【摘要】当前我国一些既有建筑由于系统效率低、设备老化导致设备出力不足，有些建筑使用功能变化等原因，其配套的空调系统已无法满足使用要求，存在室内参数无法保证、舒适性差、能耗大等问题。针对不同的建筑特点，可采用加装地源热泵，变换冷热源，合理利用置换通风、自然通风，利用自动控制设备智能调节中央空调系统等不同的方式进行空调系统改造。
【关键词】空调系统 节能改造
0 引言
随着全球经济一体化步伐的稳步上升，能源危机成为世界各个国家面临的又一大严峻挑战。而在中国，这一危机显得尤为严重。种种迹象表明，资源对经济发展的制约作用开始显现，且差距呈越来越大之势。能源危机不仅对人们的出行造成困扰，更对自然环境造成了极大的负担。众所周知，建筑能耗是国家总能耗的重要部分，在我国已达30%以上，虽然从上世纪80年代起，中国已开始陆续颁布和实施相关节能标准，但整个建筑节能进展仍非常缓慢。多数的既有建筑仍是威胁未来生态环境的高能耗建筑。随着国家节能减排战略的提出，既有建筑的节能改造设计标准和验收规范的制定提上议程，这将大大推进整个既有建筑节能改造工作的顺利开展。所以，采用加装地源热泵，变换冷热源，合理利用置换通风、自然通风，利用自动控制设备智能调节中央空调系统就显得尤为必要。
1 地源热泵技术在既有建筑节能改造工程中的应用
1.1 地源热泵的构成与原理
地源热泵系统指以岩土体、地下水或地表水作为低温热源，通过地热能交换
图1-1地源热泵冬夏运行示意图
系统、水源热泵机组、建筑物内空调末端系统组成的供热空调系统[1]。地源热泵冬夏季运行示意图详见图1-1，由图可知，地源热泵主机及用户侧运行模式完全相同，所不同的只是水源侧的运行模式。
1.2 地源热泵改造实例
1.2.1 项目背景
改造工程案例类型为办公建筑，总建筑面积3593㎡，建筑物体形系数0.256。南北朝向，主体为六层框架结构，建筑物总高度为25m。地上一层为商铺及大楼门厅，2-6层为办公用房。外围护结构为240mm实心粘土砖砌体，屋面为现浇混凝土，以加气混凝土砌块做保温层；外窗为单玻塑钢窗，窗墙比0.24，四个立面的窗墙比分别为：东0.11，南0.29，西0.04，北0.26。
改造时办公楼内无中央空调系统，不易集中管理，改造后中央空调系统冷热源采用可再生的地埋管地源热泵。
1.2.2 解决方案
本次负荷计算的范围为该办公楼的2-6层， 2-6层每层22个办公室，每个办公室平均3人，每人新风最为30m³/h。
根据相关规范要求，地源热泵系统吸热量与释热量不平衡率应控制在10%以下，根据能耗软件对系统能耗的计算，项目的项目夏季负荷远远大于冬季负荷，不平衡率在59.8%左右，大大高于规范限值。为了保证地源热泵长期运行的可靠性，需要采取一定措施，减小冬夏吸放热不平衡率，根据工程特点，本次方案将采用以下两步来减小不平衡度，最后使其达到既定值之内。吸放热热平衡解决方案：
（1）第一步：增大冬季的采暖使用面积
根据能耗计算软件对外围护改造后主楼的模拟，办公楼的夏季能耗为227305 kW‧h，冬季能耗为93309 kW‧h。项目附近有一栋实验楼冬季有供暖需求，供暖面积为838㎡。经过能耗计算，实验楼冬季负荷52705 kW‧h。此时冬季的供暖面积为3835㎡，能耗为（93309+52705） =146014 kW‧h；夏季的制冷面积2987㎡，能耗为：227305 kW‧h，冬夏季的负荷相差：（227305-148804）=81201 kW‧h，冬夏季不平衡率仍旧不满足规范要求。
（2）第二步：制取生活热水
利用地源热泵机组的热回收功能，回收部分在制冷时产生排热量用于加热生活热水从而减少系统排热量，同时冬季采用地源热泵机组全热回收功能，从土壤中吸收更多的热量用于加热生活热水，以达到吸放热平衡。
1.3 经济性比较
本文的经济性比较主要分为两个方面：初投资和运行费用的比较，比较对象为传统水冷机组+燃气锅炉系统。比较基于以下假设：①运行收益和回收年限以分体空调系统作为比较基础；②分体机组不使用变频，负荷率均按100%计算，其他中央空调系统按度日法统计负荷率；③夏季开机120天，每天10小时，开机比为0.8，冬季开机120天，每天10小时，开机比为0.5。
1.4 结论
通过对地源热泵空调在工程实例分析，我们可以得出以下结论：
（1）利用地下恒定的温度场作为空调的冷热源，从节能及环保方面上较其他的空调形式有明显的优势；
（2） 夏热冬冷地区，无市政热源且冬夏季的负荷差异较大，利用地源热泵可分解决冬季采暖难题，产生的废热可以用于制取生活热水；
（3） 本工程利用增大冬季的供暖面积来解决热平衡问题，不仅增大了采暖面积，而且解决部分热平衡问题，为类似工程提供良好的解决方案。
2 置换通风在某车间空调改造中的应用
对于使用年限较长，原有气流组织设计不合理的大空间厂房，车间，采用置换通风空调方式具有优越性。置换通风的送风速度通常为0.25m/s左右，送风的动量很低，所以对室内主导气流无任何实际的影响。置换通风的主导气流由室内热源控制，置换通风的目的是保持活动区的温度和浓度设计要求，而允许活动区上方存在较高的温度和浓度。与混合通风相比，设计良好的置换通风能更加有效地改善和提高室内空气品质。置换通风已经在工业建筑、民用建筑及公共建筑中有较为广泛的应用。
2.1置换通风的原理
置换通风是一种借助空气浮力作用的机械通风方式。空气以低风速 、高送风温度的状态送入活动区下部，在送风及室内热源的上升气流的共同作用相爱，将污浊空气提升至顶部排出[2]。
置换通风是室内通风或送排风气流分布的一种特定形式。经过热湿处理后的新鲜空气，通过空气分布器直接送入活动区下部，较冷的新鲜空气沿着地面扩散，从而形成一较薄的空气层。室内人员及设备等内热源在浮力作用下，形成向上的对流气流。新鲜空气随对流气流向室内上部区域流动形成室内空气运动的主导气流；热浊的污染空气则由设置于房间顶部的排风口排出。
2.2 置换通风的特性
传统的混合通风是以稀释原理为基础的，而置换通风以浮力控制为动力。这两种通风方式在设计目标上存在着本质的差别。前者是以建筑空间为本而后者是以人为本。由此在通风动力源、通风技术措施、气流分布等方面及最终的通风效果上发生了一系列的差别。
2.3 置换通风改造实例
2.3.1 项目背景
车间建筑主体3层，1、2层为印报车间，3层为办公室，两侧还有5层耳房（办公用）。印报车间1、2层前部为轮转机车间（只有两层），单层面积为1890㎡，分为东、西两部分。轮转机由1层穿楼板至2层，1层层高3.15m，2层梁下弦净高为9.05 m，南向外墙窗墙比为1：1.2。车间内轮转印刷机电机及滚筒为主要发热源，印刷机滚筒带出的纸张碎粉末及散发的油墨为主要尘源。
原有空调系统是在80年代初安装的，1，2层分设两台组合式空调机组，共计4台，总送风量132000m³/h，空调机组内设喷淋室，车间内采用上侧送风，同侧下部回风方式，回风口带铁丝网过滤，无机械排风系统。存在以下问题：夏季室内温度降不下来，室内空气品质差，工人患上呼吸系统疾病。
2.3.2 解决方案
空调系统存在的问题：①气流组织不合理。原设计1，2层采用上侧送风、同侧下部回风，工作人员在送风侧操作，处于回流区。由于印报车间内不断挥发油墨和散发纸屑，回风口附近的回流区污染物浓度比其他地方大，工作人员长期处于这种空气环境下对健康极为不利，而且2层设备运行产生的大量热量被带回了工作区，加大了空调设备承担的冷负荷。②过滤设施太简单，无机械排风系统。③自控水平低。
1层利用原送风口上侧送风，下部回风口取消，设在对侧回风管上，使工作区处于送风区，清洁的空气从主要工作区经设备流至次要工作区，回到回风系统。2层采用置换通风方法，原底部回风口作为送风口，并在送风口设低速送风柜，低速均匀送风，在5 m（热力分层高度以下）高处侧墙上设回风口侧回风，回风量为送风量的70%，在送风口对侧墙上顶部设排风机，直排30%风量。
2.4 结论
置换通风空调系统减少冷源能耗，提高了通风效率，与常规上侧送、下侧回气流组织空调系统相比，空调系统承担的冷负荷可减少30%，节能效果显著[3]。风系统由于冷负荷减少使设计送风量减小的趋势与送风温差减小造成设计送风量增大的趋势相差不多，能耗相差不大。
3 既有空调系统的自动控制改造
空调耗能是建筑物耗能中的大户，随着能源供应的日趋紧张及人们对室内热环境、空气品质的要求愈来愈高，迫切要求在保持空调区域一定舒适度的前提下最大限度地降低空调能耗。空调自控系统可以使建筑内环境更舒适、设备运行更可靠、能源利用更充分，是现代楼宇空调系统重要的组成部分。但是由于资金缺口和工程进度等等问题，许多已建成的商用建筑和办公大楼的空调系统往往都没有设计或安装自动控制系统，随着建筑物的投入使用，会发现空调区域的温、湿度波动很大，往往会超过允许的变化范围。
这种旧有空调系统进行自动控制改造与新空调系统的自控设计相比有许多不同之处，比如旧有的空调系统在运行中往往遭到一些人为因素的影响，致使风系统平衡遭到破坏，加装自控系统前必须先对旧有空调系统的风道系统重新进行平衡调整，否则自控系统可能达不到预期的效果；另外加装自动控制系统后对原空调系统的制冷、供热和水循环系统都将有一定的影响；同时在改造进程中也会遇到一些特殊的问题，有些问题在旧有空调系统的自控改造中是要特殊考虑的。
3.1 改造实例
3.1.1 项目背景
某广播电视大楼的空调系统自动控制改造的工作，该大楼的空调系统当初由于种种原因没有安装自控系统。随着室外气象条件的变化和室内负荷的变化，空调区域的温、湿度发生了很大的波动，常常会超过允许的变化范围。几年运行下来，每年都发生有的房间过热有的房间过冷的问题。很多工作室出现了冬热夏冷的情况，这大大影响了工作人员的工作效率，而且对工作人员身体健康有着很大损伤，且给室内高级机器设备的正常工作造成了一定的隐患（情况严重时会影响对温、湿度比较敏感的设备的正常工作）。
3.1.2 改造方案
室温控制是空调自控系统中重要的环节，它是用温度敏感元件来控制相应的调节机构，使得送风温度随扰量的变化而变化。改变送风温度的方法有：调节加热器的加热量或冷却器的冷却量，调节新、回风混合比或一、二次回风比等。此广播电视大楼的空调系统是由11个空气处理机组组成的全空气系统，每个机组都是一次回风系统，本着经济、简便的方针，此次空调系统的改造采用了常用的调节加热器的加热量和冷却器的冷却量的方法以改变送风温度。室内相对湿度的控制可以采用两种方法：间接控制法（定露点）、直接控制法（变露点），此广播电视大楼很多工作室因一些仪器设备的缘故对室内相对湿度的要求较为严格，为此我们选用了直接控制法去控制室内空气的相对湿度，即用相對湿度敏感元件，控制相应的调节机构，直接根据相对湿度偏差进行调节，以补偿室内热湿负荷的变化。另外还加了一些辅助控制设施以更好的完成空调系统的自动控制。
如图3-1所示在回风机进口处设置了温、湿度传感器（AI），以测定总回风的温、湿度，为控制器的调节提供依据。在冷却器的供水管路上增加了水量调节阀（AO），夏季根据室内温度（接近回风温度）和设定温度之间的差值，自动控制阀门的开启度，使室温控制在要求的范围内。另外在加热器的供水管上相应的增加了热水流量调节阀（AO），用于冬季的室温控制。我们在加湿器的供汽管道上加装了电动调节阀（AO），以根据室内相对湿度与设定湿度之间的差值，自动地调节蒸汽的加湿量，以确保室内相对湿度维持在要求的范围内。
3.2结论
（1）加装自动控制系统是解决旧有空调系统温度超限、分布不均、局部过热/过冷和能量浪费的有效方法，对改善空调区域的环境质量，减少能量损失，降低运行成本有着显著的作用。
（2）对由多台空气处理器组成的较大规模空调系统进行自控改造时，集散式控制系统是应该首选的一种控制方式，它具有结构简单，功能强大、传输方便、数据安全可靠的特点。
（3）自控系统的调试应在对旧有空调系统的风道系统重新进行平衡调整后进行，不然自控系统可能达不到预期的效果
4总结
随着能源供应的日趋紧张及人们对室内热环境、空气品质的要求愈来愈高，迫切要求在保持空调区域一定舒适度的前提下最大限度地降低空调能耗。目前我国一些既有建筑由于设计考虑不足，既有设备老化导致设备出力不足、使用功能变化等原因，导致很多空调系统远远超出其实际负荷，或者满足不了人们热舒适的要求，这就迫切的需要对既有的空调进行改造，针对不同的情况，可采用加装地源热泵，变换冷热源，合理利用置换通风、自然通风，利用自动控制设备智能调节中央空调系统多种手段结合的方式，在最经济，最高效的要求下达到人们对市内环境的要求。
参考文献：
[1]徐伟.地源热泵工程技术指南[M].北京：中国建筑工业出版社，2001
[2]马仁民.置换通风的通风效率及其微热环境评价.暖通空调，1995，15（3）：1-6.
[3]李龙宇.李强民.置换通风的原理和应用 1996（01）
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