碳中和背景下我国空调系统发展趋势

碳中和背景下我国空调系统发展趋势

任小辉

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摘要：随着信息技术、互联网技术的进一步发展，以及人们对生活品质和食品安全要求的提高，以数据中心、电子和制药洁净工厂、冷链物流、电动汽车为代表的制冷空调系统新的应用场景得到快速发展。这些不断提高的需求对空调领域未来发展带来了新挑战。在国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》所重点提到的“碳达峰十大行动”中，“能源绿色低碳转型行动”“节能降碳增效行动”“工业领域碳达峰行动”“城乡建设碳达峰行动”等，均与空调系统和设备密不可分。

关键词：碳中和背景；我国空调系统；发展趋势

1面向碳中和的空调系统重点技术

1.1降低空调系统负荷相关技术

1.1.1降低新风负荷

（1）按需通风。根据空间人流密度的变化，对新风量进行实时调节，这样既保证了室内空气品质，又预防了过量通风，相对于传统的定新风量送风有着巨大的节能潜力。（2）能量回收。通过能量回收系统实现排风与新风的热量交换，可实现新风负荷的显著减少。有些建筑还会存在冬季需要供冷的内区，在冬季时将这些内区的热量回收用于预热新风，不仅可以减少新风热负荷，还可以为内区提供免费冷量。（3）引入自然能源。用自然能源对新风进行处理，将新风引入地下埋管中，通过与土壤的换热减少新风夏季和冬季负荷，或者将通过土壤等方式采集的自然能源送入新风处理装置中，对新风进行预处理，从而减少所需机械冷热源的数量。

1.1.2降低空调负荷需求

传统空调系统基于均匀混合的方式营造室内环境，导致室内负荷较大。采用置换通风、地板下送风等高效的气流组织，可以形成非均匀的室内环境，将冷热量和新风重点用于人员工作区，从而减少空调负荷。在工位处安装空调针对个人实现个性化送风，可以进一步降低空调负荷需求。个性化空调系统主要分为地板个性化空调系统、桌面个性化空调系统、隔板式个性化空调系统及顶棚个性化空调系统，其能量基本全部用在实际需要的空间，比传统空调的效率可高出40%。为了更好地适应人员位置的变化，还可以通过辨识技术获得人员位置和运动方向，并在室内安装可实现多种送风模式的送风末端，基于人员位置实现面向人员的高效送风。

1.2提高设备和系统能效

1.2.1高温供冷/低温供热

现有研究表明，不管是新风还是回风负荷中，一半以上的负荷均可以用更高温度的冷水和更低温度的热水进行处理。温湿度独立控制系统通过将显热负荷与潜热负荷分开处理，可以将冷水温度提高到16℃/20℃，从而大幅提高冷水机组能效。由于大量的冷热是用于处理新风负荷的，而新风负荷中有相当一部分可以用高/低于室温的水进行冷却/加热，以此为基础就可以构建出显著高于16℃/20℃的冷水机组和温度低于30℃的热水机组，从而更大幅度提高冷热源效率。

1.2.2能量回收与自然能源利用

当存在同时供应冷热的需求时，可以使热泵设备同时制冷和制热。当冷热不匹配时，可以通过回收制冷设备排放的冷凝热产生所需要的热水。这类热回收技术在合适的场合能显著提高系统能效。还有一些场合可以利用自然环境直接生产所需要的冷源，如蒸发冷却和免费供冷。直接蒸发冷却是使空气和水直接接触，通过水的蒸发实现空气的等焓加湿降温过程。间接蒸发冷却是将直接蒸发冷却得到的湿空气的冷量传递给建筑内的循环空气，实现空气等湿降温的过程。蒸发冷却技术利用环境空气未饱和这一特性，充分利用干空气能这一可再生能源，以水为冷却介质，无氟利昂等制冷剂，更加低碳环保，其运行费用仅为传统压缩式制冷的25%。直接/间接蒸发冷却器、蒸发冷却空调/冷水机组在厂房、机房中有大量应用。冷却塔也属于蒸发冷却技术的范畴，或与压缩式制冷机组联合使用，或单独运行满足过渡季节的冷负荷。随着全球数据中心等全年较长时间供冷建筑数量的大幅增加，蒸发冷却技术迎来了发展的黄金时期，如何实现模块化/集成化的设计，减小设备尺寸，缩短建设周期，如何更好地将蒸发冷却技术与其他制冷技术、可再生能源技术结合以满足不同应用场景的需求，是未来发展的主要方向。

1.3提高空气处理设备输配效率

传统空气处理过程主要使用空调箱与风机盘管进行冷凝除湿，需要的冷热源品位较高且经常出现冷热抵消。辐射制冷/热可以采用更高/低温度的冷/热水，且舒适性更好。嵌管式围护结构可以采用非常高/低温度的冷/热水处理围护结构负荷。未来的室内环境控制应充分结合空气末端、对流辐射末端和嵌管围护结构（广义末端）的各自特点优势合理搭配，从而利用不同温度的冷热源处理合适温度品位的负荷，以大幅降低空调负荷处理能耗。为了更高效地处理湿负荷，以液体、固体吸湿剂为代表的吸湿剂除湿技术得到快速发展。它们不仅应用于潜热负荷的处理，还大量应用于新排风的全热热回收中，包括严寒地区新排风高效热回收，可有效避免排风侧的结霜和结冰风险。传统空调系统通常统一处理送风，为满足较高的温度和湿度精度，往往不得不在冷凝除湿后再进行加热。新风与循环风独立处理可较好地解决这一问题。配合合理的温度和湿度独立控制系统，不仅能够杜绝冷热抵消，还可大幅提高热湿处理效率。同时，就近处理循环风也减少了长距离回风带来的初投资增加，并显著减少风机能耗。此外，传统的空气处理装置通常采用一种温度的冷热源，而无论是处理新风还是循环风，均具备采用不同温度冷热源处理的潜力。应开发可使用多种不同温度品位的冷热源对空气进行分级处理的空气装置，以显著提高对应的冷热源效率。

1.4提高空调系统柔性与可再生能源应用比例

若空调负荷不能增加柔性，则会对电网的稳定运行产生较大的影响。未来空调系统应充分利用水蓄冷/热、冰蓄冷、相变储能等蓄热/冷装置，增加空调系统柔性，通过电力系统的需求侧响应，主动错峰或主动消纳可再生能源电力。另一方面还可利用风机、水泵、压缩机等变频调速与送风温度、送水温度、蒸发温度等参数的调节结合，利用空调系统的热惯性和被控环境及建筑物的热惯性，实现冷热负荷短时间的大幅度调节，从而更好地消纳建筑自身产生的能源并适应未来可再生能源占比较高的电力系统要求。此外，空调系统还应与建筑中的可再生能源和直流供电相结合，将空调系统发展成为“光储直柔”建筑中的重要一环，利用直流直驱电动机提高空调系统效率的同时，更加迅速有效地吸纳电网中的可再生能源电力，特别是光伏发电形成的零碳电力。

2规范与机制

2.1空调系统产碳量计算规范

1）空调系统制造、运输、安装、报废等过程碳排放计算方法；2）空调系统设计方案的碳排放评估方法；3）空调系统运行过程中碳排放计算方法。此外，对于产碳量计量的不确定度需要有定量的描述方法，为保障政策的公平性提供客观依据。

2.2空调系统减碳效果定量评估规范

1）从关注节能量评估转换到减碳量评估，并加强标准规范的体系性建设，兼顾气候区域、建筑类型及建造年代等差异性；2）解决在实际采集数据维度不高和数据质量差等情况下减碳效果定量可靠评估难题，并形成简单易用的软件工具；3）建立长效机制保障减碳评估的客观性、准确性、中立性、公平性和权威性，并进一步提高规范机制的可操作性和可执行性。

3结语

未来空调系统节能降碳的重点技术方向包括降低空调系统负荷、提高冷热源设备和系统效率、提高空气处理设备与输配效率等；而在规范与机制方面则应重点发展空调系统产碳量的科学合理计算、减碳效果定量公平评估等内容。

参考文献

[1]清华大学建筑节能研究中心.中国建筑节能年度发展研究报告2021[M].北京：中国建筑工业出版社，2021：46-47.

[2]刘庆开.浅谈空调冷热输配系统节能技术[J].建材与装饰，2020（13）：9，11.