水甩洒到冷凝器表面 其二是凝结水 补充水用小水泵喷淋在冷凝器的表面 经实验验证 该方法可显著提高空调器的能效比 5 先进的节能控制技术在空调器中的应用 1 变速控制 对压缩机采用变转速控制 节流部件采用电子膨胀阀调节制冷剂流量 电子膨胀阀可以随工况的需要任意调节开度 实现不同流量的制冷剂调节 传统采用毛细管根据过冷度调节制冷剂流量 流量调节范围不大 变速空调器全年运行耗电量比传统空调器约少三分之一 2 模糊控制3 神经网络控制后两种控制方式只是采用了更先进的控制算法 来进行变转速和制冷剂变流量控制 使得空调器的部分负荷性能和季节能效比更高 标准建议 设备宜采用变频调速控制 6 空调器应用中的节能技术 1 正确选用2 正确安装3 正确使用 二 户式中央空调及节能 户式中央空调主要指制冷量在7 40kW 适用居住面积100 400m2使用 的空调系统 夏热冬冷地区常使用热泵型 目前常用如下五种型式 小型风冷热泵冷热水机组风冷热泵管道式分体空调全空气系统多联变频变制冷剂流量热泵空调系统 VRV 水源热泵系统户式燃气中央空调 溴化锂吸收式 1 户式中央空调产品的分析与评价 1 小型风冷热泵冷热水机组该种机组体积小 可放置在阳台 屋面等位置 由于冷热管占空间小 一般不受层高的限制 室内末端装置多为风机盘管 一般有风机调速和水量旁通等调节措施 可以对每个房间进行单独调节 室内噪音较小 主要缺点是 性能系数不高 主机容量调节性能较差 特别是部分负荷性能较差 该机组在名义工况下的制冷性能系数在2 6 3 0之间 与家用空调相差无几 绝大多数厂家的产品均为启停控制 部分负荷性能系数更低 因而造成运行能耗及费用高 室外机噪声较大 一般在53 65dBA 高于家用空调器 家家户户都安装在阳台上 如果同时开启 噪声的影响可想而知 很多机组需要用户设置膨胀水箱 在住宅楼中很难找到合适的位置 初投资也比较大 2 风冷热泵管道式分体空调系统 这种系统的最大优点是可以获得高质量的室内空气品质 同时可以利用室外新风实现过渡季的全新风运行 相对于其他几种家用中央空调系统造价较低 其主要问题是 由于是全空气系统 各空调房间难于实现独立控制 需要在房间内布置风管 要占用一定的使用空间 对建筑层高要求较高 和风冷热泵冷热水机组一样 能效比不高 调节性能差 运行费用高 室内噪声大 大多数产品的噪声在50dBA以上 需要采用消声措施 3 VRV系统 VRV系统适用于独立的住宅 也可用于集合式住宅 其室内机有多种型式供用户选择 制冷剂管路小 便于埋墙安装或进行伪装 该系统采用变频能量调节 部分负荷能效比高 运行费用低 其主要缺点是初投资高 是家用空调器的2 3倍 房间新风比较难于解决 如果再采用带热回收的新风系统 造价会更高 系统的施工要求高 难度大 从管材材质 制造工艺 零配件供应到现场焊接等要求都极为严格 4 水源热泵系统 以水为低位热源 最大特点是能效比高 节省运行费用 此外 它克服了风冷式机组的两大缺点 即冬季室外换热器的结霜问题和随室外气温降低供热需求上升而制热能力反而下降的供需矛盾问题 对于独立式住宅 采用土壤源热泵系统具有优越性 水源热泵系统的主要问题是 要有适宜的水源 对水环热泵系统 冬季需要另设辅助热源 土壤源热泵系统的造价较高 一般采用U型竖埋管的系统 每米孔深的造价在40 50元 每1kcal制冷量 室外埋管费用0 7 0 8元 而且需要建筑物周围有适当的空地 要充分掌握当地的水文地质资料 而且室外埋管换热器的设计是系统设计的关键 技术难度大 较难掌握 5 户式燃气中央空调 由于采用燃气作能源 省电80 以上 按市场的一些产品计算 燃气中央空调一次能源效率为0 876 冬季为0 869 夏季风冷热泵冷热水机组为0 877 冬季为1 00 可以看出 在夏季两者基本相同 冬季风冷热泵机组要优于燃气空调 不过 燃气空调的部分负荷性能要好于风冷热泵 以目前重庆地区的能源价格比较二者的运行费 在名义工况下燃气空调的费用要高于风冷热泵机组 比值大约为1 0 70 0 75左右 当然随能源价格的不同运行费的情况会有变化 2 户式中央空调有关问题的讨论 1 机组的能耗指标热泵机组在使用寿命期间的能耗费用 一般是初投资的5 10倍 根据2001年的一个调查 9种风冷热泵冷热水机组的制冷能效比平均值为2 83 制热性能系数平均值为3 23 10种管道机和单元式空调机的平均制冷能效比为2 68 制热性能系数平均为2 96 上述能效指标略高于房间空调器 但相差不大 个别产品还低于房间空调器 目前的户式中央空调产品 没有提供部分负荷性能系数 实际上 由于目前大多数产品的容量调节手段单一落后 对其部分负荷性能不能有过高的期望 2 能量调节 良好的能量调节措施是提高部分负荷性能与季节能效比的关键 根据目前的市场现状 建议采用如下能量调节措施 1 采用双速压缩机 2 采用双机并联机组 3 采用变速压缩机和电子膨胀阀调节制冷剂的循环流量 从而实现机组的能量调节 在某新开发的户式中央空调中采用变频压缩机 30 90HZ 电子膨胀阀及配套的控制器 传感器等 共增加投资2500 3000元 用户可以接受 而节能性能却得到了大大的提高 4 风机 水泵调速 3 应用强化传热技术 空气侧换热器的肋片形式优化 采用内螺纹管等技术 特别注意换热器的气流阻力和结霜特性 换热器风量等 风量应在500m3 h kW左右 水侧换热器采用板式要好于套管式 但要注意结垢的影响和作为蒸发器时的回油问题 4 结语 就目前中国的住宅现状而言 采用户式中央空调还存在许多问题 由于调节特性的限制 部分负荷性能差 加上比房间空调器增加了换热环节和流体输送环节 能效并不一定优于房间空调器 集合式住宅的限制 并没有完全解决新风问题 室内空气品质并没有根本改变 实际经验看 设计安装较复杂 需要进行专业的设计安装 一般装修公司难以胜任 三 利用良好的通风实现住宅节能 1 通风路径 新鲜空气 居室 厨卫 排除2 18 28 优先利用通风满足室内热环境需求 其余气候条件要避免大量冷热风侵入 3 优先利用风压 热压作为通风动力 4 有条件时可利用热回收装置 如新风换气机 进行排风热回收 三 中央空调系统节能 1 负荷与装机容量1 目前普遍存在 大马拉小车 的问题 根据同济大学等单位的调查 大约有67 的宾馆饭店按94 163W m2建筑面积选取制冷设备 而83 的工程实际开机容量只有58 93W m2 目前的公用建筑节能设计标准 旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准GB50189 93 没有对负荷指标加以明确规定 2 室内设计参数 实践经验证明 夏季室内温度低1 或冬季高1 暖通空调工程投资约增加6 能耗将增加8 左右 此外 理想的夏季室内温度是比周围环境温度低5 8 为好 有资料推荐用下面经验公式确定夏季室内允许的最低温度 即 t室内 22十 tH 21 3式中 tH为当地夏季室外通风设计温度 如重庆 tH 33 则t室内 22十 33 21 3 26 说明重庆地区夏季室内设计温度不低于26 为好 除了室内设计温度外 合理选取相对湿度的设计值以及温湿度参数的合理搭配也是减小设计负荷的重要途径 特别是在新风量要求较大的场合 适当提高设计相对湿度 可大大降低设计负荷 而在标准范围内 40 65 提高相对湿度设计值对人体的舒适影响甚微 3 新风负荷 新风负荷在空调设计负荷中占有很大的比重 夏季冷负荷大约与维护结构传热冷负荷相当 冬季则高于此 在目前 一方面存在新风量过小的问题 另一方面 又存在新风品质不好的问题 采用热交换器对新风和排风进行热交换 是降低节约新风处理能耗的关键技术措施 2 冷热源节能 1 冷热源形式与能耗特性常用的冷热源形式 电动冷水机组供冷 燃油锅炉供热 供应能源为电和轻油 电动冷水机组供冷和电热锅炉供热 供应能源为电 风冷热泵冷热水机组供冷 供热 供应能源为电 蒸气型溴化锂吸收式冷水机组供冷 热网蒸汽供热 供应能源为热网蒸汽 少量的电 直燃型溴化锂吸收式冷热水机组供冷供热 供应能源为轻油或燃气 少量的电 水环热泵系统供冷供热 辅助热源为燃油 燃气锅炉等 供应能源为电 轻油或燃气 其中 电动制冷机组 或热泵机组 根据压缩机的型式不同 又可分为往复式 螺杆式 离心式三种 衡量它们的节能性需要把各种能源形式全部折算成同一种一次能源 并用一次能源效率OEER来进行比较 注 额定工况 冷水机组 冷冻水进 出口温度12 7 冷却水进出口温度32 37 热泵冷热水机组 夏天环境温度35 冷水出水温度7 冬季环境温度7 热水出水温度45 3 水系统节能 目前空调水系统的输配用电 在冬季供暖期约占动力用电的20 25 在夏季供冷期约占动力用电的12 24 因此 降低空调水系统的输配用电是中央空调系统节约用电的一个重要环节 根据对一些高层宾馆 饭店空调冷冻水水系统的调查测试表明 普遍存在着不合理的大流量小温差问题 冬季供暖水系统的供回水温差 较好情况为8 10 较差的情况只有3 夏季冷冻水系统的供回水温差 较好情况为3 左右 较差的情况只有l 1 5 而循环水量大大超出设计水量 节能标准对水系统的规定及现状 水输送系数WTF为输送的冷 热 量与水泵的电力消耗 kW kW 之比 它的大小是检验供回水温差 水力平衡计算及水泵选择是否经济合理的综合指标 按节能标准规定 空调供冷WTF不应小于30 冬季供暖 寒冷和夏热冬冷地区不应小于150 对实际工程的WTF值进行的实测表明 平均比节能标准规定值多耗电20 40 而造成这种现象的原因就是大流量小温差运行 节能标准 旅游旅馆建筑热工与空气调节节能设计标准GB50189 93 水系统节能的关键技术措施 1 通过设计和调试达到分支环路的水力平衡 2 采用变流量水系统一级变流量水系统节能是在部分负荷时 通过水泵的台数调节实现的 因为要保证蒸发器的流量稳定 二级泵变流量系统除一次泵台数调节外 还可根据负荷变化对二次泵采用变转速调节 从而获得更大的节能 变流量系统的实现需要自控措施保证 其控制规律并不复杂 3 减少水垢 设备腐蚀 青苔等对传热性能和流动阻力的影响 4 风系统节能 耗能设备 风机1 设备选择应选用漏风量及外形尺寸小的机组 国家标准规定在700Pa压力时的漏风量不应大于3 目前很多厂的产品漏风量均在5 以上 有的高达10 实测证明 漏风量5 风机功率增加16 漏风量l0 风机功率增加33 漏风量达到15 时 风机功率增加50 空气输送系数ATF为单位风机消耗功率所输送的显热量 kW kW 选择机组时应校核和比较ATF的大小 选择ATF较大的机组 标准没有限制ATF值 2 变风量系统 基本原理 通过改变送入房间的风量来满足室内变化的负荷 在部分负荷时 相比定风量系统 节约了风机运行的能耗 变风量系统实现的关键在于控制系统 由于各个末端变风量装置之间 新风 回风及送风之间的关联耦合 使其控制系统特性非常复杂 要设计要控制系统 必须对风系统的动力 阻力及设备的换热特性有深入的认识 因此 应由暖通工程师 控制工程师以及设备厂商技术人员配合共同完成控制系统的设计与调整 5 空调大温差 所谓 空调大温差 是指送风或送水的温差比常规系统的温差大 采用大温差送风 送风温差达到14 20 冷却水的大温差系统 冷却水温差达到8 左右 冷冻水大温差系统 冷冻水温差达到8 10 与冰蓄冷相结合的低温送风大温差和冷冻水大温差系统 送风温差达到17 23 冷冻水温差达到10 15 等 对这些携带冷热量的介质循环 采用较大的循环温差后 循环流量将减小 可以节约一定的输送能耗并降低输送管网的初投资 四 热泵技术 热泵工作的热力学原理与制冷机相同 按照国际制冷辞典的定义 热泵就是以冷凝器放出的热量来供热的制冷系统 所不同的是它们所要求的效果和工作的温度范围不同 热泵的能效特性用制热性能系数和制热季节性能系数以及能源利用系数来衡量 夏热冬冷地区夏季炎热潮湿 冬季较为寒冷 但温度不太低 气候特点总的说来比较适宜于热泵的应用 热泵技术与建筑节能 热泵作为暖通空调冷热源的能源利用系数E比传统热源方式高 热泵技术与建筑节能 国标GB T 7725 1996 空气调节器 规定 小于14kW的热泵型房间空调器的 h在2 45 2 70之间 而大型热泵的 h值一般大于3 所以采用热泵是节能的 热泵技术与建筑节能 暖通空调用热是热泵的理想用户热泵的供热系数随供热温度的降低和低位热源温度的升高而增大 在暖通空调工程中 所要求的供热温度都不高 以风机盘管为例 只需要供给50 60 的热水 而采用地板辐射采暖等方式只需40 45 左右 在夏热冬冷地区 冬季气温不是很低 同时地热源丰富 如土壤 地表水等 为热泵提供了较好的低位热源 有利于提高热泵的 h值 热泵的应用是改善生态环境的有效措施 保护大气环境已成为人类的共识 化石燃料在燃烧过程中排放的CO2等温室气体会对大气层产生极大破坏作用 在很多的城市中心区域 已禁止使用燃煤和燃油锅炉 如上海的市中心区和浦东新区 在这些地区使用热泵无疑是有利于环保的选择 当然 热泵用电可能来源于化石燃料燃烧 但集中燃烧便于集中治理 热泵的节能相当于减少了化石燃料的燃烧量 从而减少了温室气体排放量 与燃煤锅炉相比 使用热泵可减少30 的CO2排放量 这些都有利于保护生态环境 空气热源热泵及应用 平衡点随着室外温度的降低 热泵的制热性能系数降低 而建筑物所需要的供热量上升 图中 A热泵的容量大于B 其平衡点温度低 气温低于平衡点温度时 需要投入辅助热源 可见 平衡点的选取影响到热泵的运行费及系统投资 与辅助热源的形式有关 若辅助电锅炉 则应取较低的平衡点温度 结霜与除霜 冬季气温较低 湿度较大时 室外换热器容易结霜 目前除霜方法多用热气除霜 即将系统按制冷模式运行 实际上是从房间抽取热量 加上电机运转能量 为无效用能 因此因尽可能减少结霜 夏热冬冷地区的气候特点适宜应用空气热源热泵 对于气候适中 度日数不超过3000的地区 采用空气热源热泵仍是经济的 我国夏热冬冷地区的度日数 以18 为基准 基本在800 2000 d之间 适合于空气热源热泵的应用 夏热冬冷地区冬季室外温度较高 大部分地区因结霜带来的效率损失并不严重 特别是机组在白天运行时 结霜损失更小 但某些地区的相对湿度大 则应注意此问题 水源热泵及其应用 水热源热泵系统在制热时以水为低位热源而在制冷时以水为排热源 以水作为热源 换热器的尺寸可以较小 热泵系统的能效比较高 所以在易于获得大量的温度较为稳定的水的地方 水是热泵理想的热源 如地下水 江河湖海的地表水等 用水作为热源不存在蒸发器表面结霜的问题 但用水作为热源时水系统比较复杂 又需要消耗水泵的功率 如果水质硬度较大 还会造成换热器表面结垢 使设备的传热性能下降 当水中含氯离子量大时 还会造成设备的腐蚀 应重视利用地表水作为热泵热源 在夏热冬冷地区 存在着大量的江河湖泊 其中蕴藏着丰富的低位热能 比如重庆 武汉 上海 宜昌 杭州等 都滨临大江 大湖甚至大海 在广大的乡村 小城镇 周围都有很多的河流 湖泊 水塘等 如果合理地将它们作为热泵系统的热源 对建筑物进行冷暖空调 将起到非常好的节能效果 深井回灌水源热泵系统 利用大地蓄能 能效比高 冬季从地下取热存冷 夏季取冷存热 若建筑物冬季供热量与夏季供冷量差不多 则一年内能保证地下基本热平衡 据报道 奥运村规划大规模采用此种方式 关键 1 真正回灌2 地下热平衡 图10 4 4 1深井回灌水源热泵系统 水环路热泵系统 也称加利福尼亚系统 这种水环路热泵系统可看作是一种热回收系统 在建筑物需要同时供冷和供热时 可以将供冷区的排热转移到供热区 从而节省能量 否则 需要冷却塔 供冷时 排热或辅助锅炉 供热时 加热 省去了集中冷热源机房 便于分别计费 但利用新风麻烦 土壤热源热泵 特点 地表以下一定深度温度稳定 利用大地作为蓄能器 起到季节气候能量的蓄存和转移作用 能效比高 重庆地区连续3年的实测表明 在夏季 土壤源热泵系统长期间歇运行 维持室温 28 制冷工况综合能效比达4 094 明显高于GB T7725规定的风冷热泵空调器的名义工况能效比 2 5 2 7 在冬季 室温维持在17 22 之间 热泵性能系数达4 48 关键技术 室外地下埋管换热器设计与施工 埋管形式 水平埋管与竖埋管 多采用竖埋管 换热好 节省占地 竖埋管主要有U型 套管型 埋深最高达180m 关键参数 埋深 间距 单位管长换热量 埋深 间距与埋管的回路形式有关 在通常的情形下 竖埋管的单位深度换热量在70 110W m之间 而横埋管 换热指标仅在20 40W m左右 重庆实测 地下套管换热器夏季平均93 6W m 在冬季 平均约76 9W m 实例 1 10kW套管换热器 热泵 冷暖地板 重大B区暖通实验楼 2 重庆近郊某多居室 130m2 60m2门面地源热泵系统 U型埋管 6口竖井 深约50m 6 室内为直接蒸发式风机盘管机组 2001年3月建成 运行效果良好 造价约200元 m2 其中室外钻井占20 管材管件30 设备占50 可见 降低施工及管材成本是降低造价的关键 目前管材降价 2 重大B区暖通实验楼U型埋管热泵系统 约50m 6孔 五 热电冷联供的节能作用 热能驱动制冷可回收利用各种低品位余热 有利于能量的梯级利用 同时 热制冷必然存在一个供热系统 称为冷热联供 在热电联产情况下利用排汽热供热供冷 称为热电冷三联供 要比较 联供 与其他形式的暖通空调冷热源的能耗情况 需要把他们消耗的能量都折合成一次能 用 一次能耗率 比较 一次能耗率 是一次能耗量与输出能量之比 该值越高 意味着越耗能 气轮机热电厂利用作功后的蒸汽供热 制冷 大大提高了热电厂的能源利用率 同时也导致消耗同等数量燃料