空调系统能耗分析与节能设计探讨
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摘要：本文结合工程实例，运用不同能耗计算方法，对其能耗指标进行分析比较与评价，为实现空调系统节能设计提供参考；同时从空调系统节能设计和运行的多个角度，探讨空调系统的实用节能措施，以实现整体建筑节能。
1 引言
众所周知，空调系统在建筑能耗中占有很大的比重，据统计，我国建筑能耗约占全国总能耗的35％，其中空调能耗又约占建筑能耗的50％～65％左右，随着空调系统在工业，民用各个领域中应用增多而使能耗量不断增加，进一步加大了我国当前能源短缺的矛盾。因此，未来的空调系统应向着既节能又能提供更好的空气品质的方向发展。
这里，本文结合工程实例对空调系统能耗进行计算分析与评价，以及如何有效而充分地达到节能效果而采取具体设计措施进行探讨，以其实现建筑节能。
2 能耗计算
2.1 建筑能耗计算方法
到目前为止，建筑能耗的计算方法基本上有两类：一是利用建立在不稳定传热理论基础上的计算机软件动态模拟能耗分析方法；二是建立在稳定传热理论基础上的静态能耗分析方法。静态能耗分析的方法主要有：度日数法、当量峰值小时数法、设备满负荷小时数法、温频数法等。这些方法简单实用，便于一般设计人员和管理人员使用，是一种简化计算方法。动态能耗模拟法对室内外各种扰量考虑较细，得到的结果也比较精确，利用计算机可以方便地对不断变化的室外参数作用下建筑物的冷热负荷进行动态计算，以及对空调系统的全年能耗进行动态模拟计算。目前世界上许多国家都开发出具有不同特点的建筑物能耗计算软件，比较具有代表性的DOE-2等。这类方法比较完善，但由于软件比较复杂，使用起来不方便，因此难于被一般设计人员掌握和使用。
根据有关资料可知，两种计算方法计算结果存在一些差距，造成此差距的原因主要是维护结构的热负荷，简化计算中未考虑维护结构的蓄热影响，其他负荷计算中两种方法计算的结果大致相当。在进行建筑物全年耗电量分析上，用DOE-2程序计算出的结果与我国暖通界常用的方法计算的结果是一致的，这说明利用简化计算方法来分析建筑物能耗是可靠和可行的。
2.2 利用简化计算方法计算建筑物的耗能
以长沙市二幢(用A、B表示)典型公共建筑为例，A建筑总高229m，地上58层，地下2层，总建筑面积109000m2，其中商场建筑面积为32000m2，办公用房面积为64000m2；B建筑为33层的办公楼，面积50000m2，建筑高度138m。
(1)用度日法计算冬季采暖耗能
这是最简单的方法，当建筑物用途和空调系统及设备的效率全年恒定时，用这种方法是合理的。度日法的 基本公式如下：
式中q――建筑物总的设计耗能量(kJ/h)；
HDD――采暖期度日数(D.D)；
CD――修正系数：
VtN-W――室内外设计温差(℃)
通过对长沙最近十年的气象资料分析，长沙冬季供暖期总天数为51天/年，采暖度日书可近似取值为778，则修正系数CD=0.67，VtN-W=20-(-5)=25℃。根据此公式，对所调查的2幢公共建筑的冬季热负荷如表2所示。
(2)用当量满负荷运行时间法计算空调全年能耗
夏季较长，往往从5月下旬到10月上句，制冷季节将近5个月：冬季从11月下旬到2月中旬，采暖季节将近3个月，对夏、冬季设备累计运行时间计算如下：
TR=9(小时)×22(天数)×5(月数)=990(h)
TB=9(小时)×22(天数)×3(月数)=594(h)
其中根据建筑的用途，参考日本建筑物实测统计的结果，满负荷当量运行时间取值如下：
办公楼：TER=560(h)，TEB=480(h)
商场：TER=800(h)
TER和TEB和分别为夏、冬当量满负荷运行时间，利用当量满负荷运行时间法对上述两幢公共建筑的空调全年能耗计算如表3所示。
(3)用负荷频率法计算空调全年能耗
使用该方法计算时，需要知道计算地点室外空气焓、含湿量、干球温度和湿球温度出现的期间频率数，而频率数一般是根据当地1O～15年气象站观测记录值的统计而得出，在实际能耗的调查中，所获得的能耗资料主要是2002年的，故根据2002年采暖季节与制冷季节每天的气温(最高和最低气温)，利用我国通用的模比系数计算出每天的逐时气温，然后统计出两个季节的室外空气温度频率分布，其结果如表4所示。
因A建筑为一般舒适性空调，对湿度没有很高的要求；尽管B建筑有些房间有恒温恒湿的要求，通过在这些有特殊要求的房间安装了恒温恒湿机组来实现的，其它房间也只是为一般舒适性空调，故计算时只考虑了全热量和显热量。A、B两建筑的冬夏两季的室内空气温度与湿度的设计值如表5中所示。
利用负荷频率法计算A、B两建筑空调全年能耗量如表6所示
2.3 计算结果分析
利用三种方法计算的建筑能耗与建筑实际能耗汇总如表7所示。从表7中可以看出，利用当量满负荷频率计算的建筑能耗与实际耗能的相对误差较大，利用负荷频率法计算的相对误差较小，两幢建筑的实际耗能偏大主要有三方面的原因：一是机组选型偏大，导致整个输配系统如水泵，冷却塔以及风机盘管等末端装置选型也偏大，从而耗电量增加；二是建筑物围护结构的隔热性能差，冷损失较大，三是缺乏相应的调节手段。在调查与测试空调房间的温度过程中，发现有些房间的温度只有22℃，工作人员感觉很冷，可没有温度控制器，这也是导致实际耗能偏大的原因之一。
3 节能措施
3.1 改善维护结构的保温性能
空调建筑中，通过维护结构传热产生的冷热负荷在空调负荷中占有很大的比重。建筑围护结构的保温性能直接影响到建筑物的年能耗量以及运行费用。从建筑体形来说，同样面积的建筑物，接近正方体的外表面积最小，可以节能。对于长方形的建筑物，朝向对空调负荷有相当大的影响，主立面朝向西或东的比朝向南或北的大，最大设计冷负荷约大25％左右。
围护结构保湿性能在建筑的节能中起着很重要的左右。采取遮阳、绝热等措施提高围护结构的隔热性能。可以减小空调冷热负荷，
达到节能的目的。
在维护结构中，外窗对空调冷负荷有明显的影响。透过玻璃的日射得热冷负荷约占空调冷负荷的20％～30％，所以减少窗墙比可以减少热负荷和冷负荷，但减少到一定值时，会增加照明负荷，而反过来又增加了冷负荷。因此，要根据不同的地区相应的选择合适的窗墙比，以及，采用镀膜反射玻璃或中空玻璃等，晚间可以采用保温窗帘。
夏季在建筑物外墙面种植多年生攀缘类植物后，室内环境温度较室外气温低约3～9℃，可降低墙体外表面(极端情况)约23℃，室内的表面温度约0.8-1.7℃，可缓冲墙壁外表面昼夜温度剧变。并使有植物覆盖的低约3℃，尤其在午后极端高温时，可降低室温6℃左右。并且绿化状态下室外环境温度可望降低约4℃，可减少空调符合约12.7％；在中午高温时刻，峰值温降作用更为明显，可以达到6℃，减少空调负荷20％。
3.2 采用变频系统
空调系统的能耗是由风系统和水系统的能耗组成的。在风系统中，风机的能耗占相当大的比例；而水系统中，降低水泵与冷水机组的能耗才是节能中最关键的部分。通常空调设备只能按照设计的额定工况运行，当系统的负荷降低时，设备仍然按照额定功率全负荷运行，这就必然造成能量的浪费。如果使用变频技术使空调设备的输出功率随负荷的变化而变化，那么就可以起到良好的节能效果。
3.3 变风量系统(VAV)节能
在空调系统中风机能耗占相当大的比例，因变风量系统能随时跟踪建筑负荷的变化，及时调节送风量，从而可减少风机能耗，达到节能目的；而且变风量系统便于分区调节，可满足不同房间的空调要求，因此，在商务楼宇的设计中多有采用。风机送风量调节方式很多，不同的控制方式很多，不同的控制方式节能效果也各不相同，有的方式节能效果高达49.7％。
3.4 变水量空调系统
在空调系统中，一般来说冷水机组的能耗最大，因此降低冷水机组的能耗便成为空调系统节能降耗的最大问题。然而，一年之中，由于空调系统在部分负荷下运行的时间比较多，所以，如果能根据负荷的大小相应地改变系统的水量，就可以实现空调系统的节能。变水量系统就是通过水量控制的方法来调节温度的，所以它比定流量系统要节电、节能。
4 结语
随着空调应用的日益普及，空调领域作为能耗大户，应从设计，运行等方面注意节能问题。从我国发展节约型社会来说，更应该做好空调的节能的设计。本文从理论节能分析到实践的节能措施都作了详细阐述，也只是涉及到节能领域的一部分，节能还有很多可以研究和发展的地方。